Η Υπερφορολογημένη Μνήμη Εργασίας Κάνει τον Εγκέφαλο εκτός Συγχρονισμού
Το 1956, ο διάσημος γνωστικός ψυχολόγος Τζορτζ Μίλερ δημοσίευσε μια από τις πιο ευρέως αναφερόμενες εργασίες του πεδίου, «Ο μαγικός αριθμός επτά, συν ή πλην δύο». Σε αυτό, υποστήριξε ότι παρόλο που ο εγκέφαλος μπορεί να αποθηκεύσει μια ολόκληρη ζωή γνώσης στα τρισεκατομμύρια συνδέσεις του, ο αριθμός των στοιχείων που οι άνθρωποι μπορούν να κρατήσουν ενεργά στη συνειδητή επίγνωσή τους ταυτόχρονα περιορίζεται, κατά μέσο όρο, σε επτά.
Αυτά τα στοιχεία μπορεί να είναι μια σειρά από ψηφία, μια χούφτα αντικείμενα διάσπαρτα σε ένα δωμάτιο, λέξεις σε μια λίστα ή επικαλυπτόμενοι ήχοι. Όποια κι αν είναι, έγραψε ο Miller, μόνο επτά από αυτά μπορούν να χωρέσουν σε αυτό που ονομάζεται μνήμη εργασίας, όπου είναι διαθέσιμα για την εστιασμένη προσοχή μας και άλλες γνωστικές διαδικασίες. Η διατήρησή τους στη μνήμη εργασίας είναι βραχύβια και περιορισμένη:Όταν δεν εξετάζονται πλέον ενεργά, αποθηκεύονται αλλού ή ξεχνιούνται.
Από την εποχή του Μίλερ, νευροεπιστήμονες και ψυχολόγοι συνέχισαν να μελετούν τη μνήμη εργασίας και τους εκπληκτικά αυστηρούς περιορισμούς της. Διαπίστωσαν ότι το όριο μπορεί πραγματικά να είναι πιο κοντά σε τέσσερα ή πέντε στοιχεία από τα επτά. Και έχουν μελετήσει τους τρόπους με τους οποίους οι άνθρωποι εργάζονται γύρω από αυτόν τον περιορισμό:Μπορούμε να θυμηθούμε όλα τα ψηφία ενός τηλεφωνικού αριθμού «κομματοποιώντας» ψηφία (ενθυμούμενοι το 1, μετά το 4, ως το μοναδικό στοιχείο 14, για παράδειγμα) ή να αναπτύξουμε μνημονικές συσκευές για ανακάτεμα τυχαίων ψηφίων του pi από μακροπρόθεσμη αποθήκευση.
Αλλά η εξήγηση για το γιατί η λειτουργική μνήμη αρχίζει να παραπαίει σε ένα τόσο φαινομενικά χαμηλό όριο ήταν άπιαστη. Οι επιστήμονες μπορούν να δουν ότι κάθε προσπάθεια υπέρβασης αυτού του ορίου προκαλεί την υποβάθμιση των πληροφοριών:οι νευρωνικές αναπαραστάσεις γίνονται «λεπτότερες», οι εγκεφαλικοί ρυθμοί αλλάζουν και οι μνήμες καταρρέουν. Αυτό φαίνεται να συμβαίνει με ακόμη μικρότερο αριθμό στοιχείων σε ασθενείς που έχουν διαγνωστεί με νευρολογικές διαταραχές, όπως η σχιζοφρένεια.
Ο μηχανισμός που προκαλεί αυτές τις αστοχίες, ωστόσο, παρέμενε άγνωστος μέχρι πρόσφατα.
Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Cerebral Cortex Τον Μάρτιο, τρεις επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μια σημαντική εξασθένηση των σημάτων «ανάδρασης» μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του εγκεφάλου είναι υπεύθυνη για τη διάσπαση. Η εργασία όχι μόνο παρέχει πληροφορίες για τη λειτουργία και τη δυσλειτουργία της μνήμης, αλλά προσφέρει επίσης περαιτέρω στοιχεία για μια ανερχόμενη θεωρία σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις πληροφορίες.
