Jak se mozek učí vyvozovat závěry

shrnutí: Vědci objevili, jak mozek zpracovává inferenční uvažování tím, že zaznamenává aktivitu neuronů jednotlivců, když se učí pomocí pokusů a omylů. Studie odhalila, že určité oblasti mozku, zejména hipokampus, vytvářejí geometrické nervové reprezentace, když lidé úspěšně odvodí nová pravidla z předchozích znalostí.

Tato zjištění poskytují pohled na to, jak jsou koncepční znalosti zakódovány v mozku, a mohou být základem budoucí léčby neuropsychiatrických poruch. Výzkum také ukázal, že podobné neurální vzorce se vytvářejí, ať už k učení dochází prostřednictvím zkušenosti nebo verbální výuky.

Klíčová fakta:

• Je známo, že hipokampus je zodpovědný za prostorovou paměť a kóduje kognitivní mapy pro logické uvažování.
• Neuronová aktivita byla vizualizována jako vysokorozměrné geometrické tvary během úspěšného myšlení.
• Verbální instrukce a učení metodou pokus-omyl vytvářejí podobné neurální reprezentace.

zdroj: Kolumbijská univerzita

Vyvození toho, jak spolu jakékoli dvě věci na světě souvisejí, vyžaduje mozek, ať už je to způsob, jakým je špatné počasí spojeno se zpožděním při dojíždění nebo jak podmínky prostředí vedou k evoluci druhů.

Nová studie založená na nahrávkách v lidských mozcích vytvořila obrovské množství dat, které nyní výzkumníci použili k odhalení, s větší jasností než kdy předtím, neurální ztělesnění inferenčního myšlení.

„Začínáme chápat, jak se mozek učí a jak získáváme znalosti z toho, co zažíváme,“ řekl Dr. Uli Roteshauser, jeden z autorů studie a profesor neurologie, neurochirurgie a biomedicínských věd v Cedars-Sinai Medical Center.

Studie provedená v rámci multiinstitucionálního konsorcia financovaného iniciativou National Institutes of Health’s Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies ® neboli iniciativou BRAIN ® byla dnes zveřejněna online v roce příroda.

Pomocí elektrických záznamů více než 3 000 neuronů u 17 dobrovolníků s epilepsií, kteří podstupovali invazivní monitorování v nemocnici, aby identifikovali zdroje jejich záchvatů, výzkumníci shromáždili „unikátní soubor dat, který nám poprvé umožňuje pozorovat, jak mozkové buňky představují proces učení, který je kritický pro inferenční uvažování,“ řekl Stefano Fossi, Ph.D., hlavní výzkumník v Zuckermanově institutu pro mysl a chování na Kolumbijské univerzitě a další spoluautor studie.

Zatímco výzkumníci zaznamenávali z neuronů, vědci vyzvali účastníky jednoduchým inferenčním úkolem. V tomto úkolu účastníci pomocí pokusů a omylů objevili správné asociace, které je odměňovaly penězi mezi obrázky, jako jsou obrázky auta nebo kousku ovoce, a stisknutím levého nebo pravého tlačítka.

Jakmile se účastníci naučili tyto asociace pro sadu obrázků, výzkumníci přepínali mezi tlačítkem představujícím správnou asociaci pro každý obrázek.

Zpočátku dobrovolníci dělali nesprávná rozhodnutí, aniž by si uvědomili, že asociace, které se dříve naučili, se změnily. Tyto chyby však umožnily dobrovolníkům rychle odvodit, že vstoupilo v platnost nové pravidlo obrázkových tlačítek, a mohli usuzovat, že všechna nová pravidla obrázkových tlačítek se změnila, dokonce i ta, která ještě nezažili. Vědci přirovnávají tento experimentální úkol k reálným závěrům, jako jsou ty, které často potřebují vyvodit cestovatelé v zahraničí.

„Pokud žijete v New Yorku a Londýně a letíte do Spojeného království, víte, že když chcete přejít silnici, musíte se podívat doprava, přešli jste do jiného stavu mysli, který představuje dopravní pravidlo naučil jste se životem v Londýně,“ řekl Dr. Fauci. Je také profesorem neurologie na Kolumbijské univerzitě Vagelos College of Physicians and Surgeons a členem Centra pro teoretické neurovědy na Kolumbijské univerzitě.

„I když navštívíte místa, kde jste ve Spojeném království nikdy nebyli, jako je venkov ve Walesu, dojdete k závěru, že tam stále platí nová pravidla. Při přecházení silnice se stále musíte dívat vpravo místo vlevo,“ dodal.

„Tato práce demonstruje neurální základ koncepčních znalostí, které jsou nezbytné pro uvažování, uvažování, plánování a dokonce i regulaci emocí,“ řekl Dr. Daniel Salzman, jeden z autorů studie. příroda Autor: John Zuckerman, hlavní vyšetřovatel na Zuckermanově institutu a profesor psychiatrie a neurovědy na Kolumbijské univerzitě Vagelos College of Physicians and Surgeons.

Ale jak se tyto typy myšlení fyzicky projevují v aktivitě neuronů? Pomocí matematických nástrojů, které Dr. Fauci vylepšil tak, aby kombinoval záznamy z tisíců neuronů, vědci přetvořili mozkovou aktivitu dobrovolníků do geometrických reprezentací – tvarů – i když zabírají tisíce rozměrů spíše než známé tři rozměry, které si obvykle představujeme.

