30.07.2021
НИУ ВШЭ
3 197

Предложено новое объяснение процессов, лежащих в основе рабочей памяти

4.4

Сотрудники Центра нейроэкономики и когнитивных исследований ВШЭ построили численную модель рабочей памяти и показали стабилизирующую роль гамма-ритма, а также важность быстрого взаимодействия между компонентами модели. Полученные результаты могут стать частью теоретического базиса для экспериментов по улучшению функций рабочей памяти при помощи неинвазивной стимуляции мозга.

Предложено новое объяснение процессов, лежащих в основе рабочей памяти / ©Getty images

Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Neural Circuits. Память человека устроена сложным образом и позволяет мозгу хранить информацию разное количество времени в зависимости от того, насколько долго необходимо обращаться к воспоминаниям. Для того чтобы действовать на основании информации, которая недоступна прямо сейчас органам восприятия, мозг человека использует рабочую (кратковременную) память. Она необходима нам для того, чтобы рассуждать и размышлять, для осознания сложной информации, а также для принятия решений.

Мозг человека постоянно электрически активен. Нейроны — клетки головного мозга, которые обмениваются друг с другом информацией с помощью коротких электрических импульсов. Во время удержания информации в рабочей памяти нейроны префронтальной коры входят в активное состояние с повышенной частотой порождения импульсов. Считается, что, помимо активности отдельных нейронов, для рабочей памяти также важна коллективная ритмическая активность нейронных сетей мозга в различных частотных диапазонах.

Среди видов ритмической активности мозга, наблюдаемых при использовании рабочей памяти, особый интерес представляют импульсы в гамма-диапазоне. Гамма-ритмом называются электрические колебания в мозге человека с частотами от от 30 до 170 герц. Гамма-активность указывает на «включение» сетей нейронов и совпадает с моментами повышения частоты порождения импульсов этими сетями.

В период удержания информации в рабочей памяти, когда сам стимул уже отсутствует, но информация о нем необходима для последующего решения, наблюдается повышенная интенсивность гамма-колебаний по сравнению с фоновым состоянием, не требующим удержания информации.

Сегодня существует множество численных моделей рабочей памяти, в основе большинства из которых лежат нейронные сети с несколькими стабильными состояниями. В самом простом случае у системы существует два устойчивых состояния: фоновое — с низкой частотой возникновения импульсов, соответствующее отсутствию информации в рабочей памяти, и активное — с высокой частотой порождения импульсов, соответствующее удержанию информации.

Переход от фонового состояния к активному происходит под действием короткого внешнего импульса. Именно в этот момент предъявляется стимул, который необходимо будет удерживать. Современные данные показывают, что активное состояние стабильно лишь в течение небольшого временного интервала (это явление называют метастабильностью).

Предложенная модель рабочей памяти. Кружками представлены популяции нейронов, линии между ними обозначают симметричные возбуждающие связи. Красные популяции получают на вход общий шумовой сигнал, серые – независимые шумовые сигналы. Популяции сгруппированы в два кластера, получающих на вход гамма-ритм в одной и той же фазе или в противофазе. Связи внутри кластеров – быстрые, связи между кластерами могут быть быстрыми или медленными. Стимул для запоминания подается на вход всех популяций / ©Пресс-служба НИУ ВШЭ

В своей статье авторы рассмотрели модель рабочей памяти, содержащую набор популяций нейронов, связанных друг с другом возбуждающими связями. В момент предъявления стимула часть нейронных популяций префронтальной коры считывают сигнал и объединяются в единую сеть.

Нейроны разряжаются случайным образом, поэтому каждый нейрон в связанной сети фактически получает на вход некое подобие шума, который складывается из сигналов от всех элементов. Ученые смоделировали такое взаимодействие в виде общего случайного сигнала, подаваемого на вход части популяций. Стабильность удержания стимула в рабочей памяти оценивалась как среднее время, за которое популяция возвращалась в фоновое состояние после предъявления стимула.

Авторы показали, что информация о стимуле удерживается более устойчиво, если популяции нейронов получают на вход одинаковый шумовой сигнал, а не разные независимые сигналы. Также было обнаружено, что подача на вход гамма-ритма обеспечивала стабилизацию рабочей памяти, и усиливала различие между двумя группами популяций. Это повышало «четкость» удерживаемой в памяти информации.