Συγχρονισμένο βουητό στον εγκέφαλο
Earl Miller, νευροεπιστήμονας στο Picower Institute for Learning and Memory στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Δημήτρης Πινότσης, συνεργάτης της έρευνας στο εργαστήριό του. και ο Timothy Buschman, επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ήθελαν να μάθουν τι θέτει το όριο χωρητικότητας της μνήμης εργασίας τόσο χαμηλό.
Γνώριζαν ήδη ότι ένα δίκτυο που περιλαμβάνει τρεις περιοχές του εγκεφάλου - τον προμετωπιαίο φλοιό, τα μετωπιαία οφθαλμικά πεδία και την πλευρική ενδοβρεγματική περιοχή - είναι ενεργό στη μνήμη εργασίας. Ωστόσο, δεν είχαν ακόμη παρατηρήσει μια αλλαγή στη νευρωνική δραστηριότητα που αντιστοιχούσε στην απότομη μετάβαση μεταξύ της μνήμης και της μη μνήμης που συνοδεύεται από την υπέρβαση του ορίου μνήμης εργασίας.
Έτσι επέστρεψαν σε ένα τεστ λειτουργικής μνήμης που είχε πραγματοποιήσει το εργαστήριο του Μίλερ λίγα χρόνια νωρίτερα, στο οποίο οι ερευνητές έδειξαν στους πιθήκους μια σειρά από οθόνες:πρώτα, ένα σύνολο από χρωματιστά τετράγωνα, ακολουθούμενο για λίγο από μια κενή οθόνη και μετά την αρχική οθόνη μία φορά. περισσότερο, αυτή τη φορά με το χρώμα ενός τετραγώνου άλλαξε. Τα ζώα έπρεπε να ανιχνεύσουν τη διαφορά μεταξύ των οθονών. Μερικές φορές ο αριθμός των τετραγώνων έπεφτε κάτω από τη χωρητικότητα της μνήμης εργασίας τους, μερικές φορές πάνω. Τα ηλεκτρόδια που τοποθετήθηκαν βαθιά στον εγκέφαλο των πιθήκων κατέγραφαν το χρόνο και τη συχνότητα των εγκεφαλικών κυμάτων που παράγονται από διάφορους πληθυσμούς νευρώνων καθώς ολοκλήρωναν κάθε εργασία.
Αυτά τα κύματα είναι ουσιαστικά οι συντονισμένοι ρυθμοί εκατομμυρίων νευρώνων που γίνονται ενεργοί και σιωπούν ταυτόχρονα. Όταν οι περιοχές του εγκεφάλου εμφανίζουν αντίστοιχες ταλαντώσεις, τόσο σε χρόνο όσο και σε συχνότητα, λέγεται ότι είναι συγχρονισμένες. «Είναι σαν να βουίζουν μαζί», είπε ο Μίλερ. «Και οι νευρώνες που βουίζουν μαζί μιλούν». Το παρομοιάζει με ένα σύστημα κυκλοφορίας:Οι φυσικές συνδέσεις του εγκεφάλου λειτουργούν σαν δρόμοι και αυτοκινητόδρομοι, ενώ τα μοτίβα συντονισμού που δημιουργούνται από αυτά τα ταλαντευόμενα εγκεφαλικά κύματα που «βουίζουν» μαζί είναι τα φανάρια που κατευθύνουν στην πραγματικότητα τη ροή της κυκλοφορίας. Αυτή η ρύθμιση, υποθέτουν οι ερευνητές, φαίνεται ότι βοηθά κατά κάποιον τρόπο να «δέσει» ενεργά δίκτυα σε μια πιο σταθερή αναπαράσταση μιας εμπειρίας.
