Нейронные механизмы ассоциативной корковой пластичности в когнитивных процессах: магнитоэнцефалографические исследования
- Авторы: Чернышев Б.В.1,2, Пульцина К.И.1, Третьякова В.Д.1, Разоренова А.М.1, Павлова А.А.1, Строганова Т.А.1
-
Учреждения:
- Московский государственный психолого-педагогический университет
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 602-605
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journals.rcsi.science/2313-1829/article/view/256282
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623326
- ID: 256282
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Считается, что овладение семантикой слов речи основано на биологических механизмах ассоциативного обучения [1]. Однако текущее понимание мозговых механизмов обучения и памяти преимущественно базируется на простых моделях (включая модели на животных), в то время как механизмы обучения в когнитивной области остаются в значительной степени неизвестными. Семантическое обучение речи является хорошим примером таких когнитивных процессов, мозговые механизмы которых не могут быть легко объяснены на уровне простых нейронных сетей. В частности, до сих пор нет чёткого понимания ряда процессов, лежащих в основе такого обучения — включая механизмы, обеспечивающие корреляционное совпадение нейронных репрезентаций, необходимое для Хеббовской пластичности, реверберационное воспроизведение ассоциируемой репрезентации в рабочей памяти, вовлечение консолидации и т.д.
Чтобы исследовать эти вопросы, мы провели серию экспериментов, моделирующих семантическое научение словам, связанным с действиями. Мы использовали новую экспериментальную процедуру семантического научения, основанную на обучении методом проб и ошибок, в ходе которой участники активно приобретали ассоциации между псевдословами и действиями. Экспериментальная процедура включала презентации акустически выровненных псевдослов, которые были незнакомы участникам до начала эксперимента. Задача участников заключалась в выполнении движений конечностями (руками и ногами) в ответ на соответствующие псевдослова. Положительная или отрицательная обратная связь подавалась в каждой реализации в зависимости от действий участника. МЭГ регистрировали не только во время обучения, но и во время пассивного предъявления тех же псевдослов до и после обучения, что позволяло контролировать эффекты внимания и подготовки к движению. Мы анализировали связанные с событиями поля и осцилляции в бета-диапазоне.
Наши эксперименты показали, что кортикальная пластичность, связанная с обучением словам, может быть выявлена сразу после обучения, без какого-либо длительного времени для консолидации [2].
Мы обнаружили два эффекта, развивающихся в процессе обучения, которые могут способствовать Хеббовской пластичности, связывающей слуховые репрезентации псевдослов с ассоциируемыми движениями.
Во-первых, мы обнаружили реактивацию слухоречевых репрезентаций во время инициации движения. По-видимому, именно этот механизм создаёт условия для временного совпадения активаций в двух ассоциируемых репрезентациях — слуховой репрезентации речи и репрезентации моторной программы.
Во-вторых, мы обнаружили, что в процессе обучения возникает значительное усиление мощности бета-осцилляций во время и после выполнения моторного действия. Этот эффект включал в себя не только обычную бета-синхронизацию в сенсомоторных областях коры после движения, но и резкое увеличение мощности бета-колебаний во множестве ассоциативных областей коры. Мы полагаем, что такие бета-осцилляции представляют собой реверберационный механизм закрепления ассоциативной связи и защиты её от помех [3].
В дальнейших экспериментах мы расширили процедуру, и проводили процедуру обучения на протяжении двух последовательных дней, с ночным сном между двумя записями. Мы оценивали динамику мощности бета-осцилляций, сопровождающую как обучение новым псевдословам в первый день, так и повторение задачи после ночного сна на второй день. Связанная с событиями бета-синхронизация в лобных областях появлялась сразу после того, как правила были выучены в первый день, и не менялась ни после сна, ни после повторения во второй день. Таким образом, динамика префронтального бета-ритма отражала изменение в поведении: достигнув критерия обученности в первый день, участники продолжали практически безошибочно выполнять задачу на второй день. Напротив, связанная с событиями бета-синхронизация в задней височной и теменной коре непрерывно росла на протяжении всего второго дня, что, предположительно, играет роль в консолидации вновь выученных ассоциаций в долговременной памяти.
Таким образом, результаты наших исследований выявили комплекс физиологических механизмов пластичности человеческого мозга в когнитивной сфере.
Полный текст
Считается, что овладение семантикой слов речи основано на биологических механизмах ассоциативного обучения [1]. Однако текущее понимание мозговых механизмов обучения и памяти преимущественно базируется на простых моделях (включая модели на животных), в то время как механизмы обучения в когнитивной области остаются в значительной степени неизвестными. Семантическое обучение речи является хорошим примером таких когнитивных процессов, мозговые механизмы которых не могут быть легко объяснены на уровне простых нейронных сетей. В частности, до сих пор нет чёткого понимания ряда процессов, лежащих в основе такого обучения — включая механизмы, обеспечивающие корреляционное совпадение нейронных репрезентаций, необходимое для Хеббовской пластичности, реверберационное воспроизведение ассоциируемой репрезентации в рабочей памяти, вовлечение консолидации и т.д.
