Ο νέος χάρτης του νοήματος στον εγκέφαλο αλλάζει τις ιδέες για τη μνήμη

Συχνά σκεφτόμαστε τη μνήμη ως επανάληψη του παρελθόντος - μια διανοητική επικάλυψη γεγονότων και αισθήσεων που έχουμε βιώσει. Στον εγκέφαλο, αυτό θα ήταν παρόμοιο με τα ίδια μοτίβα νευρικής δραστηριότητας που εκφράζονται ξανά:Η ανάμνηση του προσώπου ενός ατόμου, για παράδειγμα, μπορεί να ενεργοποιήσει τα ίδια νευρικά μοτίβα με αυτά που βλέπουν το πρόσωπό του. Και πράγματι, σε ορισμένες διαδικασίες μνήμης, συμβαίνει κάτι τέτοιο.

Αλλά τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν επανειλημμένα βρει λεπτές αλλά σημαντικές διαφορές μεταξύ οπτικών και αναπαραστάσεων μνήμης, με τις τελευταίες να εμφανίζονται σταθερά σε ελαφρώς διαφορετικές θέσεις στον εγκέφαλο. Οι επιστήμονες δεν ήταν σίγουροι τι να κάνουν με αυτόν τον μετασχηματισμό:Ποια λειτουργία εξυπηρετούσε και τι σήμαινε για τη φύση της ίδιας της μνήμης;

Τώρα, μπορεί να έχουν βρει μια απάντηση — σε έρευνα που επικεντρώθηκε στη γλώσσα και όχι στη μνήμη.

Μια ομάδα νευροεπιστημόνων δημιούργησε έναν σημασιολογικό χάρτη του εγκεφάλου που έδειξε με αξιοσημείωτη λεπτομέρεια ποιες περιοχές του φλοιού ανταποκρίνονται σε γλωσσικές πληροφορίες για ένα ευρύ φάσμα εννοιών, από πρόσωπα και μέρη έως κοινωνικές σχέσεις και καιρικά φαινόμενα. Όταν συνέκριναν αυτόν τον χάρτη με έναν χάρτη που έφτιαξαν και δείχνει πού αντιπροσωπεύει ο εγκέφαλος κατηγορίες οπτικών πληροφοριών, παρατήρησαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των μοτίβων.

Και αυτές οι διαφορές έμοιαζαν ακριβώς με αυτές που αναφέρθηκαν στις μελέτες για την όραση και τη μνήμη.

Το εύρημα δημοσιεύθηκε τον περασμένο Οκτώβριο στο Nature Neuroscience , υποδηλώνει ότι σε πολλές περιπτώσεις, μια ανάμνηση δεν είναι ένα φαξ προηγούμενων αντιλήψεων που επαναλαμβάνεται. Αντίθετα, μοιάζει περισσότερο με μια ανακατασκευή της αρχικής εμπειρίας, με βάση το σημασιολογικό της περιεχόμενο.

Αυτή η διορατικότητα θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγήσουμε γιατί η μνήμη είναι τόσο συχνά μια τόσο ατελής καταγραφή του παρελθόντος — και θα μπορούσε να παρέχει καλύτερη κατανόηση του τι σημαίνει πραγματικά να θυμάσαι κάτι.

Ένα μωσαϊκό νοήματος

Το νέο έργο για τη σημασιολογία ήταν εντελώς ανεξάρτητο από το έργο για τη μνήμη — και τα δύο εκτυλίσσονταν περίπου την ίδια στιγμή αλλά σε αντίθετες πλευρές των Ηνωμένων Πολιτειών.

Το 2012, ο Jack Gallant, ένας υπολογιστικός και γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, είχε περάσει το μεγαλύτερο μέρος μιας δεκαετίας αναπτύσσοντας λειτουργικά εργαλεία και μοντέλα MRI (απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού) για τη μελέτη του ανθρώπινου οπτικού συστήματος. Επειδή οι μηχανές fMRI μπορούν να μετρήσουν αλλαγές στη ροή του αίματος και την ηλεκτρική δραστηριότητα στον εγκέφαλο, οι νευροεπιστήμονες συχνά τις χρησιμοποιούν για να μελετήσουν ποια μέρη του φλοιού ανταποκρίνονται σε διαφορετικά ερεθίσματα.

