А ваш мозг «гибкий»? Тракты покажут!

Учёные из Филадельфии в США предложили новый аналитический метод для совмещения данных диффузионной спектральной томографии и фМРТ. С помощью этого способа в каждый момент времени можно узнать, насколько функциональные сигналы об активации «привязаны» к субкортикальным анатомическим сетям, связывающим регионы мозга. В статье, которая опубликована в Nature Human Behavior, исследователи представили результаты эксперимента с применением нового метода анализа: индивидуальная способность эффективно переключаться с задания на задание связана с высокой степенью упорядоченности сигнала вдоль нейронных трактов.

Credit: public domain


Когнитивная гибкость – это способность переключаться между различными когнитивными функциями для достижения целей. Почти каждое сложное поведение так или иначе задействует эту способность. Например, в новом пространстве человек переключается между нескольким модальностями восприятия для того, чтобы наиболее эффективно реагировать на сигналы внешнего мира.

Когнитивная гибкость, однако, предполагает и издержки времени: сетям нейронов нужно перестроиться на задание с новыми целями, иначе говоря, на другой режим работы. Среди людей время на переключение между заданиями обладает большой вариабильностью. В крайних, патологических случаях оно может быть настолько велико, что человек лишается способности нормально функционировать. В результате апоплексического удара, к примеру, пациент теряет способность вести машину или производить вычисления в уме.

Смена фокуса предполагает изменение активности, которое происходит на фоне стабильной анатомической архитектуры мозга. В частности, трактов из белого вещества, образованных множеством аксонов – отростков нейронов, по которым проходит электрический сигнал от одной клетки к другой. Эти тракты – своеобразные скоростные пути, соединяющие функционально зависимые регионы мозга.

Существующие теории когнитивной гибкости, например, отмечают роль нескольких регионов: передней поясной коры (обратная связь в результате переключения), латеральной префронтальной коры (новые правила и подавление неверных реакций) и медиальной теменной коры (рабочая память и правила категоризации). Все они, в свою очередь, соединены через субкортикальные системы. Но как – всё ещё не совсем ясно.

Учёные из Пенсильванского и Дрексельского университетов в Филадельфии предложили аналитический метод, который может определять, как функциональные сигналы и стабильная архитектура мозга взаимодействуют в процессе когнитивной гибкости. Они использовали преобразование Фурье для графов, которое позволяет описать, как распределены сигналы поверх графа.

Для функционального изучения когнитивной гибкости учёные выбрали задание Навона (Navon task): участники эксперимента должны были определить тип глобальной или локальной фигуры в зависимости от её цвета. Зелёный – нужно смотреть на глобальную, белый – на локальную. Глобальная фигура состоит из множества локальных.

Пример дизайна эксперимента. Участникам предложили уделять внимание глобальным, либо локальным фигурам в зависимости от цвета. Зеленый – большой фигуре. Белый – маленьким формам, из которых состоит большая. Credit: Bassett, D. S. (2017)


Исследователи выделили два типа функциональных сигналов: те, которые совмещались в пространстве со стабильными нейрональными трактами, и те, которые от них сильно отклонялись. Последний тип сигналов учёные назвали либеральным.

Результаты показали, что количество либеральных сигналов оказывалось стабильным для каждого индивида от попытки к попытке, но при этом сильно отличалось среди участников эксперимента. Чем больше либеральных сигналов наблюдалось, тем хуже выполнялись задания.

Несмотря на то, что это исследование – новаторское в своей отрасли и корреляционное по природе, оно даёт надежду на лучшее, холистическое понимание не только феномена когнитивной гибкости, но и других процессов. Требуются дальнейшие эксперименты с пациентами, страдающими отклонениями в принятии решения, а также изучение на моделях причинно-следственных связей между структурой белого вещества и функциональными сигналами.


Текст: Мария Азанова

Functional alignment with anatomical networks is associated with cognitive flexibility by John D. Medaglia, Weiyu Huang, Elisabeth A. Karuza, Apoorva Kelkar, Sharon L. Thompson-Schill, Alejandro Ribeiro & Danielle S. Bassett in Nature Human Behavior. Published online December 2017

doi:10.1038/s41562-017-0260-9

Читайте материалы нашего сайта в FacebookВКонтакте и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *