5.3.2. Психофизиология

Актуальность. Распознавание лиц и припоминание имени по лицу являются важными аспектами межличностного общения. Методы вызванных потенциалов и локализации источников предоставляют возможности для исследования пространственно-временных характеристик мозговой активности в этой области. Однако в современных когнитивных моделях распознавания лиц локализация источников компонента N400, связанного с узлами персональной идентичности (PINs) в семантической информации, остается недостаточно изученной.

Цель. В настоящем исследовании ставилась цель выявить различия мозговой активности при распознавании давно знакомых лиц знаменитостей и недавно изученных лиц, в частности, проверить, вызывает ли лицо с большим объемом семантической информации компонент N400 с отличающейся амплитудой и латентностью, а также определить локализацию источников этих различий.

Выборка. В исследовании приняли участие 66 студентов вузов, правши, средний возраст — 21,83 года (SD = 3,57); 33 женщины (17 из Китая и 16 из России) и 33 мужчины (18 из Китая и 15 из России).

Методы. Исследование проводилось с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), применялись методы вызванных потенциалов и локализации источников. Для обработки и анализа собранных данных ЭЭГ был применен метод локализации мозговой активности — «Виртуально вживленный электрод», разработанный А.В. Вартановым (патент РФ № 2785268).

Результаты. Использование метода локализации показало, что компонент N400 значимо различается при припоминании имён давно знакомых лиц знаменитостей (OLD) и недавно выученных лиц (LRN) в медиальном бледном шаре, таламусе, левом гиппокампе, вентральном стриатуме и правых областях VO1 и VO2, при этом OLD-лица вызывают большую амплитуду N400. Различия по латентности наблюдаются в диапазоне 300–480 мс. Анализ ориентированного графа связности показал, что обе категории лиц активируют сходные нейронные сети, при этом VO1 R, VO1 L и VO2 L демонстрируют сильную активацию, а вентральный стриатум, левый медиальный бледный шар и левый таламус вносят вклад в активацию правого медиального бледного шара с высокими коэффициентами корреляции (r > 0,93).

Выводы. Настоящее исследование показывает, что припоминание имени по лицу вовлекает широкую нейронную сеть, охватывающую корковые и подкорковые структуры. Различия в N400 между давно знакомыми и недавно запомненными лицами, вероятно, отражают информацию, содержащуюся в узлах персональной идентичности (PINs). Ключевыми компонентами этой сети являются медиальный бледный шар, таламус, левый гиппокамп, вентральный стриатум и области VO1 и VO2 в правом полушарии.

Реабилитационная робототехника направлена на содействие реорганизации нервной системы, зависимой от активности. Люди с параличом не могут генерировать достаточную активность во время роботизированной реабилитации и, следовательно, не получают пользы от этих методов лечения. В данной работе мы разработали имплантируемый нейропротез спинного мозга, работающий в замкнутом контуре, для обеспечения устойчивой активности во время ходьбы и езды на велосипеде с помощью роботизированных устройств. Этот нейропротез не зависит от типа устройства и разработан для беспроблемной установки пользователями, не являющимися специалистами. Предварительные оценки у участников с параличом показали, что нейропротез обеспечивает хорошо организованные паттерны мышечной активности во время ходьбы и езды на велосипеде с помощью робота. Исследование, подтверждающее концепцию, показало, что реабилитация с помощью робота, дополненная нейропротезом, способствует устойчивым неврологическим улучшениям. Более того, нейропротез улучшает возможности для прогулок и езды на велосипеде на открытом воздухе. Будущие клинические испытания должны подтвердить эти результаты на более широкой выборке.

Роды — это событие, меняющее жизнь матери. Хотя переход к материнству недавно был признан одним из наиболее нейропластичных периодов во взрослом возрасте, ни одно исследование еще не изучало, изменяются ли гиппокамп и миндалевидное тело в перинатальный период в связи с опытом родов и симптомами перинатальной депрессии. В этом лонгитюдном нейровизуализационном исследовании мы обследовали 88 женщин, впервые ставших матерями, на поздних сроках беременности и в раннем послеродовом периоде, и 30 нерожавших женщин из контрольной группы. Мы использовали оптимизированные МРТ-сканирования высокого разрешения для количественной оценки объемных изменений в гиппокампе и миндалевидном теле, а также в их подструктурах. Было обнаружено, что усиление симптомов депрессии в перинатальный период положительно коррелировало с изменениями в правом миндалевидном теле. Более сложные роды были связаны с двусторонним увеличением объема гиппокампа. Эти результаты показывают, что изучение нейроанатомических изменений в период перехода к материнству может дать информацию не только об адаптивных процессах, но и о потенциальных слабых местах, подчеркивая важность отслеживания перинатального опыта для улучшения здоровья женщин.

