Ieškoti

Smegenų gelmėse

Daugiafunkcinės smegenų dalys: darbinės atminties atvejis


Teksto autorius – J. Karolis Degutis


Kas ta darbinė atmintis?


Įsivaizduokite gyvenimą, kuriame kiekviena akimirka yra nesusijusi su buvusia ar būsima – subjektyvus pasaulis tai įsijungia, tai išsijungia – panašiai kaip bešokant naktiniame klube po stroboskopinėmis šviesomis. Tai kas gi suteikia mūsų subjektyviam pasauliui tą gerai žinomą nuoseklumą ir sąsają tarp skirtingų momentų? Nors tai gal ir labiau filosofinis klausimas, bet į jį galima bandyti atsakyti pažvelgus į trumpalaikę, arba kitaip dar vadinamą darbinę, atmintį kaip į kognityvinius klijus, kurie sujungia vieną akimirką su kita.


Darbinė atmintis – tai proto sistema, kuri suteikia galimybę trumpam laikui prisiminti kokią nors informaciją. Gerai žinomas kasdienis darbinės atminties pavyzdys – telefono numerio ar kokio nors kodo prisiminimas. Jeigu aš Jums pateikčiau numerį, Jūs galite tuos skaičius prisiminti ir kartoti savo mintyse, iki tol, kol juos užsirašysite. Tas sąmoningas kartojimas ir yra vienas iš darbinės atminties elementų. Kitas pavyzdys – paprastas pokalbis. Besiklausydami kito žmogaus, Jūs sekate ir prisimenate, ką ji(s) pasakė, formuojate savo mintis – visa ši informacija kunkuliuoja darbinėje atmintyje.


Kalbėdami apie atmintį, dažniausiai omenyje turime kokius nors buvusius įvykius, kuriuos galime prisiminti. Tai gali būti atsiminimas vakarykštės vakarienės ar daug senesnis prisiminamas pirmosios dienos mokykloje. Nors mano atmintyje šiuos du prisiminimus skiria šiek tiek mažiau nei dvidešimt metų, jie abu atitinka ilgalaikės atminties kriterijus. Darbinėje, arba trumpalaikėje, atmintyje informacija laikoma tik apie minutę: po to kai kurie iš šių prisiminimų įsirašo į ilgalaikę atmintį, bet didžiąją dalį informacijos mes prarandame ir daugiau nebeatmename.


Darbinė atmintis yra svarbi ne tik dėl šių abstraktesnių su mąstymo procesais susijusių aspektų, bet ir dėl jos rolės psichikos sveikatos sutrikimų atvejais ar tiesiog kasdieniame gyvenime. Darbinės atminties talpa – kitaip sakant, kiek skirtingos informacijos vienu metu gali atsiminti žmogus, – koreliuoja su intelektu (IQ koeficientu), vaiko mokykliniais sugebėjimais ir egzaminų rezultatais ir netgi su socioekonomine žmogaus padėtimi. Taip pat psichinės sveikatos sutrikimai – tokie kaip šizofrenija, kai kurios demencijos formos ir netgi depresija – asocijuojami su prastesne darbinės atminties veikla. Taigi, šios mąstymo sistemos mokslinis supratimas gali praktiškai pagerinti žmonių gyvenimą.



Darbinės atminties pradmenys psichologijoje


Alanas Badlis (Alan Baddeley) ir Grėjamas Hičas (Graham Hitch) septintame praeito amžiaus dešimtmetyje pateikė pirmą darbinės atminties kognityvinę teoriją. Jie argumentavo, kad darbinė atmintis turi hierarchinę struktūrą – egzistuoja darbinės atminties „bosas“, pavadintas centriniu vykdančiuoju (angl. central executive). Šis sistemos vadybininkas reguliuoja po juo esančius antro lygmens procesus. Viena dalis vadinama vizualiniu-erdviniu eskizu (angl. visuospatial sketchpad) ir yra geriau žinoma kaip „proto akis“. Ši sistemos dalis suteikia mums galimybę įsivaizduoti arba vizualizuoti, taip pat mintyse spręsti kokias nors erdvines užduotis. Pavyzdžiui, jeigu dabar paprašyčiau Jūsų užsimerkti ir įsivaizduoti rožinį dramblį ir taip pat jį apsukti aukštyn kojomis – turbūt sugebėtumėte tai padaryti. Ši vizualizacija ir erdvinė manipuliacija ir yra būtent tai, ką daro vizualinis-erdvinis eskizas. Kita darbinės atminties dalis – fonologinė kilpa (angl. phonological loop), arba „vidinis balsas“. Prieš tai paminėto telefono numerio kartojimas mintyse naudoja būtent šį procesą.


