Механизм восстановления фокуса внимания. Аналоговая вычислительная система наших нейронов

Когда внимание ^[1] мозга ^[2] отвлекается от основной работы, скоординированные циклические волны нейронной активности помогают заново сфокусироваться. Отследив электрические импульсы, ученые обнаружили, что нейроны ^[3] префронтальной коры синхронизируются круговыми паттернами, что подобно координации птиц в стае. И такая координация помогает удерживать фокус на актуальной задаче.

Производительность оставалась высокой до тех пор, пока мозг поддерживал циклы. Как только цикличность ^[4] нарушалась, производительность падала и следом сыпались ошибки ^[5]. Результаты показывают, что мозг использует этот энергоэффективный бег волн как естественную аналоговую вычислительную систему для восстановления концентрации после сбоев.

Ключевые факты исследования

Циклическое восстановление: циклические нейронные волны в префронтальной коре помогают мозгу восстановить концентрацию после отвлечения.

Предсказательная сила: полные замкнутые циклы коррелировали с правильным выполнением задания. Незамкнутые циклы возникали перед ошибками.

Аналоговая эффективность: исследование предполагает, что мозг использует бегущие волны аналогового типа для эффективности своей работы.

Работа мозга, помогающая удержать внимание

Новое исследование ^[6] на животных, проведенное учеными из Института Пикауэра по изучению обучения ^[7] и памяти ^[8] Массачусетского технологического института, пролило свет на скоординированную нейронную активность. Проще всего объяснить её как циклическую мозговую волну, что возвращает мысли в нужное русло.

Циклические волны словно пастухи – возвращают кору головного мозга ^[9] на правильный путь вычислений.
Старший автор исследования Эрл К. Миллер, профессор Пикауэра в Институте Пикауэра и на кафедре мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Циклы поддержки

В ходе исследования животным давали задания, активирующие зрительную рабочую память. Но также в процедуру включали отвлекающие факторы. Создавая ситуацию, в которой животное пыталось вспомнить увиденный ранее объект.

Как и следовало ожидать, отвлекающие факторы влияли на эффективность выполнения животными заданий. Провоцируя их совершать ошибки или, по крайней мере, замедляя время реакции ^[10], когда задание требовало конкретных действий.

Тем временем исследователи отслеживали электрическую активность сотен нейронов префронтальной коры — области мозга, отвечающей за когнитивные функции высшего уровня.

Математическая координация мозга

Чтобы проанализировать, как менялась нейронная активность по мере выполнения животными задания на протяжении сотен сеансов, с отвлекающими факторами или без них, а также в случаях, когда животные справлялись хорошо или не очень, исследователи использовали математический метод и визуализацию, измеряющие степень координации участков мозга с течением времени. Это состояние получило название «подпространственное кодирование». И это подпространственное кодирование показывает, что активность нейронов коры головного мозга высоко скоординирована.

Ремарка в сторону. Эта координация, отвечающая за работу мозга, касается нейронов. Но когда речь идет о нас, людях, то для нас действуют схожие паттерны синхронизации. Которые работают – через гормоны. Эта концепция известна как гормонально-пептидная теория социальных связей ^[11].

После отвлечения наблюдалась циклическая активность в подпространстве, как будто «птицы пересобрались в стаю» после нарушения строя. Другими словами, как утверждают исследователи, эта цикличность поддерживает восстановление активности после отвлечения.

Действительно, характер цикличности предсказывал эффективность выполнения задания животным. В случаях, когда отвлечение не приводило к ошибке, сигнатура нейронной активности оставалась цикличной и устойчивой. Что указывало на полное восстановление фокуса внимания при необходимости.

В случаях, когда отвлекающие факторы приводили к ошибкам у животных, траектория не достигала полного круга, в среднем распадаясь после 30 градусов. Во время сеансов с отклонениями траектория цикла двигалась медленнее, что объясняет отсутствие восстановления фокуса внимания после отвлечения.

Связанное с этим открытие показало, что животные лучше восстанавливали фокус внимания, если время для отвлечения внимания совпадало с цикличностью активности нейронов. То есть, когда волна активности совершала полный цикл, и заново включала мозг в работу.

Интересно и то, что подобные паттерны характерны для мозга человека во сне ^[12]. Тот же гормон роста будет синтезироваться достаточно эффективно ^[13], если соблюдаются условия по синхронизации нескольких параметров, заданных в свою очередь мелатонином.

Синхронизация и реакция на окружающий мир

Данные подпространственного кодирования свидетельствуют о высокой степени координации работы нейронов. Более того, когда животное старалось игнорировать раздражитель, то сама волна активности меняла свое направление.

Подпространственное кодирование — это всего лишь абстрактное математическое представление нейронной активности во времени. Но когда исследователи обратились к прямым измерениям нейронной активности, они обнаружили, что паттерн активности нейронов повторяет картину этих волн.

Нет никаких принципиальных причин, из-за которых выведенная нами цикличность должна напрямую соответствовать циклам активности нейронов в коре головного мозга. Но это происходит. И наводит меня на мысль, что мозг использует эти бегущие волны для реальных вычислений, аналоговых вычислений. Аналоговые вычисления, когда речь идет о мозге, более энергоэффективны. А биология отдаёт предпочтение энергоэффективным решениям. Это другой, более естественный способ представления нейронных вычислений.
Старший автор исследования Эрл К. Миллер, профессор Пикауэра в Институте Пикауэра и на кафедре мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Какой вывод из этого можно сделать? Наше поведение ^[14] – результат невероятной синхронизации внутренних систем организма. Как и наша жизнь, результат синхронизации прожитого опыта ^[15] с целями в будущем. И насколько эта синхронизация эффективна, настолько мы успешны, счастливы, заряжены в своей жизни.

Как свести эти факторы воедино – разбираем в материалах сообщества Neural Hack ^[16]. Заглядывайте. Чтобы держать под рукой ключи допуска к лучшей версии себя!