„Maszyny pamięci” w twojej głowie: Jak kora mózgowa uczy się nowości

Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak Twój mózg błyskawicznie reaguje na nowe dźwięki, zapachy czy obrazy? Jak udaje mu się odróżnić coś, co już znasz, od czegoś zupełnie nowego? Naukowcy zrobili właśnie duży krok naprzód w zrozumieniu tego procesu, a ich odkrycia rzucają nowe światło na to, jak działa kora mózgowa – ta najbardziej rozwinięta i, śmiało można powiedzieć, najważniejsza część naszego mózgu.

Wyobraź sobie, że jesteś w zatłoczonej kawiarni. Wśród gwaru rozmów, szumu ekspresu do kawy i delikatnej muzyki w tle, nagle słyszysz znajomy głos wołający Twoje imię. Jak to możliwe, że w tym gąszczu dźwięków Twój mózg tak szybko wyłapuje coś istotnego? Odpowiedź tkwi w nieustannej pracy kory mózgowej, która, jak sugerują najnowsze badania, działa jak prawdziwa „maszyna pamięci”.

Kora Mózgowa: Najbardziej zewnętrzna warstwa mózgu, odpowiedzialna za wyższe funkcje poznawcze, takie jak percepcja, myślenie, pamięć i podejmowanie decyzji. U ludzi jest to najbardziej rozbudowana część mózgu.

Nowe badanie, opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Neuron”, dostarcza dowodów na to, że kora mózgowa nieustannie skanuje otoczenie w poszukiwaniu nowości, aby udoskonalać swoje predykcje dotyczące przyszłości. Zespół naukowców, kierowany przez dr. Yuriy Shymkiva i profesora Rafaela Yuste, skupił się na korze słuchowej myszy – obszarze mózgu odpowiedzialnym za przetwarzanie dźwięków. Wykorzystując zaawansowane techniki obrazowania, badacze obserwowali, jak neurony reagują na serię dźwięków, zarówno znanych, jak i nowych dla zwierząt.

Co odkryli?

Neurony w korze słuchowej nie tylko reagowały na sam dźwięk, ale również na stopień jego nowości. Okazało się, że grupy neuronów tworzyły coś w rodzaju „ech” bodźców sensorycznych w czasie. Te „echa” pomagają mózgowi śledzić bodźce i odróżniać nowe informacje od tych, które już zna. Można to sobie wyobrazić jako echa w górach – dźwięk odbija się i powoli zanika, pozwalając nam na rozróżnienie kolejnych dźwięków. Podobnie, „echa” neuronalne w korze mózgowej pomagają w segregowaniu i analizowaniu strumienia informacji sensorycznych.

Aby upewnić się, że te obserwacje nie są przypadkowe, naukowcy zbudowali model sieci neuronowej, który symulował działanie kory mózgowej. Ku ich zaskoczeniu, model ten powielił odkrycia z eksperymentów na myszach. Okazało się, że okablowanie mózgu – sposób, w jaki neurony są połączone i komunikują się ze sobą – naturalnie wspiera wykrywanie nowości. To nie pojedyncze neurony, ale całe sieci neuronowe są odpowiedzialne za tę kluczową funkcję.

Sieci Neuronowe: Złożone układy neuronów połączonych synapsami, które wspólnie przetwarzają informacje. W kontekście badań nad mózgiem, sieci neuronowe odnoszą się do realnych struktur w mózgu, ale termin ten jest również używany w informatyce do opisania algorytmów inspirowanych budową mózgu.

Dlaczego to odkrycie jest tak ważne? Wykrywanie nowości jest fundamentalne dla wielu aspektów naszego funkcjonowania:

• Percepcja: Pozwala nam szybko orientować się w zmieniającym się otoczeniu i reagować na nowe sytuacje.

• Uczenie się: Nowe informacje są zazwyczaj bardziej istotne dla uczenia się niż informacje, które już znamy. To mechanizm wykrywania nowości kieruje naszą uwagę na to, co nieznane, umożliwiając zdobywanie nowej wiedzy.

• Podejmowanie decyzji: Wykrywanie nowości pomaga nam ocenić, czy dana sytuacja jest bezpieczna, zagrażająca, czy obiecująca, co jest kluczowe dla podejmowania odpowiednich decyzji.

Co ciekawe:

… badania te rzucają również nowe światło na schizofrenię. Lekarze od dawna wiedzą, że osoby cierpiące na to zaburzenie mają trudności z odróżnianiem nowych informacji od starych. Nowe odkrycia sugerują, że problemy z wykrywaniem nowości w korze mózgowej mogą być jednym z kluczowych czynników leżących u podstaw tych trudności. Zaburzenia w funkcjonowaniu „maszyny pamięci” w korze mózgowej mogłyby prowadzić do sytuacji, w której nowe bodźce nie są odpowiednio rozpoznawane jako nowe, a stare wspomnienia mogą być mylnie postrzegane jako aktualne doświadczenia.