Ši Badlio ir Hičo kognityvinė teorija vis dar išlikusi gana populiaria, tačiau joje trūksta paaiškinimo, kaip visi šie darbinės atminties procesai pasireiškia smegenyse. Ar fonologinė kilpa ir vizualinis-erdvinis eskizas yra toje pačioje smegenų dalyje? Ar išvis reikalingas tas centrinis vykdantysis? Nors ši teorija pateikia ir išaiškina kai kuriuos subjektyvaus mąstymo procesus, jai trūksta biologinio pagrįstumo.



Nepriklausomų dalių smegenys


Smegenys dažnai pristatomos kaip nepriklausomų ir atskirtų sričių bei dalių rinkinys. Mėgstame sutapatinti kokią nors emociją ar mąstymo funkciją su specifine smegenų dalimi. Dažnai minima, kad vieni ar kiti mokslininkai atrado, kad žmogaus emocija glūdi kokioje nors žievės dalyje, o štai intelektas ir sąmonė slypi kitoje srityje. Taip ir susiformuoja smegenų žemėlapis, kuriame vietoje valstybių pavadinimų – skirtingos kognityvinės funkcijos. Nors dažniausiai ir nėra klaidinga manyti, kad kai kurios smegenų dalys specializuojasi kokios nors funkcijos vykdyme ir apdoroja specifinę informaciją, tačiau toks smegenų suvokimas nėra pilnas ir tokios sudėtingos kognityvinės funkcijos kaip darbinė atmintis, sąmonė, ar emocijos negali būti siejamos tik su viena smegenų dalimi.


Iliustracija 1: Smegenys kaip funkcijų žemėlapis – dažnai įsivaizduojamas, bet neteisingas smegenų dalių veiklos apibūdinimas (TIMES, Leigh Wells).

Vieni pirmųjų neuromokslo tyrimų darbinės atminties srityje nustatė šio proceso koreliatus priekinėje smegenų žievėje. Patricija Goldman-Rakič (Patricia Goldmann-Rakic) 1980-aisiais atliko tyrimus, kurių metu ji su kolegomis matavo neuronų aktyvaciją beždžionės prieškaktinės žievės neuronuose, kol beždžionė atliko darbinės atminties eksperimentą. Beždžionė žiūrėjo į ekraną, kurio viduryje rodytas kryžiukas. Kitu momentu ekrano periferijoje atsirasdavo taškas – beždžionė turėjo atsiminti taško vietą ekrane, bet negalėjo pajudinti akių. Po to taškas pradingdavo, ir šis užduoties periodas buvo pats įdomiausias mokslininkams – ekrane taškas nebebuvo rodomas, bet beždžionė naudojo savo smegenų resursus tam, kad prisimintų taško vietą. Po dar kelių akimirkų pasikeisdavo centrinio kryžiuko spalva – tai nurodydavo beždžionei pajudinti akis į atsimintą taško vietą ekrane. Beždžionė kartojo šią užduoti šimtus kartų ir jeigu ją teisingai atlikdavo, gaudavo kelis lašelius labai geidžiamų sulčių.


Goldman-Rakič su kolegomis išanalizavusi neuronų aktyvaciją atrado netikėtą dalyką: prieškaktinės žievės neuronai buvo aktyvūs, kai beždžionė laikė taško vietą darbinėje atmintyje. Ir ne tik tai – veikė skirtingos neuronų grupės. Vienoms „patiko“ – kitaip sakant, jos aktyvavosi, – kai beždžionė prisimindavo tašką dešinėje ekrano pusėje, o kitoms labiau „patiko“ taškas apatinėje kairėje ekrano dalyje. Taigi, šie neuronai ne tik aktyvavosi per darbinės atminties procesą, bet jie taip pat ir „kodavo“, kokią vietą beždžionė buvo prisiminusi specifiniu momentu. Šie rezultatai įtikino tuometinę kognityvinio mokslo bendruomenę, kad buvo atrasta darbinės atminties smegenų vieta prieškaktinėje žievėje.

Darbinė atmintis paskirstyta po visas smegenis


Per pastaruosius du dešimtmečius atsidaro galimybė tyrinėti darbinės atminties veiklą žmonių smegenyse naudojant funkcinio magnetinio rezonanso tomografiją (fMRT). Ši mokslinė pažanga paskatino tyrinėtojus pažvelgti į kitas smegenų dalis ir pasižiūrėti, kokias funkcijas jos atlieka, kai žmogus laiko kokią nors informaciją savo darbinėje atmintyje. Stefani Harison (Stephanie Harrison) ir Frankas Tongas (Frank Tong) 2009 metais atliko fMRT tyrimą, kurio metu nustatė, kad pirminė regos žievė – t.y. pirmoji žievės dalis, apdorojanti ateinančią informaciją iš akių, – taip pat yra naudojama darbinei atminčiai.


