Американские исследователи из Калифорнийского университета в Беркли смогли выяснить, с помощью каких нейромеханизмов человеческий мозг может прогнозировать те или иные события. По мнению ученых, данные механизмы делятся на два типа, сообщает портал Proceedings of the National Academy of Sciences..

Первый тип активируется в том случае, если человек когда-либо уже бывал в подобных ситуациях. К примеру, многие люди знают, что если на небе появилась молния, то вскоре они обязательно услышат раскаты грома: в данном случае мозг опирается на имеющийся опыт. 

Сотрудники Калифорнийского университета в Беркли поясняют, что за прогнозирование на основе последовательностей отвечает мозжечок. Об этом косвенно свидетельствует нарушение способности предсказывать звуки песен при некоторых дегенеративных заболеваниях мозга. 

Ученые проанализировали активность мозжечка у животных в то время, когда они не двигались, но должны были размышлять. Они натренировали мышей выполнять задания, где требовалась кратковременная память. Грызунам показывали определенный объект, который они должны были запомнить и впоследствии указать.

Подавление мозжечка не мешало животным двигаться, но заставляло их ошибаться в ответах. Нарушения в работе мозжечка влияли на функцию памяти во фронтальной коре, и наоборот.

Ученые сделали вывод, что память координируется сразу несколькими областями головного мозга.

Это объясняет и механизм моторного обучения. Когда мы осваиваем новый вид физической деятельности (например, игру в баскетбол), то сперва часто ошибаемся. Но мозг учится на своих промахах, и постепенно мы начинаем действовать именно так, как нужно. Он запоминает как неверные, так и успешные движения.

___________________________________________

Недавние исследования показали, что именно мозжечок играет неотъемлемую роль в формировании временных прогнозов. А именно в определении продолжительности интервалов и определении разницы между двумя отдельными (индивидуальными) временными интервалами. Другими словами, именно мозжечок позволяет вам «почувствовать», что прошло 5–10 минут или 10–15, уж простите за примитивный пример.

В свою очередь базальные ядра отвечают уже за ритмические суждения, то есть постоянные периодические явления (события). 

При этом стоит еще отметить, что мозжечок не контролируется сознанием человека, в то время как базальные ядра, напротив, по некоторым теориям контролируются. Эту теорию подтверждает факт того, что базальные ядра «засыпают» во время сна человека.

Базальные ядра также участвуют в регуляции двигательных процессов (как и мозжечок). Помимо этого они активизируются во время того, когда вы концентрируете свое внимание. В этот момент базальные ядра выделяют вещество под названием «ацетилхолин», который играет важную роль в формировании памяти.

Такой небольшой экскурс в нейробиологию уже помог нам понять почему исследователи выделили именно 2 области головного мозга — мозжечок и базальные ядра — как основные детали механизма временного прогнозирования.

Естественно ученые должны доказать свою теорию. Для этого они применили так называемый нейропсихологический подход. А теперь подробнее о самих экспериментах.

Подготовка к экспериментам

В экспериментах брали участие как здоровые испытуемые (в качестве контрольной группы) — 23 человека, так и люди с мозжечковой дегенерацией (CD) — 13 человек и с болезнью Паркинсона (PD) — 12 человек. Важным аспектом было то, что все испытуемые не были музыкально активны последние 5 лет перед проведением эксперимента, то есть не играли на музыкальных инструментах и не пели в хоре. Эта небольшая личностная характеристика на самом деле имеет огромное значения в исследовании, ввиду того, что мозг испытуемого не был, так сказать, натренерован на подобную деятельность. 

Группа CD состояла из 7 женщин и 6 мужчин, средний возраст составлял 51.6 года. Основным диагнозом среди испытуемых данной группы была спиноцеребеллярная атаксия: 6 человек — ввиду генетического подтекста, 5 испытуемых — неизвестная / идиопатическая этиология. 

* 2 участника испытания были исключены, ввиду их невозможности выполнить задачу теста. Посему фактическое число участников в группе CD было 11, а не 13.

Группа PD состояла из 7 женщин и 5 мужчин, средний возраст — 68.4. Перед проведением экспериментов участники этой группы прошли тестирование UPDRS (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale). Среднее значение по показателю моторики составило 14.2.

Обе группы были также проверены на наличие/отсутствие других неврологических заболеваний. 

Ввиду того, что между группами CD и PD имеется значительная возрастная разница, контрольная группа (здоровые испытуемые) также была подобрана в соответствие с этим параметром.

В качестве стимулов выступали цветные квадраты, отображаемые в течении 100 мс. В каждом экспериментальном заходе было 2 или 3 красных квадрата, за которыми следовал 1 белый квадрат, выступающий как «сигнальный». После него был 1 зеленый квадрат — «целевой», который и являлся основным в испытании. Интервал между белым и зеленым квадратами составлял 600 мс или 900 мс.

Основной задачей испытуемых было нажатие клавиши на клавиатуре как только они видят перед собой целевой (зеленый) квадрат. 

В эксперименте было 3 варианта подобного опыта, они представлены схематически на изображении ниже.

Схематическое изображение трех вариантов опытов: ритмический, одноинтервальный и случайный.

В первом варианте присутствовало 3 красных квадрата, интервал между которыми был идентичен тому что был между сигнальным и целевым квадратом. То есть, 600 или 900 мс между каждым квадратом вне зависимости от цвета и назначения. Таким образом этот вариант теста является самым предсказуемым. 