Predykcyjne Przetwarzanie (implicite): Koncepcja, że mózg nieustannie generuje modele przewidujące przyszłe zdarzenia i porównuje te przewidywania z rzeczywistymi bodźcami sensorycznymi. Wykrywanie nowości jest kluczowym elementem tego procesu – to sygnał, że przewidywania mózgu nie były w pełni dokładne i wymagają aktualizacji.

Podsumowując, badanie to pokazuje, że kora mózgowa to nie tylko centrum myślenia i pamięci, ale również wyrafinowany system, który nieustannie monitoruje nowość w naszym otoczeniu. Rozumienie, jak działa ta „maszyna pamięci”, nie tylko pogłębia naszą wiedzę o normalnym funkcjonowaniu mózgu, ale również otwiera nowe perspektywy na zrozumienie i leczenie zaburzeń takich jak schizofrenia. To kolejny krok w naszej intelektualnej podróży po labiryncie ludzkiego mózgu, który z każdym odkryciem staje się coraz bardziej fascynujący i – paradoksalnie – coraz bardziej zrozumiały.

Zainspirowany odkryciem, że kora mózgowa działa jak „maszyna pamięci” wykrywająca nowość, chciałbym zaproponować kierunek badań doktoranckich, który, moim zdaniem, ma potencjał być zarówno innowacyjny, jak i istotny.

Krótko o innowacyjności: Badania opisane w artykule koncentrowały się na podstawowym wykrywaniu nowości sensorycznej, głównie w kontekście bodźców słuchowych i w odniesieniu do schizofrenii. Proponuję rozszerzyć to podejście, analizując wykrywanie nowości w kontekście społecznym i w odniesieniu do spektrum autyzmu (ASD).

Uzasadnienie: Interakcje społeczne są dynamiczne i nieustannie generują nowe bodźce – nowe twarze, gesty, mimikę, konteksty sytuacyjne. Sprawne wykrywanie i przetwarzanie społecznej nowości jest kluczowe dla adekwatnych reakcji społecznych i uczenia się w relacjach. Osoby z ASD często wykazują trudności w interakcjach społecznych, a jednym z hipotetycznych mechanizmów leżących u ich podstaw może być atypowe przetwarzanie nowości społecznej w korze mózgowej.

Kierunki badawcze:

1. Badania neuroobrazowe (np. fMRI): Porównanie aktywacji kory mózgowej (i innych struktur mózgu) u osób neurotypowych i osób z ASD podczas ekspozycji na nowe vs. znane bodźce społeczne (np. twarze, sceny społeczne, interakcje wirtualne). Można badać, czy i jak różnią się wzorce aktywacji neuronalnej związane z „echami” nowości w kontekście społecznym.

2. Badania behawioralne i psychofizjologiczne: Ocena reakcji behawioralnych (np. czas reakcji, wybory) i psychofizjologicznych (np. reakcje skórno-galwaniczne, ruchy gałek ocznych – eye-tracking) na społeczną nowość w różnych paradygmatach eksperymentalnych. Czy osoby z ASD inaczej kierują uwagę na społeczne nowości? Czy ich reakcje emocjonalne na nowość społeczną są zmienione?

3. Modelowanie obliczeniowe: Stworzenie modeli obliczeniowych, które symulują przetwarzanie nowości społecznej w sieciach neuronowych i pozwalają na badanie, jak hipotetyczne zmiany w tych sieciach (np. w połączeniach, plastyczności) mogą prowadzić do atypowych wzorców obserwowanych w ASD.

4. Badania rozwojowe: Śledzenie rozwoju zdolności do wykrywania nowości społecznej na przestrzeni rozwoju ontogenetycznego u dzieci neurotypowych i dzieci z ASD. Czy wczesne różnice w przetwarzaniu nowości społecznej mogą być markerem ryzyka ASD?

Potencjalny wpływ: Badania te mogą znacząco poszerzyć naszą wiedzę o neuronalnych mechanizmach leżących u podstaw funkcjonowania społecznego i przyczynach trudności społecznych w ASD. Mogą otworzyć nowe perspektywy diagnostyczne i terapeutyczne, ukierunkowane na modulację przetwarzania nowości społecznej w kontekście zaburzeń spektrum autyzmu.

Ten pomysł łączy w sobie aktualne odkrycia neuronaukowe z istotnym problemem klinicznym, oferując nową perspektywę na zrozumienie ASD poprzez pryzmat mechanizmów „maszyny pamięci” kory mózgowej i jej zdolności do wykrywania nowości w złożonym świecie społecznym.