Чтобы исследовать эти вопросы, мы провели серию экспериментов, моделирующих семантическое научение словам, связанным с действиями. Мы использовали новую экспериментальную процедуру семантического научения, основанную на обучении методом проб и ошибок, в ходе которой участники активно приобретали ассоциации между псевдословами и действиями. Экспериментальная процедура включала презентации акустически выровненных псевдослов, которые были незнакомы участникам до начала эксперимента. Задача участников заключалась в выполнении движений конечностями (руками и ногами) в ответ на соответствующие псевдослова. Положительная или отрицательная обратная связь подавалась в каждой реализации в зависимости от действий участника. МЭГ регистрировали не только во время обучения, но и во время пассивного предъявления тех же псевдослов до и после обучения, что позволяло контролировать эффекты внимания и подготовки к движению. Мы анализировали связанные с событиями поля и осцилляции в бета-диапазоне.
Наши эксперименты показали, что кортикальная пластичность, связанная с обучением словам, может быть выявлена сразу после обучения, без какого-либо длительного времени для консолидации [2].
Мы обнаружили два эффекта, развивающихся в процессе обучения, которые могут способствовать Хеббовской пластичности, связывающей слуховые репрезентации псевдослов с ассоциируемыми движениями.
Во-первых, мы обнаружили реактивацию слухоречевых репрезентаций во время инициации движения. По-видимому, именно этот механизм создаёт условия для временного совпадения активаций в двух ассоциируемых репрезентациях — слуховой репрезентации речи и репрезентации моторной программы.
Во-вторых, мы обнаружили, что в процессе обучения возникает значительное усиление мощности бета-осцилляций во время и после выполнения моторного действия. Этот эффект включал в себя не только обычную бета-синхронизацию в сенсомоторных областях коры после движения, но и резкое увеличение мощности бета-колебаний во множестве ассоциативных областей коры. Мы полагаем, что такие бета-осцилляции представляют собой реверберационный механизм закрепления ассоциативной связи и защиты её от помех [3].
В дальнейших экспериментах мы расширили процедуру, и проводили процедуру обучения на протяжении двух последовательных дней, с ночным сном между двумя записями. Мы оценивали динамику мощности бета-осцилляций, сопровождающую как обучение новым псевдословам в первый день, так и повторение задачи после ночного сна на второй день. Связанная с событиями бета-синхронизация в лобных областях появлялась сразу после того, как правила были выучены в первый день, и не менялась ни после сна, ни после повторения во второй день. Таким образом, динамика префронтального бета-ритма отражала изменение в поведении: достигнув критерия обученности в первый день, участники продолжали практически безошибочно выполнять задачу на второй день. Напротив, связанная с событиями бета-синхронизация в задней височной и теменной коре непрерывно росла на протяжении всего второго дня, что, предположительно, играет роль в консолидации вновь выученных ассоциаций в долговременной памяти.
Таким образом, результаты наших исследований выявили комплекс физиологических механизмов пластичности человеческого мозга в когнитивной сфере.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Исследование проводилось в рамках государственного задания Министерства образования Российской Федерации (№ 073-00038-23-02 от 13.02.2023, «Исследования мозговых механизмов семантического научения с помощью магнитоэнцефалографии»).
Об авторах
Б. В. Чернышев
Московский государственный психолого-педагогический университет; Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва; Москва
К. И. Пульцина
Московский государственный психолого-педагогический университет
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва
В. Д. Третьякова
Московский государственный психолого-педагогический университет
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва
А. М. Разоренова
Московский государственный психолого-педагогический университет
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва
А. А. Павлова
Московский государственный психолого-педагогический университет
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва
Т. А. Строганова
Московский государственный психолого-педагогический университет
Email: b_chernysh@mail.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Pulvermuller F. Neural reuse of action perception circuits for language, concepts and communication // Progress in Neurobiology. 2018. Vol. 160. P. 1–44. doi: 10.1016/j.pneurobio.2017.07.001
- Razorenova A.M., Chernyshev B.V., Nikolaeva A.Y., et al. Rapid Cortical Plasticity Induced by Active Associative Learning of Novel Words in Human Adults // Frontiers in Neuroscience. 2020. Vol. 14. P. 895. doi: 10.3389/fnins.2020.00895
- Pavlova A., Tyulenev N., Tretyakova V., et al. Learning of new associations invokes a major change in modulations of cortical beta oscillations in human adults // Psychophysiology. 2023. Vol. 60, N 8. P. e14284. doi: 10.1111/psyp.14284
Дополнительные файлы
