Когнитивные функции человека: Главная страница

Автор: alexxlab · Опубликовано 28.12.1980 · Обновлено 03.11.2021

Содержание

Ученые рассказали, почему не стоит смотреть телевизор

Большая любовь к просмотру телепередач грозит ухудшением когнитивных функций и снижением объема серого вещества, предупреждают американские ученые. Все это потенциально повышает риски развития деменции. Подобный интеллектуально пассивный досуг исследователи предлагают заменить настольными и компьютерными играми или чтением.

Проводить слишком много времени перед телевизором опасно для мозга, показали сразу три исследования, представленных на онлайн-конференции Американского общества кардиологов. Долгий просмотр телепередач оказался способен приводить к ухудшению когнитивных функций и уменьшению объема серого вещества мозга.

Когнитивные функции позволяют человеку запоминать, думать, рассуждать, общаться и решать проблемы. По мере старения они постепенно ухудшаются, и сейчас, когда продолжительность жизни человека значительно возросла, когнитивные нарушения становятся серьезной проблемой для населения в целом — каждый год диагностируется более 7 млн случаев деменции.

Однако многие факторы, влияющие на когнитивные функции, связаны с образом жизни, и человек может контролировать их самостоятельно.

«Исследования показывают пользу физических упражнений для поддержания здоровья мозга, однако о потенциальном влиянии длительных малоподвижных занятий, таких как просмотр телевизора, на структуру и функции мозга, известно мало, — говорит профессор Келли Петти Габриэль из Алабамского университета в Бирмингеме. — На это важно обратить внимание, потому что другие исследования показали, что физическая активность и малоподвижный образ жизни могут по-разному влиять на здоровье. Переход на здоровый образ жизни в среднем возрасте, от 45 до 64 лет в контексте нашего исследования, может быть важным фактором для поддержания здоровья мозга в более поздние годы».

Участниками первого исследования стали почти 11 тыс. человек, средний возраст которых составил около 59 лет. В 1987-1989 и 1993-1995 годах они сообщали ученым, сколько времени уделяют просмотру телевизора. За время исследования привычки не поменялись более чем у половины участников. В 1996-1998 и 2011-2013 годах они также прошли тесты для оценки рабочей памяти, языковых навыков, скорости обработки информации и исполнительных функций.

%По сравнению с участниками, которые вообще не смотрели телевизор или делали это редко, у любителей телепередач когнитивные функции оказались хуже на 6,9%.

Однако с частотой случаев деменции это ухудшение оказалось не связано.

«Поддержание здорового образа жизни после 45 лет, в том числе ограничение времени просмотра телевизора, может быть важным фактором для сохранения здоровья мозга в более позднем возрасте», — заявила команда.

В исследовании специалистов Колумбийского врачебно-хирургического колледжа участвовал 1601 человек, средний возраст участников составил около 76 лет. Помимо самоотчетов о просмотре телевизора они также проходили МРТ мозга. У тех, кто проводил больше времени перед телевизором, наблюдалась более выраженная атрофия серого вещества мозга, которое важно для многих функций, включая управление мышцами, зрение, слух и принятие решений.

Также большие объемы серого вещества связаны с лучшими когнитивными навыками.

«Наши результаты свидетельствуют о том, что длительный просмотр телевизора, который можно отнести к одному из видов сидячего поведения, может быть связан со снижением когнитивных функций и ухудшением здоровья мозга, — говорит профессор Прия Палта, ведущий автор работы. — Борьба с сидячим образом жизни может стать важным фактором для поддержания здоровья мозга».

В третьей работе исследователи из Университета Джонса Хопкинса в Мэриленде тоже обнаружили связь между просмотром телевизора и объемом серого вещества.

Наблюдая на протяжении нескольких десятилетий за 5115 добровольцами, они установили, что увеличение среднего времени просмотра телевизора связано с уменьшением объемов серого вещества на 0,5%, что аналогично темпам ежегодной атрофии в пожилом возрасте.

«Новые данные показывают, что просмотр телевизора связан с когнитивными функциями и объемом серого вещества, — говорит ведущий автор одного из исследований Райан Догерти. — Учитывая, что биологические процессы, лежащие в основе деменции, как правило, начинаются в среднем возрасте, можно снизить риски, скорректировав поведение — например, отказаться от чрезмерного просмотра телевизора».

Все исследователи согласились, что необходимо определить модифицируемые модели поведения, такие как чрезмерный просмотр телевизора, на которые можно повлиять до развития когнитивных нарушений.

Сейчас просмотр телепередач стал крайне распространенным видом досуга, и исследователи опасаются, что он способен привести к серьезным проблемам.

«Это исследование очень своевременно и важно в разгар нынешней пандемии COVID-19, поскольку мы знаем, что люди проводят больше времени малоподвижно, например, за просмотром телевизора, — говорит доктор Митчелл Элкинд, президент Американской ассоциации кардиологов. — Просмотр телевизора — это всего лишь один из видов сидячего поведения, но на него очень легко повлиять, и это может иметь большое значение для поддержания и улучшения здоровья мозга».

Исследователи предлагают заменить просмотр телевизора развлечениями, требующими большего вовлечения когнитивных функций — например, настольных и компьютерных игр или чтением. Это не требует серьезных интеллектуальных или физических нагрузок, но помогает защитить мозг, поясняют они.

Ключевые умственные способности улучшаются с возрастом

Исследование ученых Медицинского центра Джорджтаунского университета сообщает хорошие новости: возраст не ухудшает, а улучшает когнитивные функции мозга. По крайней мере, те из них, что имеют наибольшее значение. Статья об этом опубликована в научном журнале Nature Human Behavior.

Ученые утверждают, что у пожилых людей улучшаются две ключевые функции мозга, те, что отвечают за анализ новой информации и помогают сосредоточиться на главном в конкретной ситуации. Эти функции лежат в основе работы памяти, принятия решений и самоконтроля. Они важны в навигации, владении математикой, языком и чтением.

«Эти результаты поразительны и важны для наших представлений о старении, – говорит ведущий автор работы Майкл Т. Ульман (Michael T. Ullman) из Университета Джорджтауна. – Люди полагают, что внимание и управляющие функции [мозга] снижаются с возрастом, … но результаты нашего большого исследования показывают, что важнейшие элементы этих способностей на самом деле улучшаются с возрастом. Вероятно, потому что мы практикуем эти навыки на протяжении всей жизни».

Исследовательская группа ученых из США и Португалии изучала когнитивные способности группы из 702 участников в возрасте от 58 до 98 лет. Ученые сосредоточились на исследовании предупреждающей, ориентирующей и исполняющей сетей мозга. Каждая из сетей имеет разные характеристики, работает в разных областях мозга и использует разные нейрохимические вещества и гены. Следовательно, рассуждали ученые, сети могут демонстрировать разные модели старения. Их дальнейшее изучение и преподнесло ученым сюрпризы.

