Как путешественники узнают, как связать цвет листа с сезоном, чтобы определить, является ли это ядовитым плющом? Как родители узнают, как связать время дня с уровнем волнения ребенка, чтобы определить успешность распорядка отхода ко сну?
Так же, как у собак Павлова выделяется слюна, когда звонит колокольчик, люди учатся распознавать ядовитые растения или предотвращать слезы усталости у малышей, формируя ассоциации между деталями своего окружения и тем, что происходит.
Исследователи из Университета штата Аризона и Стэнфордского университета проанализировали закономерности мозговой активности людей и обнаружили ранее неизвестную роль гиппокампа, области мозга, важной для памяти, в формировании ассоциаций во время обучения.
Исследование будет опубликовано 6 марта в Nature Communications.
«Это исследование имеет важное значение для понимания того, как системы памяти мозга способствуют обучению и принятию решений», – сказал Вишну Мурти, доцент кафедры психологии в Университете Темпл, который не принимал участия в исследовании. «Полученные данные могут помочь нам понять сложность дефицита принятия решений в группах населения, где основное внимание уделяется дефициту памяти, таким как болезнь Альцгеймера, другие психопатологические расстройства и нормальное старение."
Когда люди учатся, они выстраивают ассоциации между такими характеристиками, как время дня и настроение малыша, чтобы предсказать результат, например, закончится ли грубое поведение слезами.
«Эти ассоциации имеют большое влияние на поведение», – сказал Ян Баллард, недавно получивший докторскую степень в области нейробиологии в Стэнфордском университете и являющийся первым автором статьи. «Но в реальном мире объекты или события определяются более чем одной функцией или комбинациями функций, и мы хотели понять, как мозг выстраивает ассоциации по аналогичным конфигурациям функций."
Чтобы понять, как мозг может справиться с проблемой построения ассоциаций с такой сложной, реальной информацией, исследовательская группа сосредоточилась на небольшой структуре мозга, которая выглядит как раковина улитки.
Крошечная, но мощная область мозга
Гиппокамп составляет примерно одну треть размера жевательной резинки, и эта небольшая структура мозга имеет решающее значение для формирования памяти. Без него люди не могут сформировать новые воспоминания о фактах или событиях, например о том, какой сегодня день или имена коллег.
Во время формирования памяти гиппокамп представляет отдельные детали события, например, где вы припарковали машину, чтобы максимально отличаться друг от друга.
"Одна проблема с памятью заключается в том, что трудно различить похожие переживания. Таким образом, если вы используете один и тот же гараж на работе каждый день, вы должны помнить, на какой этаж и какое место лучше идти в конце дня », – сказал Сэмюэл МакКлюр, доцент психологии в Университете штата Калифорния и старший автор статьи. "Проблема в том, что легко спутать, где вы припарковались в разные дни.
Гиппокамп важен для запоминания комбинации того, где и когда."
Как гиппокамп формирует воспоминания, обеспечивает механизм того, как сложные комбинации функций могут быть представлены в мозгу, но вопрос о том, действительно ли небольшая спиралевидная структура способствовала тому, как люди узнают о мире, оставалось открытым.
Чтобы определить, как гиппокамп может влиять на то, как люди формируют ассоциации в реальном мире, исследователи разработали учебную задачу, которая требовала от участников использовать комбинации функций, чтобы предсказать, произойдет ли результат. На экране последовательно появлялась серия стимулирующих изображений, таких как одно лицо или лицо в паре со зданием.
Затем участники должны были предсказать, появится ли целевое изображение после изображений стимула. Задача заключалась в том, чтобы как можно быстрее реагировать на любое появляющееся целевое изображение.
Только комбинации двух стимулирующих картинок, таких как лицо в паре с таунхаусом, можно было использовать для предсказания того, когда появится цель. Отдельные стимулы, такие как изображение лица, сами по себе не годились для предсказания.
Пока участники работали над задачей, исследовательская группа использовала функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) для измерения активности мозга в гиппокампе и других структурах мозга, которые, как известно, участвуют в обучении. Затем команда исследовала закономерности активности во время выполнения задания и заметила кое-что интересное в активности гиппокампа.
Это была единственная структура мозга, которая представляла связанные изображения стимулов, что важно, потому что для успешного выполнения задачи требовалось формирование ассоциаций о комбинациях, чтобы точно реагировать на целевые изображения.
«Мы обнаружили, что гиппокамп уникальным образом представляет связанные черты: лица и дома отличаются от лица и дома, смешанного вместе», – сказал Баллард.
Новый способ, которым гиппокамп способствует обучению
Когда исследовательская группа изучила, как модели активности в гиппокампе связаны с другими областями мозга, они обнаружили, что активность гиппокампа тесно связана с активностью в полосатом теле.
Расположенное под корой, полосатое тело состоит из трех отдельных структур – хвостатого тела, скорлупы и прилежащего ядра – и играет важную роль в изучении того, что предсказывает желаемые результаты.
«Гиппокамп образовывал связанные ассоциации из множества функций, которые поддерживали обучение в полосатом теле о конфигурации множества функций в окружающей среде», – сказал Баллард.
Как полосатое тело обрабатывает информацию во время обучения, хорошо известно, но откуда берется вся информация – открытый вопрос. Баллард добавил, что это исследование начинает устранять этот вопрос, показывая, что гиппокамп предоставил информацию о комбинациях функций полосатого тела, и эта информация использовалась, чтобы узнать, как добиться успеха в решении этой задачи.
До недавнего времени считалось, что мозг имеет отдельные системы обучения, но полученные данные свидетельствуют о том, что система памяти гиппокампа и система обучения полосатому телу с подкреплением взаимосвязаны.
«Очень важно думать о мозге как о взаимосвязанной структуре с различными частями, которые работают вместе, чтобы производить наши впечатляющие умственные способности.
Неврология и психология хорошо поработали над пониманием того, как работают отдельные части. Приятно начинать пытаться понять, как они начинают работать вместе », – сказал МакКлюр. «Мы подозреваем, что понимание нормальных и патологических психических функций требует понимания того, как все части работают вместе – или нет."
Энтони Вагнер, профессор психологии Стэнфордского университета, также внес свой вклад в исследование. Работа была поддержана стипендией для аспирантов и интегративной аспирантурой и исследовательской стажировкой Национального научного фонда, а также средствами Стэнфордского университета и Университета штата Аризона.