Ένας από τους μεταπτυχιακούς φοιτητές του Gallant εκείνη την εποχή, ο Alex Huth, χρησιμοποίησε τις τεχνικές αιχμής του εργαστηρίου Gallant για να αναλύσει πού μπορεί ο εγκέφαλος να κωδικοποιεί διαφορετικά είδη οπτικών πληροφοριών. Οι Huth, Gallant και οι συνάδελφοί τους έβαλαν τους συμμετέχοντες να παρακολουθήσουν ώρες σιωπηλών βίντεο ενώ βρίσκονταν μέσα σε σαρωτές fMRI. Στη συνέχεια, τμηματοποιώντας τα δεδομένα σε αρχεία για όγκους εγκεφαλικού ιστού περίπου μεγέθους μπιζελιού που ονομάζονται voxels, ανέλυσαν τις σαρώσεις για να προσδιορίσουν πού αναπαριστώνται εκατοντάδες αντικείμενα και ενέργειες στον φλοιό.

Βρήκαν αξιοσημείωτα συνεπή μοτίβα σε όλους τους συμμετέχοντες - μοτίβα που σχημάτισαν έναν γενικευμένο χάρτη οπτικού νοήματος. Επιβεβαίωσε την ταυτότητα ορισμένων περιοχών του οπτικού φλοιού που ήταν ήδη γνωστές από παλαιότερες έρευνες, όπως περιοχές που ανταποκρίνονται επιλεκτικά σε πρόσωπα ή μέρη. Ωστόσο, εμφανίστηκε για πρώτη φορά και εκατοντάδες άλλα επιλεκτικά μπαλώματα:περιοχές που ανταποκρίθηκαν σε εικόνες ζώων, μελών της οικογένειας, εσωτερικών σκηνών, σκηνών σε εξωτερικούς χώρους, ανθρώπων σε κίνηση και πολλά άλλα.

Ο Χουθ δεν σταμάτησε εκεί. Αυτός και η ομάδα του αποφάσισαν να δοκιμάσουν κάτι παρόμοιο, μόνο που αυτή τη φορά χρησιμοποιούν γλώσσα αντί για οπτικά ερεθίσματα. Έβαλαν τους ανθρώπους να ακούν ώρες ηχογραφήσεων podcast και στη συνέχεια αξιολόγησαν πώς ανταποκρίθηκε ο εγκέφαλός τους στις εκατοντάδες έννοιες που είχαν ακούσει σε αυτές τις ιστορίες. Το σημασιολογικό δίκτυο που συνέταξαν οι ερευνητές και ανέφεραν στο Nature το 2016 - ένας άλλος χάρτης συνονθύλευμα, ένα μωσαϊκό νοήματος που έπλασε μεγάλες επιφάνειες του φλοιού - ήταν «ένα πραγματικά νέο πράγμα» σε αυτή την κλίμακα και διαστάσεις, είπε ο Gallant. "Κανείς δεν το έψαχνε."

Με αυτούς τους δύο φλοιώδεις χάρτες στο χέρι, συνειδητοποίησαν ότι οι μελέτες είχαν χρησιμοποιήσει μερικούς από τους ίδιους συμμετέχοντες. «Ήταν απλώς ένα ευτυχές ατύχημα», είπε ο Huth, ο οποίος είναι τώρα επίκουρος καθηγητής νευροεπιστήμης και πληροφορικής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν. Αλλά τους άνοιξε το δρόμο να ρωτήσουν:Πώς σχετίζονταν οι οπτικές και οι γλωσσικές αναπαραστάσεις;

Προηγούμενες μελέτες απεικόνισης είχαν εντοπίσει ακατέργαστες περιοχές αλληλεπικάλυψης, κάτι που ήταν λογικό:Εμείς οι άνθρωποι αποδίδουμε ετικέτες σε αυτό που αντιλαμβανόμαστε στον κόσμο, επομένως είναι κατάλληλο ο εγκέφαλός μας να συνδυάζει αυτές τις αναπαραστάσεις. Αλλά ο Huth και οι συνάδελφοί του ακολούθησαν μια πιο ακριβή προσέγγιση. Μοντελοποίησαν τι ανταποκρίθηκε κάθε μεμονωμένο voxel μεταξύ σχεδόν 1.000 σημασιολογικών κατηγοριών που βρέθηκαν τόσο στο βίντεο όσο και στα γλωσσικά ερεθίσματα.

Όπως και στην προηγούμενη έρευνα, βρήκαν στοιχεία επικάλυψης. Αλλά τότε ο Huth παρατήρησε κάτι περίεργο.