Поясним, что сеть предупреждения характеризуется состоянием повышенной бдительности и готовности к реагированию на поступающую информацию. Сеть ориентации задействует ресурсы мозга для определения положения в пространстве. Исполнительная сеть отбрасывает отвлекающую или противоречивую информацию, позволяя сознанию сосредоточиться на самом важном в конкретных обстоятельствах.

«Мы постоянно используем все три сети, – объясняет Жуан Вериссимо (João Veríssimo) из Лиссабонского университета. – Например, когда вы ведете машину, сеть предупреждения отвечает за вашу повышенную готовность к приближению перекрестка. Сеть ориентирования задействуется, когда вы переключаете внимание на неожиданное движение, например, на проходящего пешехода. А исполнительная сеть мозга позволяет вам не отвлекаться на птиц или рекламные щиты, чтобы сосредоточиться на вождении».

Исследование показало, что с возрастом снижались только способности к предупреждению.

А способности к ориентированию и исполнительная функция, напротив, улучшались.

Ученые предполагают, что, поскольку сеть ориентации и исполнительная сеть – это просто навыки, то их можно улучшать с практикой на протяжении всей жизни. Ульман и Вериссимо предполагают, что польза от этой практики достаточно велика и она позволит перевесить возрастные нейронные нарушения.

По поводу же возрастного снижения бдительности мозга ученые считают, что эта способность является базовой для сознания и поэтому не может улучшиться с практикой.

«Из-за относительно большого числа участников и из-за того, что мы исключили множество альтернативных объяснений, результаты должны быть надежными и поэтому могут применяться довольно широко», – подчеркивает Вериссимо.

Так как ориентирующие и исполнительные навыки мозга лежат в основе множества форм поведения, выводы исследования могут использовать все, кто эти формы поведения изучает.

«Полученные данные не только меняют наше представление о том, как старение влияет на сознание, но также могут привести к клиническим улучшениям, в том числе для пациентов с нарушениями [процессов нормального] старения, такими как болезнь Альцгеймера», – говорит Ульман.

Добавим, что исследования когнитивных функций старшего поколения важны еще и по той причине, что, как правило, развитые страны, которые выделяют финансирование на такие исследования, также повышают возраст выхода своих граждан на пенсию.

Ранее мы писали о том, что найден способ вернуть памяти молодость и как старение мозга обернули вспять с помощью пересадки фекалий. А еще мы рассказывали, почему некоторые люди сохраняют прекрасную память до самой старости.

Больше интересных новостей науки и медицины вы найдёте в разделе «Наука» и «Медицина» на медиаплатформе «Смотрим».

The Lancet: после ковида глупеют

Чем тяжелей пациенты переносили COVID-19, тем сильнее у них было заметно ухудшение умственных способностей. Такой вывод авторы статьи из Королевского и Имперского колледжей Лондона сделали, проанализировав случаи более 80 тысяч человек

Фото: SIphotography/ru.depositphotos.com

Когнитивные способности переболевших ковидом снижаются. Об этом говорится в масштабном исследовании, опубликованном в авторитетном международном журнале The Lancet. Более того, заметное снижение уровня интеллекта может быть долгосрочным.

Семь баллов IQ — столько, по оценкам международной группы ученых преимущественно из Королевского и Имперского колледжей Лондона, теряют перенесшие ковид в тяжелой форме после выхода с ИВЛ. В рамках исследования ученые опросили 81 337 человек, в основном граждан Великобритании, и сопоставили результаты их стандартизированных тестов на когнитивные способности между здоровыми и переболевшими. После исключения факторов, связанных с возрастом, социальным статусом, финансовым положением и другими особенностями, оказалось, что мозг после ковида восстанавливается не полностью или как минимум не сразу — причем не только после ИВЛ. У людей, которым потребовалась госпитализация без использования ИВЛ, уровень интеллекта оказался в среднем на четыре балла IQ ниже нормы для их когорты, а переболевшие дома в легкой форме недосчитались трех баллов. Для понимания масштабов, в среднем взрослый человек теряет семь баллов IQ за десять лет жизни, а перенесенный инсульт обычно приводит к потере трех баллов.

С чем может быть связано столь серьезное влияние ковида на когнитивные функции? Комментирует научный сотрудник Института когнитивных нейронаук ВШЭ Айнур Рагимова:

Айнур Рагимова научный сотрудник Института когнитивных нейронаук ВШЭ

Длительность эффекта попытались оценить и исследователи — результаты можно назвать тревожными. Среди участников, которые уже перестали чувствовать другие симптомы последствий ковида, ученым не удалось выявить корреляции между когнитивными функциями и временем: у тех, кто переболел девять месяцев назад потери были примерно такими же, как и у недавно выздоровевших.

Может ли быть, что это навсегда? У профессора школы системной биологии Университета Джорджа Мейсона в США Анчи Барановой есть сомнения:

Анча Баранова профессор школы системной биологии Университета Джорджа Мейсона в США

Следует добавить, что семь баллов IQ после ИВЛ люди теряют в среднем — то есть кто-то может вообще ничего не потерять. Авторы работы отмечают, что для более точной оценки причин, масштабов и длительности ущерба для когнитивных функций после ковида потребуются дополнительные исследования.

Добавить BFM.ru в ваши источники новостей?

Здоровье: Наука и техника: Lenta.ru

Когнитивные способности человека могут ухудшиться даже после легкой формы COVID-19. К такому выводу пришли ученые, опубликовавшие соответствующую статью в журнале The Lancet.

В случае средней тяжести болезни последствия болезни сравнимы с инсультом. У тех, кто был подключен к аппаратам искусственной вентиляции легких (ИВЛ), снижение результатов мозговой деятельности оказалось эквивалентно семи пунктам IQ.

Материалы по теме

00:01 — 22 июля

00:01 — 28 июня

Больше всего от коронавируса страдает способность к логическим рассуждениям, планированию и концентрации внимания. К тому же уровень интеллекта не восстанавливается, предупреждают исследователи.

Ранее медицинский директор «СберЗдоровья» Владислав Мохамед Али рассказал «Ленте. ру», что коронавирус может поражать клетки головного мозга и вызывать когнитивные нарушения. «Многие люди после перенесенного вируса отмечают нарушение эмоционального состояния, нарушение памяти, рассеянность. Поэтому с началом пандемии существенно возрос спрос на услуги психологов и психотерапевтов», — сказал он.