Στην πρόσφατη εργασία τους, ο Miller και οι συνάδελφοί του εξόρυξαν τα δεδομένα ταλάντωσης που είχαν συλλέξει από τους πιθήκους για πληροφορίες σχετικά με το πώς λειτουργεί αυτό το δίκτυο μνήμης τριών μερών. Κατασκεύασαν ένα λεπτομερές μηχανιστικό μοντέλο που ενσωμάτωσε υποθέσεις για τη δομή και τη δραστηριότητα του δικτύου, με βάση προηγούμενες έρευνες:τις θέσεις και τις συμπεριφορές (ας πούμε, διεγερτικές ή ανασταλτικές) συγκεκριμένων νευρικών πληθυσμών, για παράδειγμα, ή τις συχνότητες ορισμένων ταλαντώσεων. Στη συνέχεια, οι ερευνητές δημιούργησαν πολλές ανταγωνιστικές υποθέσεις για το πώς οι διάφορες περιοχές του εγκεφάλου μπορεί να «μιλούν» μεταξύ τους - συμπεριλαμβανομένης της κατεύθυνσης και της δύναμης αυτού του διαλόγου - καθώς οι πίθηκοι έπρεπε να θυμούνται όλο και περισσότερα αντικείμενα. Συνέκριναν αυτούς τους υπολογισμούς με τα πειραματικά τους δεδομένα για να προσδιορίσουν ποιο από τα σενάρια ήταν πιο πιθανό.
Η μοντελοποίησή τους επιβεβαίωσε ότι οι τρεις περιοχές του εγκεφάλου λειτουργούν σαν ζογκλέρ που ασχολούνται με ένα περίπλοκο παιχνίδι σύλληψης. Ο προμετωπιαίος φλοιός φαίνεται να βοηθά στη δημιουργία ενός εσωτερικού μοντέλου του κόσμου, στέλνοντας τα λεγόμενα «από πάνω προς τα κάτω» ή ανατροφοδότηση, σήματα που μεταφέρουν αυτό το μοντέλο σε περιοχές του εγκεφάλου χαμηλότερου επιπέδου. Εν τω μεταξύ, τα επιφανειακά μετωπιαία οφθαλμικά πεδία και η πλευρική ενδοβρεγματική περιοχή στέλνουν ακατέργαστη αισθητική είσοδο στις βαθύτερες περιοχές στον προμετωπιαίο φλοιό, με τη μορφή σημάτων από κάτω προς τα πάνω ή προς τα εμπρός. Οι διαφορές μεταξύ του μοντέλου από πάνω προς τα κάτω και των αισθητηριακών πληροφοριών από κάτω προς τα πάνω επιτρέπουν στον εγκέφαλο να καταλάβει τι βιώνει και να τροποποιήσει ανάλογα τα εσωτερικά του μοντέλα.
Ο Miller και οι συνάδελφοί του διαπίστωσαν ότι όταν ο αριθμός των αντικειμένων που έπρεπε να θυμούνται ξεπέρασε τη χωρητικότητα της μνήμης εργασίας των πιθήκων, η σύνδεση ανάδρασης από τον προμετωπιαίο φλοιό με τις άλλες δύο περιοχές χάλασε. Οι συνδέσεις προώθησης, από την άλλη, παρέμειναν μια χαρά.
Η αποδυνάμωση των σημάτων ανάδρασης, σύμφωνα με τα μοντέλα της ομάδας, οδήγησε σε απώλεια συγχρονισμού μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου. Χωρίς τις προσανατολισμένες στην πρόβλεψη επικοινωνίες από τον προμετωπιαίο φλοιό, το δίκτυο της μνήμης εργασίας έπεσε εκτός συγχρονισμού.
Ενημέρωση του μοντέλου
Αλλά γιατί η ανατροφοδότηση από πάνω προς τα κάτω είναι τόσο ευάλωτη στην αύξηση του αριθμού των στοιχείων που πρέπει να θυμόμαστε; Η υπόθεση των ερευνητών είναι ότι οι μοντελοποιημένες πληροφορίες που προέρχονται από τον προμετωπιαίο φλοιό αντιπροσωπεύουν ουσιαστικά ένα σύνολο προβλέψεων σχετικά με το τι θα αντιληφθεί ο εγκέφαλος στον κόσμο - σε αυτή την περίπτωση, τα περιεχόμενα των αντικειμένων που βρίσκονται στη μνήμη εργασίας. «Για παράδειγμα, καθώς διαβάζετε αυτήν την πρόταση, θα έχετε προσδοκίες για την τρέχουσα λέξη, φράση και πρόταση», έγραψε σε ένα email ο Karl Friston, νευροεπιστήμονας στο University College του Λονδίνου που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Το να έχετε μια αναπαράσταση ή προσδοκία σχετικά με την τρέχουσα πρόταση σημαίνει ότι έχετε μια σιωπηρή αναπαράσταση του παρελθόντος και του μέλλοντος."
