สมองจดจ่ออยู่กับสิ่งที่อยู่ในใจอย่างไร

หน่วยความจำในการทำงาน ความสามารถในการจับและจัดการข้อมูลใหม่อย่างมีสตินั้นใช้งานได้สะดวก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซลล์ประสาทที่เข้าร่วมในเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าต้องทำงานร่วมกันเพื่อโฟกัสความคิดของเรา ไม่ว่าเราจะจำชุดของทิศทางหรือเมนูพิเศษของคืนนี้ การศึกษาใหม่โดยนักวิจัยจากสถาบัน Picower Institute for Learning and Memory ที่ MIT แสดงให้เห็นว่าจุดโฟกัสดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร

มาตรการหลักในการศึกษาในรายงานทางวิทยาศาสตร์ คือความแปรปรวนของกิจกรรมของเซลล์ประสาท นักวิทยาศาสตร์เห็นพ้องกันว่ากิจกรรมที่มีความแปรปรวนน้อยหมายถึงการปรับให้เข้ากับงานมากขึ้น การวัดความแปรปรวนนั้นแสดงให้เห็นจริง ๆ ว่ามันลดลงเมื่อมนุษย์และสัตว์เพ่งความสนใจระหว่างการเล่นเกมหน่วยความจำในห้องแล็บ

ในการศึกษาหลายครั้งระหว่างปี 2016 ถึง 2018 ผู้เขียนนำ Mikael Lundqvist และผู้ร่วมวิจัยอาวุโสEarl K. Millerได้แสดงให้เห็นผ่านการวัดโดยตรงของเซลล์ประสาทหลายร้อยเซลล์และการสร้างแบบจำลองอย่างเข้มงวดที่ระเบิดจังหวะความถี่แกมมาในการแสดงข้อมูลของข้อมูลที่เก็บไว้ จิตใจ. การแสดงข้อมูลสามารถวัดได้ในการเพิ่มจำนวนประชากรของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์แบบซิงโครไนซ์ จังหวะความถี่เบต้าที่ระเบิดออกมาในขณะเดียวกันก็ใช้การจัดการข้อมูลนั้นของสมอง ทฤษฎีที่มิลเลอร์ขนานนามว่าWorking Memory 2.0” ท้าทายออร์ทอดอกซ์ที่มีมาช้านานซึ่งเซลล์ประสาทรักษาข้อมูลหน่วยความจำที่ทำงานผ่านกิจกรรมที่มั่นคงและต่อเนื่อง ผู้เสนอแบบจำลองที่เก่ากว่านั้นซึ่งเกิดจากการตรวจวัดโดยเฉลี่ยในเซลล์ประสาทจำนวนน้อย ใช้แบบจำลองการทำงานของสมองโดยใช้คอมพิวเตอร์เพื่อโต้แย้งว่าความแปรปรวนที่ลดลงไม่สามารถเกิดขึ้นได้จากการปะทุของกิจกรรมเป็นจังหวะเป็นช่วงๆ

แต่ผลการศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าความแปรปรวนที่ลดลงนั้นเกิดขึ้นจริง

Miller, Picower Professor จาก Department of Brain and Cognitive Sciences ของ MIT กล่าวว่า “เราใช้กิจกรรมทางประสาทที่เกิดขึ้นจริงที่บันทึกจากเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าเพื่อแสดงให้เห็นว่าการระเบิดเป็นจังหวะช่วยลดความแปรปรวนของพวกมันได้เนื่องจากสัตว์มุ่งเน้นไปที่งาน

“ปรากฏการณ์ทั้งหมดที่เราคิดว่าเป็นหน่วยความจำในการทำงานที่สำคัญ การระเบิดของรังสีแกมมาพุ่งกระฉูดกำลังทำในสิ่งที่ควรทำ” มิลเลอร์กล่าว “ทุกอย่างเริ่มมีสมาธิมากขึ้นเมื่อสัตว์เหล่านี้ทำงานด้านความจำ และนั่นก็ช่วยลดความแปรปรวนได้ตามธรรมชาติ มันแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบจังหวะใหม่ของหน่วยความจำในการทำงานนั้นเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์กับสมองของคุณโดยเน้นกิจกรรมไปที่งานที่ทำอยู่”

การสังเกตโดยตรง

ในการศึกษานี้ Lundqvist และทีมงานได้ตรวจวัดการระเบิดของรังสีแกมมาและการพุ่งขึ้นของเส้นประสาทแต่ละเซลล์ท่ามกลางเซลล์ประสาทหลายร้อยเซลล์ เนื่องจากสัตว์ 6 ตัวเล่นเกมหน่วยความจำในการทำงานที่แตกต่างกันสามเกม พวกเขายังวิเคราะห์ว่ากิจกรรมนั้นแตกต่างกันมากน้อยเพียงใดจากการทดลองใช้จนถึงการทดลอง โดยใช้การคำนวณที่เรียกว่า “ปัจจัย Fano”

ขณะที่สัตว์ดำเนินการในแต่ละงาน การระเบิดของรังสีแกมมาและอัตราการพุ่งสูงขึ้นแสดงให้เห็นความแตกต่างที่ชัดเจนจากช่วงการตรวจวัดพื้นฐาน ซึ่งสอดคล้องกับความต้องการของงาน ตัวอย่างเช่น ในงานหนึ่งงานนั้นจะมีจุดสูงสุดชั่วคราวเมื่อมีการนำเสนอแต่ละรายการที่ต้องจดจำ และอีกครั้งเมื่อมีการทดสอบความจำของสัตว์