При этом эксперт подчеркнул, что до конца не изучено, какие органы и системы организма страдают из-за коронавируса. «В каких-то случаях непонятно, является COVID-19 причиной или следствием поражения того или иного органа. Кроме того, вирус меняется, и разные штаммы по-разному влияют на течение болезни и могут сильнее «бить» разные органы и системы организма», — заключил он.

Врач-психотерапевт высшей категории Александр Федорович объяснил, что, как и любой вирус, коронавирус негативно сказывается на капиллярном кровотоке и оказывает влияние на центральную и периферическую нервную систему. Из-за ухудшения кровотока мозг фактически голодает, и любой человек, только что перенесший заболевание, быстро утомляется, и ему требуется больше времени на отдых. «Такие проблемы, как концентрация внимания, память и прочие формы вегетативного реагирования, абсолютно нормальны и ничего катастрофического здесь нет», — резюмировал эксперт.

Материалы по теме

00:01 — 11 июня

15:52 — 19 июля

Заведующий отделом клинической психологии научного центра психического здоровья Российской академии медицинских наук Сергей Ениколопов рассказал, что после ковида люди нередко жалуются на ухудшение памяти, а вот проблемы с концентрацией внимания встречаются гораздо реже. По словам Ениколопова, полное восстановление когнитивных функций может занять не меньше месяца.

Врач-терапевт высшей категории Алексей Водовозов отметил, что переболевшие могут страдать от постковидного синдрома от одного месяца до бесконечности, и примерно у трех четвертей переболевших он длится примерно от 4 до 12 недель. Для реабилитации медик рекомендовал физические нагрузки, в том числе ходьбу. В свою очередь, иммунолог Ирина Ярцева указала, что ряд симптомов постковидного синдрома связаны с последствиями стресса, который человек получает во время заболевания.

Ученые из американского Университета Джонса Хопкинса выяснили, что защитить когнитивные способности с помощью витаминов и минеральных добавок невозможно. После многолетнего изучения тысяч пациентов исследователи также пришли к выводу, что поливитамины не снижают риск сердечных заболеваний и не уменьшают количество повторных инфарктов и операций на сердце. Ученые отметили, что в здоровой пище достаточно всех необходимых для жизнедеятельности микроэлементов.

Психиатры объяснили, как коронавирус влияет на когнитивные функции человека

Казахстанские эксперты объяснили, как коронавирусная инфекция влияет на психическое состояние человека.

Обычно это проявляется после того, как человек переболеет. Зачастую когнитивные функции нарушаются у тех, кто переболел тяжёлой формой КВИ, рассказал национальный консультант по психическому здоровью в Казахстане Николай Негай.

Врач отметил, что когда началась пандемия, в первую очередь на психическое состояние людей повлияли социальные причины.

«Локдауны, потеря работы, изменение образа жизни, дистанционная работа – всё это оказало достаточно серьёзное влияние. Тогда мы уже начали говорить о частых нарушениях сна, о тревоге, панических атаках, посттравматическом стрессовом синдроме, который, мне кажется, знаком каждому казахстанцу, потому что об этом постоянно говорят. Во всём мире достаточно серьёзная ситуация», – сказал Николай Негай.

Covid-19 обладает нейротропным действием, влияя на нервные клетки. По словам специалиста, влияние антител приводит к летальной реакции иммунной системы, нарушается барьер между кровеносной системой и центральной нервной системой.

«Также сам вирус может повреждать внутреннюю стенку кровеносного сосуда, и это приводит к определённым васкулярным нарушением, в том числе в центральной нервной системе. Следующая причина: за счёт респираторного синдрома, когда у нас концентрация кислорода падает, наша центральная нервна система сильно реагирует на это. И это тоже может сказаться на тех или иных проявлениях», – добавил он.

Читайте также: Доцент кафедры эпидемиологии Кипшакбаев: Из-за Covid-19 обоняние не теряется, но вирус стирает память о запахах

Высшие мозговые функции и старость: мифы и реальность

«Уж я стара, тупеет разум, Таня» -говорит няня Татьяне Лариной. Мы не знаем, сколько ей было лет. Ее прототипу, няне Пушкина, Арине Родионовне, когда родился поэт, исполнилось 41.

Все мы боимся угасания умственных способностей с возрастом. И когда нам исполнится (а, может, еще и не исполнится) 45+ пугаемся, если вдруг замечаем, что не можем вспомнить имя хорошо знакомого человека. Или запамятовали телефон родственника, который знали наизусть. Или не можем подобрать нужное слово в разговоре, и позорно тянем «э-э… это…».

Как относиться к первым звоночкам надвигающейся старости? Принять как неизбежное зло? Или попытаться что-то ей противопоставить? Вообще, неизбежно ли угасание с возрастом умственных способностей?

Об этом пойдет речь в статье, предлагаемой вашему вниманию.

Лидия Хорошинина,

доктор медицинских наук, профессор кафедры геронтологии и гериартрии СПб медицинской академии последипломного образования

Высшие мозговые функции и старость:

мифы и реальность

К высшим мозговым функциям человека относят память, внимание, речь, интеллект, целенаправленную двигательную активность, целостное восприятие. Для человека в любом возрасте страшны возникающие проблемы с высшей мозговой деятельностью, поскольку они могут уничтожить личность в прямом смысле этого слова, например, если речь идет о деменции (безумии) т. е. о приобретенной форме слабоумия, которая связана с ослаблением интеллектуальных способностей, эмоциональным обеднением личности, затруднением использования прошлого жизненного опыта.

От легкой забывчивости до старческого слабоумия

. Снижение когнитивных способностей (высших мозговых функций) может возникать у людей в разных возрастных группах и проявляться:

1. синдромом субъективной забывчивости

2. синдром легких когнитивных нарушений

3. деменцией, т.е. слабоумием.

Если речь идет о забывчивости как о болезни, то важно наличие жалоб у человека на снижение памяти и умственной работоспособности, подобного рода проблемы всегда является настораживающим моментом, поскольку в их основе могут лежать функциональные или органические причины. Вначале забывчивость касается малозначимых проблем: возникают трудности в запоминании имен новых знакомых и подборе слов в разговоре, или при пересказе содержания только что прочитанной книги или просмотренной телепередачи… В дальнейшем, забывчивость приобретает прогрессирующий характер и постепенно распространяется на все события жизни, при этом память на недавние события страдает в большей степени, чем на события молодости и детства.