Είχε κάνει μια οπτικοποίηση των δεδομένων του 2016 που του επέτρεψαν να πατήσει σε κάθε voxel για να δει σε ποιες κατηγορίες που βασίζονται στη γλώσσα ανταποκρίνεται. Όταν έκανε μεγέθυνση σε μια περιοχή επιλεκτική για μέρη, συνειδητοποίησε ότι μόνο τα voxel στο πρόσθιο άκρο της περιοχής, πιο κοντά στο μπροστινό μέρος του εγκεφάλου, αντιπροσώπευαν τοποθεσίες:διαμέρισμα, σπίτι, αυτοκίνητο, όροφος, αγρόκτημα, Καλιφόρνια. Το πίσω μέρος της περιοχής δεν αντιπροσώπευε καθόλου αυτές τις γλωσσικές πληροφορίες.

"Αυτό μας οδήγησε να σκεφτούμε ότι ίσως συμβαίνει κάτι πιο ενδιαφέρον εδώ", είπε ο Huth.

Μια Τακτική Μεταβατική Ζώνη

Έτσι, ο Huth ζήτησε τα δεδομένα από τα πειράματά του με την όραση του 2012 και είδε ότι σε αυτήν την περιοχή επιλεκτική περιοχή του φλοιού, το πίσω μέρος ανταποκρίνεται αποκλειστικά σε εικόνες που σχετίζονται με το μέρος. Όταν κοίταξε σε περιοχές πιο κοντά στο μπροστινό μέρος, απεικονίζονταν και οι εικόνες του τόπου και οι λέξεις του τόπου - έως ότου, στο όριο της περιοχής, μόνο οι λέξεις προκάλεσαν εγκεφαλική δραστηριότητα, όπως ακριβώς είχε δει όταν έπαιζε με την οπτικοποίηση του 2016. Φαινόταν να υπάρχει μια σταδιακή, συνεχής μετατόπιση από οπτικές αναπαραστάσεις τόπων σε γλωσσικές αναπαραστάσεις σε μόλις μερικά εκατοστά φλοιού.

«Ήταν εκπληκτικά τακτοποιημένο», είπε ο Huth. "Αυτή ήταν η συναρπαστική στιγμή "αχα", βλέποντας αυτό το μοτίβο να αναδύεται."

Για να ελέγξει πόσο συστηματικό μπορεί να είναι το μοτίβο, η Sara Popham, τότε μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριο του Gallant, ανέπτυξε μια στατιστική ανάλυση για την ομάδα που αναζήτησε αυτές τις κλίσεις κατά μήκος του ορίου του οπτικού φλοιού. Το βρήκαν παντού. Για κάθε μία από τις εκατοντάδες κατηγορίες που μελετήθηκαν στα πειράματα, οι αναπαραστάσεις ευθυγραμμίστηκαν σε ζώνες μετάβασης που σχημάτισαν μια σχεδόν τέλεια κορδέλα γύρω από ολόκληρο τον οπτικό φλοιό. "Υπάρχει μια αντιστοιχία μεταξύ αυτού που συμβαίνει πίσω από τα σύνορα και αυτού που συμβαίνει μπροστά από τα σύνορα", είπε ο Gallant.

Αυτή η ευθυγράμμιση και μόνο ήταν αξιοσημείωτη. «Είναι πραγματικά σπάνιο να βλέπουμε σύνορα και οριοθετημένες περιοχές στον εγκέφαλο», δήλωσε η Wilma Bainbridge, ψυχολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο που δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Δεν έχω δει πραγματικά κάτι τέτοιο."

Το μοτίβο ήταν επίσης συστηματικό μεταξύ των ατόμων, εμφανιζόταν ξανά και ξανά σε κάθε συμμετέχοντα. "Αυτό το πραγματικό όριο στον εγκέφαλο φαίνεται να είναι μια γενική αρχή οργάνωσης", είπε ο Adam Steel, μεταδιδακτορικός συνεργάτης που μελετά την αντίληψη και τη μνήμη στο Dartmouth College.

Δείχνει πώς ο οπτικός φλοιός διασυνδέεται με τον υπόλοιπο φλοιό μέσω αυτών των κλίσεων:Πολλά παράλληλα κανάλια το καθένα φαίνεται να διατηρεί το νόημα σε διαφορετικούς τύπους αναπαραστάσεων. Σε ιεραρχικά μοντέλα οπτικής επεξεργασίας, ο εγκέφαλος εξάγει πρώτα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως άκρες και περιγράμματα και στη συνέχεια τα συνδυάζει για να δημιουργήσει πιο περίπλοκες αναπαραστάσεις. Αλλά δεν ήταν σαφές πώς αυτές οι περίπλοκες αναπαραστάσεις γίνονται όλο και πιο αφηρημένες. Σίγουρα, οι οπτικές λεπτομέρειες μπορεί να συνδυαστούν για να δημιουργήσουν μια εικόνα, για παράδειγμα, μιας γάτας. Πώς, όμως, αυτή η τελική εικόνα αποδίδεται στην εννοιολογική κατηγορία των «γάτων»;