Во втором варианте было 2 красных квадрата. Тут интервалы были изменены. Как мы видим из графика выше, интервал между красными квадратами и между белым и зеленым — одинаковы, но вот интервал между последним красным и белым сильно отличаются. 

Таким образом предугадать появление белого квадрата становится значительно сложнее, но на сам результат теста это не имеет значительного влияния, виду того, что интервал между сигнальным и целевым квадратами остается таким же, как и между первыми двумя (красными).

В третьем варианте теста было 3 красных квадрата, интервалы между которыми были абсолютно случайны в диапазоне 600…900 мс. Таким образом ритмичность появления всех квадратов сильно нарушается, соответственно, предугадать появление следующего очень сложно, мягко говоря. Предугадать же появление целевого квадрата становится невозможным.

Помимо этого, 25% проводимых тестов не имели целевого квадрата (зеленого) в конце последовательности, дабы избежать преждевременных ответов и, соответственно, сделать результаты более точными.

Сам процесс экспериментального тестирования испытуемых проводился в закрытом помещении с приглушенным освещением и без звуковых раздражителей. Тесты представлены были на обычном мониторе на сером фоне. Расстояние между монитором и испытуемым было 50 см.

В процессе эксперимента испытуемые совершали по 3 захода (по 1 для каждого из вариантов, описанных выше) из 32 тестов (16 с интервалами в 600 мс и 16 — в 900 мс). 25% из всех тестов в случайном порядке являлись «уловками», то есть не содержали целевого зеленого квадрата. 

На мониторе высвечивалось сообщение об ошибке, если участник отвечал (нажимал на клавишу) до появления на мониторе целевого квадрата или во время «теста-уловки» (когда целевого квадрата нет вообще), а также при задержке ответа в 3 секунды.

Теперь, когда мы знаем, кто участвовал в испытаниях и как они проводились, нам следует ознакомиться с результатами.

Результаты эксперимента

Как не сложно догадаться, время реакции (RT) является самым основным показателям во время исследования результатов первых двух вариантов тестов (ритмического и одноинтервального). Этот показатель должен быть, по логике вещей, значительно выше в тесте со случайными интервалами. 

Был проведен дисперсионный анализ RT всех 4 групп испытуемых. Почему 4 групп, спросите вы? Имеются ввиду следующие группы: 

• CD — 11 человек;
• CD-matched (контрольная группа, соответствующая среднему возрасту группы CD) — 11 человек;
• PD — 12 человек;
• PD-matched (контрольная группа, соответствующая среднему возрасту группы PD) — 12 человек.

Результаты дисперсионного анализа данных экспериментов.

На графике А мы видим результаты подсчета RT для группы CD (люди с мозжечковой дегенерацией). Тут видна следующая особенность: скорость реакции участников тестов со случайными интервалами и одноинтервальным тестом очень схожи. В то время как RT ритмического теста значительно лучше. Контрольная группа (CD-matched) показала иную тенденцию. Скорость реакции при случайных интервалах была, как и ожидалось, самой большой. А вот другие два теста показали примерно одинаковые результаты.

Проще говоря, и группа CD, и соответствующая ей контрольная группа, обе отлично справились с тестом №1 (ритмический) и одинаково плохо с тестом №3 (случайным), что также вполне логично и было ожидаемо. Но вот в тесте №2 имеются значительные отличия. Люди, страдающие мозжечковой дегенерацией не смогли так же успешно справиться с одноинтервальным тестом, как и контрольная группа (люди без заболевания).

Сравнение результатов двух других групп: PD (с болезнью Паркинсона) и PD-matched (тот же средний возраст, что и у группы PD, но без заболевания) показал иные результаты. Так, удивительным является факт того, что группа PD справилась с тестом №2 (одноинтервальным) практически также хорошо, как и контрольная группа испытуемых. При этом тест №3 (случайный) показал, что и ожидалось, низкие результаты. Тест №1 же показал не только разницу между группой PD и соответствующей ей контрольной группой, но и разницу группы PD и группы CD. То есть, пациенты с болезнью Паркинсона показывают значительно худшие результаты, чем пациенты с мозжечковой дегенерацией.

Соотношение результатов анализа тестов всех групп мы можем видеть на графиках выше.

Более детальную информацию об исследовании и расчетах результатов тестов вы можете найти в докладе ученых и дополнительных материалах к нему.

Эпилог

Благодаря этому исследованию ученым удалось подтвердить факт того, что мозжечок и базальные ядра играют крайне важную роль в понимании того, как мозг человека способен предугадывать некоторые события, основываясь на опыте, характере повторяемости события и его периодичности. Анализ данных контрольных групп и испытуемых, страдающих от болезни Паркинсона только подтвердили теории, выдвинутые еще несколько лет назад.

Понимание работы головного мозга, даже таких, на первый взгляд, незначительных его характеристик, может стать подспорьем для диагностики различных неврологических заболеваний. Перспектива использования подобных опытов как базы для будущего изучение методов лечения еще очень туманна. Однако делая такие незначительные, но важные шаги, ученые приближаются к пониманию одного из самых неизведанных и самых сложных объектов в мире — человеческого мозга.


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до декабря бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?