Соотношение процессов возбуждения и торможения является ключевой функциональной характеристикой корковых систем, которое изменяется на протяжении всей жизни человека. Подростковый возраст считается критическим периодом для созревания этого соотношения. Однако в основном это было показанов исследованиях на животных. В то же время, данные in vivo у людей, подтверждающие созревание соотношения возбуждения-торможения на индивидуальном уровне, остаются ограниченными. В настоящем исследовании мы разработали индивидуализированный маркер in vivo регионального соотношения возбуждения-торможения у подростков, оцениваемый с помощью крупномасштабных симуляций биофизических сетевых моделей, подобранных по данным функциональной визуализации в состоянии покоя из срезовых (n = 752) и лонгитюдных (n = 149) когорт. В обоих наборах данных мы обнаружили повсеместное снижение соотношения возбуждения-торможения в ассоциативных областях, сопровождающееся увеличением или отсутствием изменений в сенсомоторных областях. Эта закономерность развития соответствовала многомасштабным маркерам дифференциации сенсомоторных и ассоциативных областей. Хотя наши основные результаты были устойчивы при различных конфигурациях модели, мы наблюдали локальные вариации, что подчеркивает важность выбора адекватной методологии для будущих исследований.

К взрослому возрасту люди быстро распознают объекты при демонстрации неполных изображений и при значительных нарушениях их внешнего вида. Каковы минимальные условия, необходимые для достижения надежной способности к распознаванию, и когда эти способности могут развиться? Чтобы ответить на эти вопросы, мы исследовали верхние пределы способностей детей к распознаванию объектов. Мы обнаружили, что дети в возрасте от 3 лет успешно распознавали объекты со скоростью 100 миллисекунд (как при прямом, так и при обратном маскировании) в условиях ограниченного и нарушенного предъявления. Напротив, ряд вычислительных моделей, реализованных с учетом биологических свойств или оптимизированных для задач визуального распознавания, не достигли уровня, сопоставимого с уровнем детей. Модели соответствовали детям только в том случае, если получали больше примеров объектов, чем дети способны воспринять. Эти результаты подчеркивают устойчивость человеческой зрительной системы в отсутствие обширного опыта и выявляют важные ограничения развития, которые необходимо учитывать при создании биологически правдоподобных машин.

У людей отсутствуют воспоминания о конкретных событиях первых нескольких лет жизни. Мы исследовали основу этой младенческой амнезии, сканируя мозг бодрствующих младенцев с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии во время выполнения ими последующего задания на запоминание. Повышенная активность гиппокампа во время просмотра ранее не виденных фотографий была связана с последующим основанным на памяти поведением при рассматривании, , начиная примерно с возраста 1 года, что позволяет предположить, что способность кодировать отдельные воспоминания формируется уже в младенчестве. Наличие механизмов кодирования эпизодической памяти в период человеческой жизни, который впоследствии утрачивается из нашей автобиографической памяти, подразумевает, что механизмы последующего кодирования, благодаря которым воспоминания из младенчества становятся недоступными для извлечения, могут быть в большей степени ответственны за детскую амнезию.

Произвольное, гибкое прекращение речевого производства является важным аспектом моторного контроля речи, особенно во время естественной беседы. Когнитивные и нейронные механизмы подавления речи недостаточно изучены. В настоящем исследовании мы использовали прямую высокоплотную регистрацию активности коры головного мозга, когда участники непрерывно произносили речь и получали зрительные указания остановиться. Нейронные записи выявили отчетливую активность в премоторной лобной коре, коррелирующую с прекращением речи. Эта активность была обнаружена в основном в отдельных кортикальных областях, отличных от регионов, кодирующих артикуляционные движения речевого аппарата. Более того, эта активность преимущественно возникала при резкой остановке посреди высказывания, а не при естественном завершении фразы. Электрокортикальная стимуляция во многих премоторных областях с тормозной активностью, вызывающей остановку речи, приводила к непроизвольной остановке речи, что противоречит предыдущим клиническим интерпретациям этого эффекта как доказательства существования критических центров производства речи. В совокупности эти результаты указывают на существование ранее неизвестной премоторной кортикальной сети, которая поддерживает тормозной контроль речи, что важно для понимания как естественного, так и нарушенного производства речи.