Τώρα, αυτό το έργο υποδηλώνει πώς αυτή η εξέλιξη από οπτικές ιδιαιτερότητες σε μεγαλύτερες αφαιρέσεις μπορεί να αρχίσει να συμβαίνει σε ένα πιο αναλυτικό επίπεδο. «Συγκολλάμε ένα μέρος του εγκεφάλου που πραγματικά καταλαβαίνουμε καλά με ένα άλλο μέρος του εγκεφάλου που σχεδόν καθόλου καταλαβαίνουμε», είπε ο Gallant. "Και αυτό που βλέπουμε είναι ότι οι αρχές του σχεδιασμού δεν αλλάζουν και τόσο πολύ."

Στην πραγματικότητα, μια παραδοσιακή θεωρία της οργάνωσης του εγκεφάλου υποστηρίζει ότι οι αναπαραστάσεις της σημασιολογικής γνώσης συμβαίνουν σε μια ειδική περιοχή - ένα κέντρο εντολών που μοιάζει με κέντρο που λαμβάνει πληροφορίες από διάφορα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των αντιληπτικών. Αλλά τα αποτελέσματα από την ομάδα του Gallant υποδηλώνουν ότι αυτά τα διαφορετικά δίκτυα μπορεί να είναι πολύ στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους για να μπορούν να διαχωριστούν. «Η κατανόησή μας, η γνώση μας για τα πράγματα, είναι στην πραγματικότητα κάπως ενσωματωμένη στα αντιληπτικά συστήματα», δήλωσε ο Chris Baker του Εθνικού Ινστιτούτου Ψυχικής Υγείας.

Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να έχει επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσεται η αφηρημένη γνώση των ανθρώπων για τον κόσμο. Ίσως, είπε ο Huth, οι αναπαραστάσεις που βασίζονται στη γλώσσα είναι εν μέρει διαμορφωμένες από αντιληπτικές - και αυτή η ευθυγράμμιση χρησιμεύει ως μέρος ενός μηχανισμού για το πώς μπορεί να συμβεί αυτό. Οι αντιληπτικές ικανότητες διαφόρων περιοχών του εγκεφάλου μπορεί στην πραγματικότητα να «υπαγορεύουν την αναδυόμενη δομή ενός ευρύτερου εννοιολογικού χώρου», είπε ο Ev Fedorenko, γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Ίσως αυτό θα μπορούσε να πει κάτι για τη φύση του ίδιου του νοήματος. "Τί σημαίνει?" είπε. "Ίσως ενσαρκώνεται περισσότερα από όσα υποστήριξαν κάποιοι."

Αλλά το πιο ενδιαφέρον είναι ότι αυτή η διαβαθμισμένη μετάβαση μεταξύ των τύπων αναπαραστάσεων στον φλοιό απηχεί πρόσφατα ευρήματα σχετικά με τη σχέση μεταξύ αντίληψης και μνήμης.

Καταγραφές νοημάτων, όχι αντιλήψεων

Το 2013, ο Christopher Baldassano, ένας γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Columbia, βρήκε ένα ενδιαφέρον μοτίβο όταν παρατήρησε νευρική δραστηριότητα σε μια περιοχή που είναι γνωστό ότι ανταποκρίνεται επιλεκτικά σε μέρη. Τα μοτίβα δραστηριότητας προς το πίσω μέρος της περιοχής συσχετίστηκαν με μοτίβα που χαρακτήριζαν ένα γνωστό οπτικό δίκτυο, ενώ η δραστηριότητα στο μπροστινό τμήμα της περιοχής φαινόταν να σχετίζεται περισσότερο με δραστηριότητα σε ένα δίκτυο μνήμης.

Αυτό υποδηλώνει ότι οι αναπαραστάσεις της μνήμης μπορεί να περιλαμβάνουν όχι μια ακριβή επανενεργοποίηση, αλλά μάλλον μια ανεπαίσθητη μετατόπιση στην ακίνητη περιουσία του φλοιού, σε μια τοποθεσία ακριβώς δίπλα στην αντίστοιχη οπτική αναπαράσταση.