„Jsou to vysokorozměrné geometrické tvary, které si nedokážeme představit ani vidět na obrazovce počítače,“ řekl Dr. Fusi. „Ale můžeme použít matematické techniky k vizualizaci jejich zjednodušených verzí ve 3D.“

Když vědci porovnávali vzorce mozkové aktivity mezi případy, kdy účastníci provedli úspěšné závěry, s případy, kdy jejich závěry selhaly, objevily se výrazné rozdíly.

„V některých skupinách neuronů jsme během učení viděli přechody od neuspořádaných reprezentací k těmto krásným geometrickým strukturám, které byly spojeny se schopností deduktivního uvažování,“ řekl Dr. Fauci.

Kromě toho vědci tyto struktury pozorovali pouze na záznamech z hipokampu a ne v jiných oblastech mozku, které vědci sledovali, jako je amygdala a oblasti prefrontálního kortexu. Objev je překvapivý, řekli vědci, protože hippocampus byl dlouho považován za místo mozku pro ztělesnění neurálních map fyzických prostorů.

Nové poznatky ukazují, že je také schopen vytvářet kognitivní mapy spojené s mozkovými funkcemi, jako je uvažování a učení.

Dalším pozoruhodným zjištěním výzkumu je, že dobrovolníci, kteří se učí asociativní pravidla mezi obrázky a tlačítky pouze prostřednictvím slovních instrukcí, spíše než zkušeností pokusů a omylů, přesto tvoří stejné „krásně organizované neurální reprezentace v hippocampu“, Dr. Rottishauser řekl.

Toto je důležité pozorování, řekl, protože zatímco se lidé často učí jeden od druhého prostřednictvím verbálních výměn, víme jen málo o tom, jak verbální informace mění neurální reprezentace.

„Verbální instrukce jsou způsob, jakým budujeme znalosti o věcech, které jsme ve skutečnosti nikdy předtím nezažili. Naše práce nyní ukazuje, že verbální instrukce vedou k velmi podobným organizovaným nervovým reprezentacím ve srovnání s těmi, které jsou výsledkem zkušenostního učení,“ dodal Dr. Rottishauser.

Vědci zdůrazňují, že žádný z těchto objevů by nebyl možný bez spolupráce a dobrovolné účasti pacientů s farmakorezistentní epilepsií, kteří byli po operaci v nemocnici.

Lékaři pacientů implantovali elektrody k dočasnému sběru neurologických dat za účelem určení zdroje epileptických záchvatů každého člověka, s konečným cílem využít tyto informace pro další chirurgickou léčbu nebo léčbu založenou na neuromodulaci.

„Tito jedinci nám dali cennou příležitost naučit se něco nového o tom, jak funguje náš mozek,“ řekl Dr. Roteshauser.

Dr. Tawfiq Valiant, vědecký pracovník Krempelského výzkumného institutu a neurochirurgického oddělení na University of Toronto, přispěl k této studii tím, že zapsal pacienty. Postgraduální student Christos Kourilis a postdoktorandský výzkumník Juri Minksa, PhD, v Cedars-Sinai Medical Center a Caltech také provedli většinu sběru a analýzy dat studie.

„Tato studie poskytuje nový pohled na to, jak nám náš mozek umožňuje učit se a provádět úkoly pružně a v reakci na měnící se okolnosti a zkušenosti,“ řekl Dr. Merav Sabri, programový ředitel Brain Initiative.

„Tyto myšlenky vycházejí ze souboru znalostí, které nás jednoho dne mohou vést k intervencím k léčbě neuropsychiatrických stavů zahrnujících deficit paměti a rozhodování.“

O těchto novinkách z neurovědního výzkumu

autor: Evan Amato
zdroj: Kolumbijská univerzita
sdělení: Evan Amato – Kolumbijská univerzita
obraz: Obrázek převzat z Neuroscience News

Původní vyhledávání: Přístup je otevřený.
„Abstraktní reprezentace se objevují v lidských hipokampálních neuronech během uvažování“Uli Roteshauser et al. příroda

shrnutí

Abstraktní reprezentace se objevují v lidských hipokampálních neuronech během uvažování

Lidé mají úžasnou kognitivní schopnost rychle se adaptovat na měnící se prostředí. Hlavní předností této schopnosti je schopnost vytvářet abstraktní reprezentace na vysoké úrovni, které využívají pravidelnosti ve světě k podpoře zobecnění.

Málo se však ví o tom, jak jsou tyto reprezentace zakódovány ve skupinách neuronů, jak se objevují prostřednictvím učení a jak jsou spojeny s chováním.

Zde jsme charakterizovali reprezentativní architekturu neuronových populací (jednotkové jednotky) zaznamenané v hipokampu, amygdale, mediálním prefrontálním kortexu a ventrálním temporálním kortexu neurochirurgických pacientů provádějících úlohu inferenčního uvažování.

Zjistili jsme, že pouze neurální reprezentace vytvořené v hipokampu kódují mnoho úlohových proměnných současně v abstraktním nebo nesynaptickém formátu.

Tato reprezentativní architektura je jedinečně pozorována poté, co se pacienti naučí, jak dělat závěry, a skládá se z důležitých latentních proměnných, které jsou přímo pozorovatelné a detekovatelné.

Učení se, jak uvažovat metodou pokusu a omylu nebo pomocí verbálních pokynů, vedlo k vytvoření hipokampálních reprezentací s podobnými geometrickými vlastnostmi.

Pozorovaný vztah mezi reprezentační formou a inferenčním chováním naznačuje, že abstraktní a diskrétní reprezentační geometrie je důležitá pro komplexní poznání.