Что определяет, кто становится и остается друзьями? С дружбой связано множество факторов, включая физическую близость и межличностное сходство. В недавних работах для выявления сходства между друзьями использовались методы нейровизуализации, позволяющие зафиксировать, как люди обрабатывают информацию об окружающем мире. Однако, учитывая срезовый характер предыдущих исследований, неизвестно, предшествует ли нейронное сходство дружбе или оно возникает у друзей только после установления социальных связей. В данном исследовании мы показали, что сходство нейронных реакций на видеоролики, выявленное до встречи участников, предсказывало сближение в сети дружеских связей через восемь месяцев (то есть участники со схожими реакциями с большей вероятностью были друзьями, а не находились на расстоянии нескольких степеней разделения друг от друга). Мы также изучили изменения расстояний между участниками в их общей социальной сети, которые возникали в результате формирования, сохранения и распада дружеских отношений, в период от двух до восьми месяцев после их встречи. По сравнению с людьми, которые отдалились друг от друга, люди, которые сблизились за этот шестимесячный период, были более похожи по нейронным характеристикам, будучи незнакомы. Кроме того, анализ, проведенный с учетом социально-демографических сходств, показал, что, хотя эти сходства, по-видимому, обусловливали различия в существовавших ранее нейронных сходствах между друзьями и парами с социальной дистанцией в 3 единицы, они не объясняли более обширные связи между существовавшими ранее нейронными сходствами и тенденцией к сближению, а не к отдалению людей друг от друга, с течением времени. Таким образом, в то время как некоторые дружеские отношения могут изначально формироваться в силу обстоятельств и распадаться со временем, зарождающаяся позже и более продолжительная дружба может быть основана на более глубокой межличностной совместимости, которая проявляется в уже существующем нейронном сходстве. Полученные данные свидетельствуют о том, что существовавшие ранее сходства в том, как люди интерпретируют окружающую среду, на что обращают свое внимание и как эмоционально реагируют на объекты в ней, являются предпосылкой для будущей дружбы и роста социальной близости.

Понимание того, как животные и люди учатся на опыте, чтобы принимать адаптивные решения, является фундаментальной целью нейронауки и психологии. Нормативные моделирующие подходы, такие как байесовский вывод и обучение с подкреплением, дают важные представления о принципах, управляющих адаптивным поведением. Однако простота этих моделей часто ограничивает их способность описывать реалистичное биологическое поведение, что приводит к циклам ручной подгонки моделей, подверженных субъективности исследователя. Здесь мы представляем новый подход к моделированию, который использует рекуррентные нейронные сети для выявления когнитивных алгоритмов, управляющих биологическим принятием решений. Мы показываем, что нейронные сети, состоящие всего из одного-четырех нейронов, часто превосходят классические когнитивные модели и не уступают более крупным нейронным сетям в прогнозировании выбора отдельных животных и людей в шести хорошо изученных задачах обучения на основе подкрепления. Что особенно важно, мы можем интерпретировать обученные сети, используя понятия динамических систем, что позволяет унифицированно сравнивать когнитивные модели и выявлять детальные механизмы, лежащие в основе поведенческого выбора. Наш подход также оценивает размерность поведения и дает представление об алгоритмах, усвоенных агентами искусственного интеллекта, использующими мета-обучение с подкреплением. В целом, мы предлагаем систематический подход к выявлению интерпретируемых когнитивных стратегий в процессе принятия решений, который дает представление о нейронных механизмах и служит основой для изучения нормального и нарушенного познания.

Недавно приобретенные воспоминания реактивируются в гиппокампе во время сна, что является начальным этапом их консолидации. Этот процесс происходит одновременно с реактивацией гиппокампом предыдущих воспоминаний, что ставит вопрос о том, как предотвратить интерференцию между более старыми и недавними, изначально лабильными, следами памяти. Теоретические исследования позволили предположить, что консолидация разнообразных воспоминаний с минимальной интерференцией может быть достигнута путем случайного чередования их реактивации. В качестве альтернативы можно предположить, что временная микроструктура сна может способствовать реактивации различных типов воспоминаний в определенных фазах. Для проверки этих двух гипотез мы разработали метод одновременной регистрации больших ансамблей в гиппокампе и мониторинга динамики сна с помощью пупиллометрии у мышей, находящихся в естественном сне. Колебания размера зрачка позволили выявить ранее неизвестную микроструктуру процессов памяти, связанных с медленным сном. Мы обнаружили, что воспроизведение воспоминаний о недавнем опыте преобладало в в комплексах «острая волна — рябь» во время периодов non-REM-сна, характеризующихся сужением зрачка, тогда как воспроизведение предыдущих воспоминаний преимущественно происходило в периоды, характеризующихся его расширением. Селективное нарушение комплекса «острая волна — рябь» в период медленного сна, характеризующийся сужением зрачков, ухудшало воспроизведение недавних воспоминаний, тогда как та же манипуляция в период, характеризующийся расширением зрачков, не оказывала поведенческого эффекта. Для периода сужения зрачков были характерны более сильные внешние возбуждающие воздействия, тогда как в период расширения зрачков - более выражено локальное торможение. Таким образом, микроструктура non-REM-сна организует воспроизведение в памяти, при этом более ранние и новые воспоминания разделены во времени на разные периоды и поддерживаются локальными и управляемыми извне механизмами соответственно. Наши результаты показывают, что мозг может мультиплексировать различные когнитивные процессы во время сна, что способствует непрерывному обучению без интерференции.