Лёгкие когнитивные расстройства — это состояние, при котором имеющиеся нарушения высших мозговых функций выходят за пределы возрастной нормы, но не достигают выраженности слабоумия (деменции): при этом когнитивные расстройства не приводят к утрате независимости и самостоятельности человека. При легких когнитивных расстройствах типичными являются жалобы на повышенную забывчивость, снижение концентрации внимания, трудности в подборе нужного слова, нарушение ориентировки в незнакомой местности… При обследовании выявляется снижение памяти, нарушение серийного счёта, пространственные дефекты в рисунке (например, в пробе на рисование часов), неспособность человека называть своими именами предъявляемые различные предметы или их изображения, часто — тревога или депрессия. Согласно Канадскому эпидемиологическому исследованию, распространённость синдрома лёгких когнитивных расстройств в группе людей старше 65 лет составляет 15-20%, при этом в 60-80% случаев когнитивные нарушения в течение 5 лет переходят в деменцию. Факторами повышенного риска прогрессирования когнитивных расстройств с переходом в деменцию являются:

· пожилой и старый возраст

· низкие результаты специальных тестов, выполняемые взрослыми людьми во всех возрастных группах

· быстрый темп нарастания атрофии ткани головного мозга, выявляемый при проведении компьютерной или магнитно-резонансной томограммы

· отягощенный наследственный анамнез по деменции

· носительство особого гена (АПОЕ 4) .

Синдром лёгких когнитивных расстройств выявляется на начальных стадиях болезни Альцгеймера, сосудистой или смешанной деменции, а также деменции с тельцами Леви, реже является началом болезни Паркинсона. В 20-40% случаев лёгкие когнитивные расстройства носят стабильный или медленно прогрессирующий характер.

Деменция – это клинический синдром, в структуру которого входят прогрессирующие нарушения памяти и других когнитивных функций, развивающиеся в результате приобретенного заболевания головного мозга. Множественные когнитивные нарушения, протекающие с нарушением памяти, речи, психомоторных функций, восприятия, интеллекта, приводят к существенному снижению профессиональной, социальной или бытовой компетентности человека, определяют полную или частичную утрату независимости и самостоятельности пациента и обуславливают необходимость в постороннем уходе. Как и синдром легких когнитивных расстройств, деменция развивается при разнообразных повреждениях и заболеваниях головного мозга, в частности, у больных с болезнью Альцгеймера, хронической сосудистой мозговой недостаточностью.

Известно упрощенное представление о том, что деменция – это расстройство памяти. Действительно при наиболее частых причинах развития деменции на первый план выступают прогрессирующие нарушения памяти на текущие события. Однако на развернутых стадиях деменции расстройства памяти обычно сочетаются с нарушениями речи, интеллекта и других психических функций.

Нарисуйте часы

В общей медицинской практике используются методы, позволяющие доказать наличие когнитивных нарушений у пациентов, например, часто используется тест на цифровую последовательность или тест связывания чисел (рис. 1), когда пациенту предлагается последовательно соединить линией цифры от 1 до 25. Оценка теста на цифровую последовательность зависит от скорости выполнения задания:

· нарушений когнитивных функций нет, если задание выполнено менее чем за

40 сек

· имеются латентные нарушения — при выполнении задания за 40-60 сек

· отмечаются явные нарушения различной степени выраженности — при выполнении задания от 60-90 сек до 150 сек и более.

Рисунок 1 Тест на цифровую последовательность

Простым и чувствительным методом выявления когнитивных расстройств в пожилом возрасте является тест рисования часов, когда пациента просят самостоятельно нарисовать

на нелинованной бумаге круглые часы с цифрами на циферблате и расположить стрелки в соответствии с заданным временем, например, указать время тринадцать сорок пять. При отсутствии клинически значимых проблем с высшей мозговой деятельностью это задание не вызывает затруднений (рис. 2), при наличии проблем — тест рисования часов либо не выполняется вовсе, либо выполняется с ошибками (рис.3).

Рисунок 2. Тест рисования часов: нарисован круг, цифры располагаются в правильных местах, стрелки показывают заданное время, т.е. норма.

Рисунок 3. Наличие расстройств высшей мозговой деятельности.

Важно отметить, что тестирование синдрома деменции или синдрома лёгких когнитивных расстройств является лишь предварительным этапом. Для уточнения диагноза необходимо наблюдение специалиста, который на основании жалоб пациента или его родственников, данных неврологического осмотра, оценки когнитивного статуса и результатов инструментального обследования выставит или уточнит диагноз и назначит соответствующее лечение.

Профилактика возможна

До сих пор существует мнение о том, что прогрессирование когнитивных нарушений у людей в старших возрастных группах остановить невозможно. Действительность заключается в том, что возможна профилактика нарастания когнитивных нарушений, в том числе и у людей старше 60 лет, особенно на этапе лёгких когнитивных нарушений, когда эффективные профилактические мероприятия могут отсрочить развитие деменции. Для профилактики нарастания когнитивных расстройств важно максимальное уменьшение риска развития кислородного голодания ткани головного мозга (адекватное лечение повышенного или пониженного артериального давления, ишемической болезни сердца, нарушенного липидного обмена, компенсация сахарного диабета и других заболеваний и состояний). Важным направлением в профилактике нарушений высшей мозговой деятельности является назначение лекарственных препаратов, влияющих на когнитивные способности человека.

Существует мнение о том, что снижение когнитивных способностей возникает только у пожилых и старых людей, молодые люди такого рода проблем не имеют. Действительно, у людей старше 60 лет деменция является следствием болезни Альцгеймера, хронической сосудистой мозговой недостаточности или сочетания дегенеративных и сосудистых проблем. Однако в настоящее время известен не один десяток заболеваний и состояний, при которых формируется синдром деменции у людей в разных возрастных группах, в том числе и у молодых . Примером таких заболеваний или состояний могут быть обменные нарушения , такие как гипотиреоз, печеночная и почечная недостаточность, дефицит витамина В 12 и фолиевой кислоты, дегенеративные и сосудистые заболевания, алкоголизм, депрессия, отравления тяжелыми металлами, длительный прием некоторых лекарственных препаратов (например, психотропных и холинолитиков).

Миф о том, что деменция возникает практически у всех пожилых и старых людей, опровергается информацией о распространенности этого заболевания не только среди пожилых и старых людей. Деменция встречается в любом возрасте, но, частота ее различна, даже в группе людей пожилого и старческого возраста. По данным иностранных авторов максимальная частота деменции выявляется среди долгожителей, при этом наибольший риск развития деменции отмечен среди пациентов, имевших родственников со слабоумием. Частота установления диагноза деменции у людей в старших возрастных группах следующая:

¾ 5,0 % среди людей 65-69 лет

¾ 9, 0 % среди 70-74 летних людей

¾ 12,0% среди людей 75-79 лет

¾ 24,0 % среди людей 80 — 90 лет.