Сегодня теоретическое понимание значения ритмов мозга для рабочей памяти отстает от накопленного экспериментального материала. Опубликованное сотрудниками НИУ ВШЭ исследование вносит дополнительный вклад в развитие теории контроля процессов, лежащих в основе рабочей памяти.

«Наша работа продолжает серию теоретических исследований связи колебательных процессов с рабочей памятью и расширяет имеющееся понимание этой связи. Например, классические работы в данной области указывают на дестабилизирующую роль внешних сигналов и важность медленного взаимодействия между нейронами для поддержания рабочей памяти, – комментирует младший научный сотрудник Института когнитивных нейронаук Никита Новиков.

– Напротив, в своей работе мы продемонстрировали стабилизирующую роль внешнего сигнала и важность обеспечивающего их быстрого взаимодействия. В целом, полученные результаты могут стать частью теоретического базиса для экспериментов по улучшению функций рабочей памяти при помощи неинвазивной периодической стимуляции мозга». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — одно из крупнейших и самых востребованных высших учебных заведений России, стран СНГ и государств Восточной Европы. В НИУ ВШЭ представлены все уровни образовательной подготовки (от лицея для школьников до аспирантуры и MBA) по широкому спектру направлений в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также творческих специальностей. Научные подразделения ВШЭ — институты, центры, лаборатории, возглавляемые ведущими российскими и зарубежными учеными, ориентированы как на фундаментальные исследования, так и на прикладные разработки по заказам федеральных и региональных органов власти, министерств и ведомств, российских и зарубежных компаний. Высшая школа экономики стабильно занимает высокие места в предметных рейтингах Times Higher Education (THE) и QS, а также является единственным российским университетом в топ-50 рейтингов молодых университетов сразу двух агентств.
Предстоящие мероприятия
Вчера, 19:27
Михаил Орлов

В последнее время Азовское море страдает от нашествий медуз-корнеротов. Местные исследователи из Азово-Черноморского филиала ВНИРО подошли к проблеме изобретательно и предложили использовать корнеротов как ценный продукт питания.

Позавчера, 16:42
Илья Ведмеденко

Украина, вероятно, потеряла недавно запущенный космический аппарат «Сич-2-30». Пока с ним нет устойчивой связи — или совсем никакой.

25 января
Александр Березин

Океаны на нашей планете не могли возникнуть сразу после ее появления: здесь было слишком жарко. Однако попытки объяснить их «кометным завозом» не удались, изотопный состав нашей воды не такой, как в кометах. До самых недавних пор оставалось неясным, откуда же тогда она появилась, сделав возможной земную жизнь?

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

21 января
Илья Ведмеденко

Заслуженные штурмовики A-10 и Су-25, которым дали прозвища «Бородавочник » и «Грач» соответственно, много десятилетий стоят на службе в Соединенных Штатах и России. Страны избрали разные подходы к модернизации этих самолетов, и сегодня Naked Science постарается понять, какой из них больше соответствует требованиям XXI века.

23 января
Илья Ведмеденко

(16) Психея – одно из самых необычных небесных тел в Поясе астероидов. Она может дать людям не только понимание о происхождении планет, но и невероятные по своим объемам ресурсы. Правда, придется подождать: миссия по исследованию астероида находится лишь в самом начале долгого и сложного пути.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

20 января
ТГУ

Ученые факультета физической культуры Томского государственного университета в рамках гранта, поддержанного РНФ, исследуют особенности механизма усвоения глюкозы при сахарном диабете второго типа. Для этого был организован масштабный четырехмесячный эксперимент на 240 мышах, подобного которому в мире еще никто не проводил. Животные с искусственно сформированным диабетом подвергались физической нагрузке. Установлено, что вечерние тренировки лучше снижали вес мышей мышей, а утренние – приводили к уменьшению уровня глюкозы. Предположительно, фактором, стимулирующим утилизацию глюкозы, выступил стресс. Ученые намерены проверить эту гипотезу.

24 января
Сколтех

Коллектив ученых из Сколтеха — аспирант Егор Нужин, доцент Максим Панов и профессор Николай Бриллиантов — при помощи методов искусственного интеллекта объяснили таинственное поведение, характерное для ряда животных, — кружение.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: