Из повседневного опыта становится очевидным – иногда даже досадно, – что объем нашей рабочей памяти ограничен. Мы можем только осознанно держать в уме сразу очень много вещей. Результаты нового исследования могут объяснить, почему: они предполагают, что "связь," или синхронность мозговых волн между тремя ключевыми областями нарушается определенным образом, когда нагрузка на визуальную рабочую память становится слишком большой, чтобы справиться с ней.
"При достижении максимальной мощности происходит потеря обратной связи," сказал старший автор Эрл Миллер, профессор нейробиологии Пикауэра в Институте обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института. Эта потеря синхронности означает, что регионы больше не могут общаться друг с другом, чтобы поддерживать рабочую память.
Максимальный объем рабочей памяти – например, общее количество изображений, которые человек может одновременно хранить в рабочей памяти – варьируется в зависимости от человека, но в среднем составляет около четырех, сказал Миллер. Исследователи связали объем рабочей памяти с интеллектом.
Поэтому понимание того, что заставляет рабочую память иметь внутренний предел, важно, потому что это может помочь объяснить ограниченную природу сознательного мышления и оптимальную когнитивную деятельность, сказал Миллер.
А поскольку определенные психические расстройства могут снижать дееспособность, говорят Миллер и ведущий автор Димитрис Пиноцис, исследовательский отдел лаборатории Миллера, результаты также могут больше объяснить, как такие расстройства мешают мышлению.
"Исследования показывают, что пиковая нагрузка ниже у шизофреников и других пациентов с неврологическими или психическими заболеваниями и расстройствами по сравнению со здоровыми людьми," Пиноцис сказал. "Таким образом, понимание сигналов мозга при пиковой нагрузке также может помочь нам понять происхождение когнитивных нарушений."
Другой автор исследования – Тимоти Бушман, доцент Института неврологии Принстонского университета и бывший сотрудник лаборатории Миллера.
Как перестает работать рабочая память
Новое исследование, опубликованное в журнале Cerebral Cortex, представляет собой подробный статистический анализ данных, записанных лабораторией Миллера, когда животные играли в простую игру: они должны были замечать разницу, когда им показывали набор квадратов на экране, а затем, после короткий пустой экран, почти идентичный набор, в котором один квадрат изменил цвет. Количество задействованных квадратов, следовательно, нагрузка на рабочую память каждого раунда варьировалась, так что иногда задача превышала возможности животных.
Пока животные играли, исследователи измеряли частоту и синхронизацию мозговых волн, производимых ансамблями нейронов в трех областях, которые, как предполагается, имеют важное, хотя и неизвестное, отношение в создании зрительной рабочей памяти: префронтальная кора (ПФК), лобная зона. глазные поля (FEF) и латеральная интрапариетальная область (LIP).
Цель исследователей состояла в том, чтобы охарактеризовать перекрестные помехи между этими тремя областями, которые отражаются в моделях мозговых волн, и конкретно понять, как это может измениться по мере увеличения нагрузки до точки, в которой она превышает допустимую.
Хотя исследователи сосредоточились на этих трех областях, они не знали, как они могут работать друг с другом. Используя сложные математические методы, они проверили множество вариантов того, как регионы "пара," или синхронизировать, на высоких и низких частотах. В "победа" структура была той, которая лучше всего соответствовала экспериментальным данным.
"Это был очень открытый конец," Миллер сказал. "Мы смоделировали все различные комбинации сигналов обратной связи и прямой связи между областями и ждали, чтобы увидеть, куда приведут данные."
Они обнаружили, что регионы, по сути, работают как комитет, без особой иерархии, чтобы поддерживать рабочую память в рабочем состоянии. Они также обнаружили изменения, когда нагрузка приближалась, а затем превышала емкость.
"При пиковой нагрузке на память сигналы мозга, которые поддерживают воспоминания и направляют действия, основанные на этих воспоминаниях, достигают своего максимума," Пиноцис сказал. "Выше этого пика выходят те же сигналы."
В частности, при превышении допустимой мощности связь PFC с другими регионами на низкой частоте прекратилась, сказал Миллер.
Другое исследование предполагает, что роль PFC может заключаться в использовании низкочастотных волн для обеспечения обратной связи, которая поддерживает синхронизацию системы рабочей памяти. Когда этот сигнал исчезнет, сказал Миллер, все предприятие может также. Это может объяснить, почему объем памяти имеет конечный предел. По его словам, в предыдущих исследованиях его лаборатория наблюдала, что информация в нейронах ухудшается по мере увеличения нагрузки, но не было очевидного отрезка, при котором рабочая память просто перестала бы функционировать.
"Мы знали, что стимулирующая нагрузка ухудшает обработку в этих областях, но мы не заметили каких-либо явных изменений, которые коррелируют с достижением мощности," он сказал. "Но мы видели это с обратной связью. Он пропадает, когда испытуемые превышают свои возможности. PFC перестает обеспечивать обратную связь с FEF и LIP."
Две стороны истории
Поскольку в учебной игре преднамеренно менялись места появления квадратов с левой или правой стороны поля зрения, данные также добавили больше доказательств для открытия, о котором Миллер и его коллеги впервые сообщили еще в 2009 году: визуальная рабочая память различна для каждой стороны визуального поля. поле. Исследования подтвердили, что у людей есть независимые способности слева и справа.
В настоящее время лаборатория Миллера работает над новым исследованием, которое отслеживает, как взаимодействуют три области, когда информация о рабочей памяти должна распределяться по полю зрения.
Исследования, полученные в лаборатории Миллера в области визуальной рабочей памяти, побудили его основать компанию SplitSage, которая в прошлом месяце получила патент на технологию для измерения позиционных различий людей в объеме визуальной рабочей памяти. Компания надеется использовать выводы исследования Миллера для оптимизации отображения на лобовом стекле в автомобилях и разработки диагностических тестов для таких заболеваний, как слабоумие, среди других приложений. Миллер – главный научный сотрудник компании, а Бушман – председатель консультативного совета.
По словам Миллера, чем больше ученые узнают о том, как работает рабочая память, и, в более общем плане, о том, как мозговые волны синхронизируют когнитивные функции более высокого уровня, тем больше у них будет возможностей применить эти знания, чтобы помочь людям.
"Если мы сможем выяснить, что делают ритмы, как они их делают и когда они это делают, мы сможем найти способ усилить ритмы, когда их нужно усилить," он сказал.