Šiame tyrime savanoriai skeneryje žiūrėjo į ekraną, kuriame buvo rodomos apvalios grotelės – šios grotelės buvo orientuotos 45 arba 135 laipsnių kampu. Panašiai kaip beždžionės Goldman-Rakič tyrime, savanoriai turėjo prisiminti šių grotelių orientaciją ir laikyti ją atmintyje.


Iliustracija 2: Harison ir Tongo tyrime naudotų grotelių pavyzdys. Dešinėje 135 laipsnių, o kairėje 45 laipsnių grotelės (autoriaus archyvas)

Kodėl mokslininkai išvis nusprendė žvelgti į pirminę regos žievę? Kaip ji net teoriškai galėtų būti naudojama darbinės atminties procesams? Kaip jau minėta, pirminė regos žievė apdoroja ateinančią regos informaciją. Vienas informacijos aspektas, kurį ši sritis apdoroja ir „koduoja“, yra orientacija. Kitaip tariant, pirminėje regos žievėje yra skirtingų neuronų, kurie, panašiai kaip ir prieškaktinėje žievėje, aktyvuojasi, kai yra regimos specifinės objektų (eksperimento atveju – grotelių) orientacijos. Vieniems labiau patinka 45 laipsnių kampas, o kitiems – labiau 135 laipsnių. Harison ir Tongas iškėlė hipotezę, kad būtent šios neuronų populiacijos gali būti pakartotinai panaudojamos ir vizualinės informacijos apdorojimui, ir vizualinės darbinės atminties laikymui.


Kaip mokslininkai atrado atsakymą į šią hipotezę? Harison ir Tongas panaudojo mašininį mokymąsi (arba kitaip - labai paprastą dirbtinį intelektą). Jie suprogramavo algoritmą, kuris paima fMRT duomenis iš regos sričių ir bando atspėti, ar vienu ar kitu atveju žmogus buvo prisiminęs 45 ar 135 laipsnių orientaciją. Jeigu algoritmas atspėtų daugiau nei pusę šių atvejų, galima būtų teigti, kad regos srityse glūdi darbinės atminties informacija ir kad greičiausiai naudojamos skirtingos neuronų populiacijos priklausomai nuo prisimintos orientacijos.


Kognityvinio neuromokslo bendruomenės nuostabai, tyrinėtojai būtent ir parodė, kad darbinės atminties procesas vyksta ne tik prieškaktinėje žievėje, bet ir regos srityse.

Dabar gali iškilti klausimas... ar visų rūšių darbinė atmintis naudoja regos sritį? Pavyzdžiui, jeigu dabar priminsiu Biplanų dainą „Labas rytas“ ir ši melodija gros Jūsų fonologinėje kilpoje, ar tai reiškia, jog regos centrai aktyvuojasi? Ogi ne, nebent kartu su pačia daina prisiminėte ir vaizdo klipą. Po šio tyrimo sekė daugybė skirtingų eksperimentų, kurie vietoje orientacijų pateikė savanoriams įvairius garsus, veidų ir peizažų nuotraukas ir dar daug visko. Pagrindinės išvados – tos sritys, kurios pirmiausiai apdoroja ateinančią informaciją iš skirtingų jutiminių organų, yra ir vėl panaudojamos darbinės atminties procesui. Taigi, priklausomai nuo informacijos tipo, darbinė atmintis slypi vos ne visose smegenyse ir tas įsisenėjęs smegenų funkcijų žemėlapis tampa nelabai atitinkantis realybės.



Moksliniai straipsniai


Baddeley, A. D., & Hitch, G. (1974). Working memory. In Psychology of learning and motivation (Vol. 8, pp. 47-89). Academic press.


Christophel, T. B., Klink, P. C., Spitzer, B., Roelfsema, P. R., & Haynes, J. D. (2017). The distributed nature of working memory. Trends in cognitive sciences, 21(2), 111-124.


Funahashi, S., Bruce, C. J., & Goldman-Rakic, P. S. (1989). Mnemonic coding of visual space in the monkey's dorsolateral prefrontal cortex. Journal of neurophysiology, 61(2), 331-349.


Goldman-Rakic, P. S. (1995). Cellular basis of working memory. Neuron, 14(3), 477-485.


Goldman-Rakic, P. S. (1994). Working memory dysfunction in schizophrenia. The Frontal Lobes and Neuropsychiatric Illness. Washington, DC, 71-82.


Harrison, S. A., & Tong, F. (2009). Decoding reveals the contents of visual working memory in early visual areas. Nature, 458(7238), 632-635.



Iliustracijų šaltiniai


Iliustracija 1: TIMES, Leigh Wells, http://content.time.com/time/magazine/article/0,9171,1580416,00.html

Iliustracija 2: autoriaus archyvas

Viršelio iliustracija: https://media.nature.com/lw800/magazine-assets/d41586-019-00677-x/d41586-019-00677-x_16492056.jpg