Умный супруг способствует сохранности интеллекта

В настоящее время существует много мифов относительно когнитивных возможностей у пожилых и старых людей, сохранных как физически, так и психически. В частности, широко распространено предположение о том, что при старении наблюдается неизбежное снижение умственных способностей индивидуума. Реальность заключается в поразительных возможностях мозга конкретного пожилого человека. Эти возможности значительно отличаются от усредненных показателей в соответствующей возрастной группе. Большинство людей сохраняют свои умственные способности, по крайней мере, до 70 лет, а многие пожилые люди преодолевают 70-летний рубеж в здравом уме и твердой памяти. Работами ряда исследователей показано, что важную роль в этих случаях играют генетические факторы и, в меньшей степени, окружающая среда. Помимо генетических предпосылок, сохранению интеллекта в пожилом возрасте способствует:

· высокий уровень образования

· стиль жизни, отличающийся разнообразием и стимулирующий умственную деятельность

· гибкость ума и готовность к импровизации

· брак с интеллектуально развитым партнером.

Преждевременному угасанию интеллекта способствуют:

· стрессовые состояния, в том числе и неудовлетворенность жизнью, т.к. умственные способности человека часто определяются эмоциональным комфортом личности, например когнитивные способности ухудшаются у людей тревожных, недовольных складывающимися обстоятельствами.

· жесткое следование установленному распорядку жизни

· снижение или ограничение социальных контактов

· высокий риск развития ишемии мозга у людей с декомпенсацией сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета, при других заболеваниях и состояниях.

Тренируйте память с удовольствием

Существует устойчивый миф о необходимости тренировки памяти (чтение, разгадывание кроссвордов, заучивание стихов.), с тем, чтобы сохранить ее в старости. В настоящее время не выявлено прямой связи между умственной активностью по принуждению и состоянием памяти, т. к. доказано, что бесперспективно подвергать мозг нагрузкам, которые не приносят удовлетворения, в этом случае важно иное — человек должен получать новые впечатления, заниматься деятельностью, вызывающей его интерес. Установлено, например, что простое наблюдение за событиями не ведет к образованию новых нейронных связей, в качестве примера можно привести результаты психологического тестирования, которые оказались более высокими у людей, читавших книги с интересом, по сравнению с теми, кто заглядывал в книги только для того, чтобы «не терять форму».

Известен миф о том, что в старости поздно учиться. Реальность заключается в больших возможностях стареющего мозга, егособности к восстановлению даже уже сниженных функций. (м.б. пример — человек выучил датский в 80 лет).

одтверждением могут служить наблюдения за пожилыми людьми с заболеваниями, вызвавшими снижение когнитивных функций, когда применение специальных методик обучения приводило к значительному улучшению умственных способностей, при этом приобретенные навыки сохранялись в течение длительного времени

Как много пользы для ума дает…физическая нагрузка

Достаточно часто проблемы старого человека, обусловленные соматическими (телесными) заболеваниями, экстраполируются окружающими людьми на его когнитивные функции. Действительно существующая сниженная физическая активность, переедание или соматические заболевания (ишемическая болезнь сердца, повышенное или пониженное артериальное давление, декомпенсированный сахарный диабет и др.), способны вызвать или усугубить недостаточное снабжение кислородом тканей головного мозга и тем самым отрицательно повлиять на умственные способности человека. Однако, нередко другие болезни тела, оперативные вмешательства, которые переносит старый человек, усугубляют его взаимоотношения с родственниками, которые пытаются экстраполировать соматические проблемы больного на его когнитивные способности.

Многие люди не знают о том, что компенсация имеющихся у них хронических заболеваний, реализация принципов здорового образа жизни препятствуют снижению когнитивных способностей человека в любом возрасте, в том числе и старом. Например, хорошо известно благотворное влияние физических нагрузок на тело человека, но мало кто знает о благотворном влиянии посильных физических упражнений на мыслительные способности здоровых и больных, молодых и старых людей. Пожилые люди, постоянно использующие умеренные физические нагрузки (ежедневная 30-минутная прогулка в «комфортном» темпе) и правильное дыхание (вдох на протяжении тр

ех шагов, выдох – на четыре последующих шага), показывают более высокие результаты психодиагностических тестов по сравнению с ровесниками, которые физкультурой не занимаются. Следует отметить, что по мере увеличения физических нагрузок уровень оценок вышеуказанного тестирования начинает снижаться.

Старый человек –мудрый человек?

Широко распространено мнение о снижении аналитических способностей у пожилых и старых людей. Далеко не во всех культурах старость связывается со слабоумием, так, на Востоке с древних времен к старикам относились с почтением, считая их мудрецами. Если рассматривать мудрость как умение анализировать, т.е. воспринимать потоки информации, дифференцировать их по степени важности, отличать главное от второстепенного, эффективно использовать полученные сведения и определять верную стратегию для решения конкретной проблемы, то мудрый человек должен обладать такими качествами личности, как проницательность, здравость суждений, умение видеть перспективу, способность взвешенно подходить к проблемным вопросам и предлагать правильные решения. Показано, что пожилые люди чаще, чем молодые, принимают верное решение, хотя времени для принятия решения первым требуется больше, чем вторым, т.е. конечный результат аналитической деятельности стареющего человека свидетельствует об эффективной работе его мозговых структур. Так, может быть, это молодой мозг уступает зрелому мозгу, компенсируя быстротой реакции свою неопытность в решении бытовых и профессиональных проблем? Конечно, речь идет о ситуациях, где требуется не сила и быстрота реакции мышечной системы, а включение высших мозговых функций.

Все вышеизложенное позволяет утверждать, что представление обо всех пожилых и старых людях, именно как о пациентах, обязательно имеющих проблемы с высшей мозговой деятельностью, не соответствует действительности. В нашем обществе живут и больные люди, страдающие забывчивостью, имеющие лёгкие когнитивные расстройства, деменцию, и люди, сохранившие здоровье после 60 лет. Когнитивные способности стареющих людей, не имеющих проблем с высшей мозговой деятельностью, не хуже и не лучше когнитивных возможностей молодых людей — они просто другие. В определенных ситуациях в проигрыше оказываются не старые, а именно молодые люди, которым приходится компенсировать быстротой работы мозга недостаток информации, отсутствие опыта и житейской мудрости. Тем, не менее, в современной России приходится говорить о профессиональной, социальной дискриминации людей предпенсионного и пенсионного возраста именно в связи с мифом о возрастном угасании когнитивных способностей.

В заключении хотелось привести стихи известной Санкт-Петербургской поэтессы Нины Петровны Андреевой (2007), написанные на международной конференции е «Женщины меняющие мир», под впечатлением прослушанного доклада на секции 45+:

Все, все, о чем здесь говорили,

Теперь нам будем помогать –

Ведь в нас уверенность вселили,

Что старость можно обуздать.

Рецептов выдали немало:

Чтоб интеллект ваш не угас,

Дружите с интеллектуалом

Хоть старше, хоть моложе вас.