Πολλοί νευροεπιστήμονες πιστεύουν ότι ο εγκέφαλος βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε μια τέτοια «προγνωστική κωδικοποίηση» των αισθητηριακών δεδομένων για να εκτελέσει τις συνήθεις γνωστικές και εντολικές λειτουργίες του. Αλλά ο Miller και οι συνεργάτες του θεωρούν ότι όταν η ποσότητα των στοιχείων που τοποθετούνται στη μνήμη εργασίας γίνεται πολύ μεγάλη, ο αριθμός των πιθανών προβλέψεων για αυτά τα στοιχεία δεν μπορεί εύκολα να κωδικοποιηθεί στο σήμα ανάδρασης. Ως αποτέλεσμα, η ανάδραση αποτυγχάνει και το υπερφορτωμένο σύστημα μνήμης εργασίας καταρρέει.
Το εργαστήριο του Miller και άλλοι εργάζονται για να χαράξουν έναν πιο σημαντικό ρόλο για την αλληλεπίδραση μεταξύ των εγκεφαλικών κυμάτων στο μοντέλο της μνήμης εργασίας των επιστημόνων, το οποίο παραδοσιακά δίνει το μεγαλύτερο μέρος της έμφασης στη δραστηριότητα πυροδότησης μεμονωμένων νευρώνων. Επί του παρόντος, διερευνούν επίσης γιατί το άνω όριο στη μνήμη εργασίας αιωρείται γύρω από τέσσερα ή πέντε στοιχεία και όχι σε κάποιον άλλο αριθμό. Ο Μίλερ πιστεύει ότι ο εγκέφαλος ταχυδακτυλουργεί τα αντικείμενα που βρίσκονται στην μνήμη εργασίας ένα κάθε φορά, εναλλάξ. «Αυτό σημαίνει ότι όλες οι πληροφορίες πρέπει να χωρέσουν σε ένα εγκεφαλικό κύμα», είπε. "Όταν υπερβείτε τη χωρητικότητα αυτού του ενός εγκεφαλικού κύματος, έχετε φτάσει στο όριο της λειτουργικής μνήμης."
«Το ερώτημα τώρα είναι πού θα μας οδηγήσει όλο αυτό», δήλωσε ο Rufin VanRullen, ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας της Γαλλίας που βρίσκει το μοντέλο και τα συμπεράσματα της ομάδας «ισχυρά», εν αναμονή περαιτέρω πειραματικής επιβεβαίωσης. "Πρέπει πραγματικά να μπούμε μέσα στον εγκέφαλο και να βρούμε πιο άμεσες αποδείξεις για αυτές τις συνδέσεις."
Η πιθανή απόδοση είναι υψηλή. Η δημιουργία ενός προγνωστικού μοντέλου κωδικοποίησης για τη μνήμη εργασίας δεν θα επιτρέψει απλώς την καλύτερη κατανόηση του πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος και τι μπορεί να πάει στραβά σε νευρολογικές ασθένειες. Έχει επίσης κρίσιμες συνέπειες για το τι εννοούμε με τον όρο «νοημοσύνη» - και ακόμη και για τον εαυτό, σύμφωνα με τον Friston. Αρχικά, η καλύτερη κατανόηση του τι κάνουν οι συνδέσεις ανάδρασης του εγκεφάλου θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλα βήματα στην έρευνα της τεχνητής νοημοσύνης, η οποία επί του παρόντος επικεντρώνεται περισσότερο στα σήματα ανάδρασης και στους αλγόριθμους ταξινόμησης. "Αλλά μερικές φορές ένα σύστημα μπορεί να χρειαστεί να πάρει μια απόφαση όχι για το τι βλέπει αλλά με βάση αυτό που θυμάται", είπε ο Πινότσης.