Κατά τη διάρκεια του περασμένου έτους, αρκετές νέες μελέτες - συμπεριλαμβανομένης της έρευνας των Bainbridge, Baker, Steel και Caroline Robertson του Dartmouth College - ενίσχυσαν αυτό το εύρημα συγκρίνοντας απευθείας την εγκεφαλική δραστηριότητα των ανθρώπων καθώς κοίταζαν και αργότερα ανακαλούσαν ή φαντάζονταν διάφορες εικόνες. Σε κάθε περίπτωση, ένας συστηματικός χωρικός μετασχηματισμός σημάδεψε τη διαφορά μεταξύ των αισθητηριακών και μνημονικών αναπαραστάσεων του εγκεφάλου. Και οι οπτικές αναπαραστάσεις εμφανίστηκαν ακριβώς πίσω από τις αντίστοιχες αναμνήσεις — όπως ακριβώς συνέβη στη γλωσσική μελέτη του Huth.

Όπως αυτή η μελέτη, έτσι και αυτή φάνηκε να δείχνει ότι η αντίληψη και η μνήμη είναι επίσης βαθιά μπλεγμένες. "Δεν έχει νόημα να θεωρούμε το σύστημα μνήμης ως έναν εντελώς ξεχωριστό χώρο εργασίας", είπε ο Baldassano.

«Πολλοί άνθρωποι έχουν αυτή τη διαισθητική ιδέα ότι η αντιληπτική εμπειρία είναι σαν μια φλόγα που βρυχάται και η εμπειρία της μνήμης είναι σαν ένα κερί που τρεμοπαίζει», δήλωσε ο Brice Kuhl, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον. Αλλά οι αναμνήσεις σαφώς δεν είναι απλώς ένας πιο αδύναμος απόηχος της αρχικής εμπειρίας. Αντίθετα, οι φυσικές αλλαγές που παρατηρήθηκαν σε αυτά τα πρόσφατα πειράματα υποδηλώνουν ότι οι συστηματικές αλλαγές στις ίδιες τις αναπαραστάσεις κωδικοποιούν μια εμπειρία που είναι εντελώς ξεχωριστή αλλά εξακολουθεί να είναι συνδεδεμένη με την αρχική.

Το έργο του Huth παρέχει νέες ιδέες για τη φύση αυτού του μετασχηματισμού. Ίσως η μνήμη δεν καθοδηγείται τόσο οπτικά όσο νομίζαμε. Ίσως είναι πιο αφηρημένο, πιο σημασιολογικό, πιο γλωσσικό. «Συχνά έχουμε αυτή την εντύπωση ότι έχουμε αυτές τις φανταστικές οπτικές αναπαραστάσεις των πραγμάτων», είπε ο Baker. «Νιώθεις ότι μπορείς να το δεις. Αλλά ίσως δεν μπορείτε."

Για τον Kuhl, αυτό είναι λογικό. Εξάλλου, «ξέρουμε ότι όταν φανταζόμαστε κάτι ή θυμόμαστε κάτι, είναι διαφορετικό από το να το βλέπουμε πραγματικά», είπε. Αυτό που βλέπουμε στα μάτια του μυαλού μας μπορεί να είναι μια επανερμηνεία μιας απομνημονευμένης σκηνής ή αντικειμένου με βάση το σημασιολογικό της περιεχόμενο και όχι μια κυριολεκτική επανάληψη της. «Είμαστε τόσο προσηλωμένοι στο να χρησιμοποιούμε την αντιληπτική εμπειρία ως πρότυπο. Αλλά νομίζω ότι αυτό μας έχει τυφλώσει λίγο.»

Για να ελέγξουν αυτές τις υποθέσεις, οι ερευνητές μελετούν τώρα ανθρώπους που φαίνονται ανίκανοι να επινοήσουν νοητικές εικόνες, μια κατάσταση που ονομάζεται αφαντασία. Ίσως, είπε ο Bainbridge, τα άτομα με αφαντασία θα παρουσιάσουν μια μεγαλύτερη μετατόπιση προς τα εμπρός στις νευρικές αναπαραστάσεις τους - μια μετατόπιση που μπορεί να μην ασχολείται τόσο πολύ με τις συνδυασμένες οπτικές και σημασιολογικές αποκρίσεις, υποδηλώνοντας μια ταχύτερη μετάβαση στην αφηρημένη σκέψη.

«Εννοιολογικά, φαίνεται πραγματικά ότι το πεδίο βρίσκεται σε κάτι που νομίζω ότι είναι μια πραγματικά νέα ιδέα», είπε ο Kuhl. "Τονίζει τη σκέψη μας."