แม้ว่ากิจกรรมจะถูกปรับโดยงานอย่างชัดเจน ความแปรปรวนจากการทดลองไปสู่การทดลองก็เช่นกัน ในแต่ละงาน พวกเขาพบว่าความแปรปรวนนั้นสูงที่สุดก่อนเริ่มงาน ซึ่งเป็นเงื่อนไข “พื้นฐาน” ที่สัตว์สามารถคิดเกี่ยวกับสิ่งที่พวกเขาต้องการได้ แต่เมื่อสัตว์ทั้งหลายต้องมุ่งความสนใจไปที่งานนั้นอีกครั้ง รังสีแกมมาของพวกมันก็ระเบิดและการกระตุ้นประสาทก็คล้ายกับครั้งที่แล้วหรือครั้งหน้าที่พวกเขาทำภารกิจนี้มากขึ้น นอกจากนี้ ความแปรปรวนที่ลดลงยังติดตามอย่างใกล้ชิดกับช่วงเวลาสำคัญของงาน (เช่น การนำเสนอบางสิ่งที่ต้องจดจำ)

Lundqvistอดีต postdoc ในห้องทดลองของ Miller ซึ่งปัจจุบันเป็นนักวิจัยหลักของ Karolinska Institutet ในสตอกโฮล์ม ประเทศสวีเดนกล่าวว่า “ผลการวิจัยของเราชี้ให้เห็นว่ามีเหตุการณ์การระเบิดของประชากรซึ่งกำหนดโดยหัวข้อความรู้ความเข้าใจต่างๆ อยู่ตลอดเวลา” “ในขณะที่เรามุ่งเน้นไปที่งานเฉพาะ เหตุการณ์เกี่ยวกับประชากรที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อความรู้ความเข้าใจอื่น ๆ ก็เงียบลง ผลที่ตามมาก็คือ การพุ่งขึ้นของเซลล์ประสาทเดี่ยวนั้นถูกกำหนดโดยงานนั้นโดยเฉพาะ”

การลดความแปรปรวนไม่ได้เกิดขึ้นจริงในเวลาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงในอวกาศด้วย พื้นที่ของเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้าส่วนหน้าซึ่งรังสีแกมมาระเบิดและพุ่งเป็นข้อมูลงานแสดงถึงความแปรปรวนที่ลดลงมากกว่าพื้นที่ที่ไม่ได้แสดงข้อมูลงาน

การจำลองบอกเหตุ

แม้ว่าการวัดโดยตรงจะแสดงให้เห็นความแปรปรวนที่ลดลงซึ่งสัมพันธ์กับความต้องการงานสำหรับการคิดอย่างมีสมาธิ ทีมงานยังได้ตรวจสอบด้วยว่าการลดความแปรปรวนของสไปค์เป็นผลมาจากการลดความแปรปรวนของรังสีแกมมาที่ลดลงหรือไม่

ด้วยการใช้การวัดระเบิดแกมมาและความแปรปรวนของพวกมัน พวกเขาคำนวณโดยใช้การจำลองการเปลี่ยนแปลงในการพุ่ง (เช่น อัตราการพุ่ง) เพื่อดูว่าการลดลงของความแปรผันของการระเบิดแกมมานั้นจำเป็นต้องนำไปสู่การลดลงในการแปรผันของการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วหรือไม่

Lundqvist กล่าวว่า “เราใช้แบบจำลองง่ายๆ โดยให้เซลล์ประสาทมีอัตราการยิงที่แตกต่างกันสองแบบ ขึ้นอยู่กับว่ามีเหตุการณ์ระเบิดแกมมาที่กำลังดำเนินอยู่หรือไม่” “จากนั้น เพียงแค่อิงตามระยะเวลาของเหตุการณ์ระเบิดแกมมาที่บันทึกไว้ เราก็สร้างรถไฟที่มีหนามแหลมขึ้นเป็นพันๆ ขบวน รถไฟแหลมเทียมเหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงความแปรปรวนที่คล้ายคลึงกันมากเช่นเดียวกับที่บันทึกไว้ในตอนแรก นี่แสดงให้เห็นว่าการมีส่วนร่วมในเหตุการณ์ประชากรส่วนใหญ่ผลักดันการลดลงนี้”

โดยรวมแล้ว นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าพวกเขาพบว่าความแปรปรวนลดลงตามความต้องการของงานหน่วยความจำในการทำงาน และนั่นเป็นไปตามจังหวะเวลาและตำแหน่งของการระเบิดของจังหวะแกมมา

“เราพบว่าการมอดูเลตที่เกี่ยวข้องกับงานของการพุ่งแหลมและพลังแกมมาในระหว่างงานหน่วยความจำที่ใช้งานได้ส่งผลให้ความแปรปรวนของกิจกรรมประสาทลดลงแบบทดสอบข้ามการทดลอง” ผู้เขียนเขียน “นอกจากนี้ เราพบว่ามีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างการลดความแปรปรวนของการระเบิดของแกมมากับการลดความแปรปรวนของการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เกิดขึ้นพร้อมกันทั้งในเวลาและสถานที่”

ผู้ร่วมเขียนบทความอาวุโสคือ Pawel Herman จาก Royal Institute of Technology นอกจาก Miller, Lundqvist และ Herman แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของบทความนี้ ได้แก่ Jonas Rose, Scott Brincat, Melissa Warden และ Timothy Buschman

สำนักงานวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ, สถาบันสุขภาพแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา, มูลนิธิ JPB, ERC และสภาวิจัยแห่งสวีเดนได้ให้ทุนสนับสนุนสำหรับการศึกษาวิจัย

หน้าแรก