Коль есть у вас болезни тела,

Не значит, что и мозг болит,

Поэтому лечитесь смело

Так, как доктор вам велит.

Рабом не будьте распорядка,

Учитесь хоть чему-нибудь!

Не забывайте про зарядку,

Это не значит – «спину гнуть».

И стрессов не пугайтесь тоже,

Умейте их одолевать.

Стресс бьет и тех, кто вас моложе,

А вам всего лишь … сорок пять (+).

ФСИ объявляет о старте конкурсов по направлению «Искусственный интеллект» в рамках национальной программы «Цифровая экономика»

Конкурсы направлены на отбор и финансовую поддержку проектов по следующим направлениям (лотам):

компьютерное зрение;
обработка естественного языка;
распознавание и синтез речи;
интеллектуальные системы поддержки принятия решений;
перспективные методы искусственного интеллекта.

Проект должен соответствовать критериям определения принадлежности к проектам в сфере искусственного интеллекта, установленным Министерством экономического развития Российской Федерации (скачать):

В рамках конкурса будут поддержаны только технологические решения, позволяющие имитировать когнитивные функции человека (включая самообучение и поиск решений без заранее заданного алгоритма) и получать при выполнении конкретных задач результаты, сопоставимые, как минимум, с результатами интеллектуальной деятельности человека.

Конкурс «Старт – Искусственный интеллект» реализуется в целях создания новых и поддержки существующих малых инновационных предприятий, стремящихся разработать новую продукцию, сервисы и (или) решения с использованием технологий искусственного интеллекта.

Программа «Старт-ИИ» направлена на создание новых и поддержку существующих малых инновационных предприятий, находящихся на начальной стадии развития.
Для отбора проектов проводится 2 этапа конкурса:

Конкурс «Старт-ИИ-1»

Конкурс «Старт-ИИ-2»

Подробные условия и порядок участия находятся в Положении о конкурсе «Старт-ИИ» (скачать).

Конкурс «Старт – Искусственный интеллект-1»

Конкурс «Старт – Искусственный интеллект-2»

Конкурс «Развитие-ИИ» ориентирован на поддержку предприятий, которые имеют положительную деловую репутацию и опыт продаж наукоемкой продукции на рынке, но имеют потребность проведения дополнительных НИОКР, в целях реализации проектов по разработке и применению продуктов, сервисов и (или) решений в области искусственного интеллекта.

Подробные условия и порядок участия находятся в Положении о конкурсе «Развитие-ИИ» (скачать).

Конкурс «Развитие – Искусственный интеллект»

Подать заявку можно через систему АС Фонд-М по адресу: https://online.fasie.ru.

Консультационная поддержка по вопросам участия в программах ФСИ в Калужской области: Цепенко Алина Викторовна 8(484) 394-24-90 (г. Обнинск, АО «Агентство инновационного развития – центр кластерного развития Калужской области») [email protected]

По вопросам заполнения заявок обращайтесь в КОНСУЛЬТАЦИОННУЮ ПОДДЕРЖКУ ФОНДА: +7 (495) 231-19-06 или закажите обратный звонок, также вы можете написать ваши вопросы в чат на сайте Фонда.

В случае технических проблем просим обращаться в службу технической поддержки: [email protected], тел.: +7 (495) 231-19-06 доб. 196 (с 9:00 до 13:00 и с 14:00 до 18:00 в рабочие дни, время московское).

Функции человеческого мозга и CogniFit

Какова функция мозга?

Функции мозга как части центральной нервной системы (ЦНС) заключаются в регулировании большей части нашего тела и разума. Это включает в себя жизненно важные функции, такие как дыхание или частоту сердечных сокращений, до основных функций, таких как сон, еда или сексуальный инстинкт, и даже высшие функции, такие как мышление, запоминание, рассуждение или разговор. Чтобы выполнить любую, казалось бы, простую задачу, наш мозг должен выполнить тысячи процессов, чтобы гарантировать, что мы правильно выполнили задачу.Правильная работа мозга — залог здорового образа жизни.

На страницах нашего мозга мы упоминаем, что основные жизненно важные функции измеряются самыми старыми структурами мозга. Другими словами, это структуры, расположенные в заднем мозге (продолговатый мозг, мост, мозжечок) и в среднем мозге. Однако высшие функции мозга, такие как рассуждение, память и внимание, контролируются полушариями и долями, которые составляют часть коры. Хорошая стимуляция может помочь улучшить состояние различных когнитивных навыков (Finisguerra et al., 2019).

Что такое когнитивные функции?

Когнитивные функции — это умственные процессы, которые позволяют нам получать, выбирать, хранить, преобразовывать, развивать и восстанавливать информацию, которую мы получили от внешних стимулов. Этот процесс позволяет нам понимать мир и более эффективно взаимодействовать с ним.

Мы постоянно используем наш мозг — невозможно сделать что-либо без , используя хотя бы некоторые из наших когнитивных функций. Например, вы хотите завтрак? Думаете начать книгу? Вам нужно куда-нибудь ехать? У вас интересный разговор с друзьями?

Каковы основные когнитивные функции?

Часто, когда мы говорим о превосходных когнитивных функциях, мы имеем в виду когнитивные навыки, которые мы используем, чтобы понимать мир и взаимодействовать с ним.Хотя иногда мы изучаем их как отдельные идеи, мы должны помнить, что когнитивные функции всегда взаимосвязаны и что иногда они пересекаются. Мы рассмотрим основные функции мозга:

ВНИМАНИЕ: Внимание — это сложный психический процесс, который нельзя свести к одному простому определению, одной конкретной анатомической структуре, и который нельзя оценить с помощью одного теста, поскольку он включает разнообразные процессы. Чтобы упростить, внимание — это когнитивная функция или функция мозга, которую мы используем для выбора между стимулами, которые достигают нашего мозга одновременно, как внешними (запахи, звуки, изображения)…) и внутренние (мысли, эмоции …), полезные для осуществления умственной или двигательной деятельности. На самом деле это целый набор процессов, которые различаются по сложности и позволяют нам хорошо выполнять остальные наши когнитивные функции. Согласно Sohlberg и Mateer (1987; 1989), внимание можно разбить на разные типы в зависимости от его сложности.

ПРИЦЕПНОЕ ВНИМАНИЕ: Бдительность. Способность реагировать на раздражитель.

УСТОЙЧИВОЕ ВНИМАНИЕ: Способность удерживать внимание в течение не менее 3 минут.Это то, что мы чаще называем «концентрацией». Когда мы читаем книгу, мы концентрируемся.

ВЫБОРНОЕ ВНИМАНИЕ: Способность, которая позволяет нам удерживать внимание на задаче и не отвлекаться от окружающей нас среды, например, фоновый шум или действия. Следуя предыдущему примеру, избирательное внимание позволяет нам читать книгу, слушая музыку или телевизор.

ПЕРЕМЕННОЕ ВНИМАНИЕ: Умственная гибкость, которая позволяет нам плавно менять фокус с одной задачи на другую.Например, когда мы читаем и звучит песня, которая нам нравится, мы можем остановиться на мгновение, пока слушаем или поем, а затем быстро возвращаемся к книге, на которой остановились.

РАЗДЕЛЕННОЕ ВНИМАНИЕ: Возможность одновременно отвечать на несколько задач или выполнять две задачи одновременно. Например, когда мы разговариваем с другом, когда пишем кому-то сообщение, или когда мы говорим по телефону во время готовки.

Нет ни одной анатомической структуры, отвечающей за внимание, но на самом деле в этом процессе задействованы различные схемы.Согласно Познеру и Петерсену (1990), существуют еще три системы:

Ретикулярная активирующая система (РАС) или система возбуждения: Это состояние или базовый уровень сознания, который оптимизирует обработку сенсорных стимулов, которые достигают головного мозга. кора. Он состоит из ретикулярной системы активации, таламуса, лимбической системы, базальных ганглиев и лобной коры.

Система заднего внимания: Позволяет ориентировать и локализовать раздражители, особенно визуальные.Он используется для восприятия, визуально-пространственного внимания, обработки новой информации … Основные структуры, связанные с ним, находятся в задней теменной коре, латеральном пульвинаре, гиппокампе и передней поясной извилине.

Передняя система внимания: Позволяет направить наше внимание на действие. Он регулирует и контролирует выполнение сложных познавательных задач. Эта система составляет часть передней поясной извилины, дорсолатеральной префронтальной коры, орбитально-лобной коры, неостриатума, надземной моторной области и вентральной тегментальной области.

ПАМЯТЬ: Память — это сложный процесс, который позволяет нам кодировать, хранить и восстанавливать информацию. Если система внимания не работает должным образом, мы не будем столь же эффективны в выполнении таких задач. Если мы не обращаем внимания на что-то, мы не можем кодировать, хранить или восстанавливать эту информацию. Чтобы понять память, мы можем классифицировать ее по двум критериям:

— Оперативная или рабочая память: краткосрочная пассивная система хранения, которая позволяет нам работать с информацией.Например, когда мы пытаемся вспомнить номер телефона перед тем, как записать его на листе бумаги.

2- ОБЛАСТИ, НА КОТОРЫХ РАБОТАЕТ ПАМЯТЬ:

Декларативная (явная) память: Относится к воспоминаниям, которые могут быть вызваны сознательно.

-Episodic: автобиографическая память, которая позволяет нам вспоминать концепции и события из нашего прошлого. Например, куда мы ездили отдыхать в прошлом году? Когда я закончил учебу? Когда я вышла замуж?

-Семантический: это воспоминание ссылается на то, что мы узнали, и на наши общие знания о мире.Какая столица Франции? Что такое квадратный корень?

Медиальная височная доля и промежуточный мозг являются структурами, связанными с этим типом памяти.

Недекларативная или имплицитная память: Относится к подсознательным воспоминаниям и некоторым навыкам, таким как езда на велосипеде или катание на коньках. Неокортекс, миндалевидное тело (когда задействованы эмоции), полосатое тело и рефлекторные дуги.

Мы также должны иметь в виду, что зоны хранения находятся в височных долях, но более стратегические компоненты больше связаны с лобными долями.(См. Изображение ниже)

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ: Исполнительные функции — самые сложные когнитивные функции. Хотя существуют разные определения когнитивных функций, большинство из них включают контроль познания, а также контроль мысли и поведения посредством различных связанных процессов. Они включают в себя набор сложных навыков, таких как концентрация внимания, планирование, программирование, регулирование и проверка намеренного поведения. Исполнительные функции расположены в лобной доле. Согласно Лезаку, эти функции можно сгруппировать в ряд компонентов:

— Как мы воспринимаем наши отношения с миром

2 — Стратегии планирования для достижения целей:

— Когнитивная гибкость или способность создавать альтернативы. мысли

-Возможность оценивать различные возможности и выбирать одну из них для управления поведением

3-Навыки, используемые при выполнении поведения:

-Возможность просто и аккуратно запускать, поддерживать и упорядочивать поведения.

4-Способности к эффективному осуществлению поведения или деятельности:

-Поведенческое саморегулирование

Без исполнительных функций мы не смогли бы прожить день. Мы подсознательно используем эти функции постоянно и для каждой деятельности, которую мы делаем. Например, когда мы уезжаем в отпуск и нам нужно спланировать поездку: выбрать, куда поехать, сколько у нас времени и что мы можем в это время сделать? Какой маршрут выглядит наиболее интересным? Каким транспортом мы будем пользоваться? Даже такая простая вещь, как приготовление пищи, требует управляющих функций: от выбора продуктов и посуды, которые мы будем использовать, до наблюдения за кастрюлями и сковородками, определения времени приготовления, следуя рецепту в правильном порядке… Например, если нам нужно приготовить омлет, мы сначала должны добавить овощи, затем взбить яйца, а затем приготовить.

ЯЗЫК: Язык — это система символической коммуникации, которая представлена посредством языков. Язык важен не только для общения с другими людьми, но и для структурирования наших внутренних мыслей. Обработка речи использует разные области мозга, которые действуют вместе через разные функциональные системы, особенно с левым полушарием. Мы могли бы говорить о двух областях коры, которые отвечают за выражение и восприятие языка, в основном в левом полушарии головного мозга:

ЗОНА ВЫРАЖЕНИЯ 1 ЯЗЫКА: Включает в себя различные области коры головного мозга.

— Префронтальная область: Участвует в мотивационных процессах языка. Здесь начинается как устное, так и письменное общение (связанное с исполнительными функциями).

— Площадь Брока: Находится в левой лобной доле. Это связано с производством речи и обработкой разговорной речи.

-Первичная моторная кора: Начинает движения, чтобы начать произносить слова, и движения, чтобы направлять письмо.

2-ЯЗЫЧНАЯ ОБЛАСТЬ ПРИЕМА: Включает:

-Затылочную долю: Позволяет нам идентифицировать лингвистические изображения.

-Теменная доля: Отвечает за объединение зрительных и слуховых стимулов.

— Левая височная доля: Отвечает за синтез и понимание разговорных звуков. Он интегрирован в: Зона Хелша (первичная слуховая зона. Она принимает звуки, чтобы кодировать их в мультимодальной зоне) и Зона Вернике (относящаяся к пониманию языка. Она придает значение этим воспринимаемым звукам.)

Помимо из областей коры другие области также важны для правильной языковой функции.Взаимосвязь между этими корковыми областями с другими подкорковыми структурами, такими как дугообразный пучок (соединяет область Брока с областью Вернике), таламус (важен для регуляции языка, поскольку он соединяет симпатические с выразительными областями), пульвинарное ядро и коленчатое, базальные ганглии и мозжечок (который влияет на беглость речи, ритм и тон) и т. д.

ВИЗУАЛЬНО-ВОСПРИЯТИЯ И ВИЗУАЛЬНО-ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ: Зрительно-перцептивные функции — это функции, которые позволяют нам распознавать и различать стимулы.Они помогают нам интерпретировать, атрибутировать и связывать то, что мы видим, с известными категориями и интегрировать их в наши знания. Когда эти функции работают должным образом, мы можем распознавать лица друзей и членов семьи или различать ключи, шляпу и расческу.

Визуально-пространственные функции используются для анализа, понимания и управления пространством, в котором мы живем (будь то в двух или трех измерениях). Эти функции включают в себя такие процессы, как мысленная навигация, восприятие расстояния и глубины, визуально-пространственное построение и мысленное вращение.Мы используем визуально-пространственные функции, когда читаем карту, ориентируемся в городе или оцениваем расстояния.

Если левое полушарие является доминирующим для языковых задач, правое доминирует в восприятии. Пространственный анализ, распознавание лиц, распознавание карт или объектов, обработка музыки, сомаэстетические ощущения, мимика лица и двигательная активность, не требующая вербального контроля, преимущественно регулируются затылочными и теменными долями правого полушария и их связями с остальными частями. мозг.

Почему мы используем функции мозга?

В течение всего одного дня мы постоянно задействуем наши мозговые функции. Выполняются тысячи задач, требующих миллионов сложных мысленных вычислений из разных частей мозга. Здесь мы покажем вам несколько примеров того, как вы будете ежедневно использовать эти когнитивные навыки и церебральные функции для выполнения множества задач.

Приготовление еды полезно для вашего мозга? Когда вы готовите, вы должны одновременно смотреть на разные кастрюли и сковороды, одновременно обслуживая гостей и рецепт.
Провести встречу? Правильное проведение деловой или семейной встречи — сложная задача. Это требует, чтобы ваш мозг активировал определенные нейронные сети и церебральные функции, связанные с вниманием, концентрацией, активным слушанием, скоростью реакции и т. Д.
Запустить воздушного змея? Большинство людей полагают, что расслабление происходит естественно, но вы не сможете этого добиться без некоторых ключевых когнитивных способностей.
Водить машину? Даже если вы опытный водитель, чтобы быстро и безопасно добраться до места назначения, требуются навыки, концентрация и широкий спектр когнитивных способностей.
Познакомиться с друзьями? Жизнь была бы одинокой без когнитивных навыков, которые позволяют нам встречаться и приветствовать друг друга.

Ссылки: Finisguerra, A. Borgatti, R., Urgesi, C. (2019). Неинвазивная стимуляция мозга для реабилитации детей и подростков с нарушениями развития нервной системы: систематический обзор. Front Psychol. т. 10 (135). • Познер, М. И. и Петерсен, С. Э. (1990). Система внимания человеческого мозга.Ежегодный обзор нейробиологии, 13, 25-42. • Зольберг, М. М. и Матир, К. А. (1987). Эффективность программы тренировки внимания. Журнал клинической и экспериментальной нейропсихологии, 9 (2), 117-130. • Зольберг, М. М. и Матир, К. А. (1989) Введение в когнитивную реабилитацию. Нью-Йорк: Гилфорд.

Человеческое познание — обзор

Введение

Зрение занимает центральное место в познании человека и долгое время было важной модельной системой для изучения принципов работы мозга.Люди, как и другие приматы, во многом зависят от зрения для навигации, взаимодействия с другими людьми, манипулирования объектами и многих других аспектов повседневной жизни. Совместная эволюция глаза и зрительного мозга у наших далеких предков-приматов принесла с собой множество адаптаций, которые приносят пользу дневному и древесному образу жизни, а также социальной жизни в больших расширенных семейных группах. Эти изменения проявляются в виде набора определенных характеристик зрительной системы, которая поддерживает уникальные способности к восприятию и поведению (см. Обзор у Кааса [1]).Визуальная нейробиология извлекла выгоду из десятилетий сравнительных исследований, поскольку параллакс, полученный при изучении нескольких видов, помог идентифицировать черты, которые являются основными характеристиками мозга млекопитающих, и другие черты, уникальные для приматов, включая человека.

Эта глава рассматривает зрение приматов со сравнительной точки зрения и сосредотачивается на обыкновенной мартыше ( Callithrix jacchus ), древесном примате Нового Света с мелким телом. Обзор мотивирован растущим интересом к мартышке как модельному виду в дополнение к макаке-резус ( Macaca mulatta ) и лабораторной мыши ( Mus musculus ), которые обычно используются для изучения нейронных цепей, поддерживающих зрение человека.Самый недавний общий предок человека с мартышкой жил примерно 35-40 миллионов лет назад (MYA), до нашего последнего предка с макакой (25-30 MYA) и намного позже нашего последнего предка с мышью (80-90 MYA). ) [2,3]. Таким образом, с чисто филогенетической точки зрения мартышка представляет собой промежуточную точку сравнения между этими видами (рис. 22.1). Для визуальной нейробиологии мартышка также обеспечивает ряд явных экспериментальных преимуществ по сравнению с каждой из этих модельных систем, и мы указываем на области, в которых полностью разработанная модель мартышек на животных обещает пролить новый свет на механизмы зрительного познания в человеческом мозге.

Рисунок 22.1. Филогенетический портрет распространенных экспериментальных моделей млекопитающих для визуальной нейробиологии, в настоящее время и от предыдущих научных поколений. Репрезентативные виды расположены по происхождению от человека. Вертикальная временная шкала указывает для каждого вида период, в который жил самый недавний общий предок с людьми. Для макак и мартышек этот предок жил ближе к концу периода палеогена, намного позже так называемой границы K – Pg, ознаменовавшей конец мезозойской эры.Однако для других моделей млекопитающих, в том числе приматов-прозимей, самый недавний общий предок жил в меловой период, в мезозойскую эру. MYA , миллион лет назад.

Имеет смысл начать с приветствия истории успеха в нейробиологии: недавнего расцвета мышиной модели, возможности ее генетических манипуляций и ее использования в качестве инструмента для исследования мельчайших деталей функциональной схемы мозга. Достижения в области мышей установили новые стандарты точности, с которой животные модели могут способствовать исследованию мозга [4–6].В частности, разработка трансгенных линий, таких как линии Cre, в сочетании с оптогенетикой на основе вирусов, сделало возможным экспрессию светочувствительных опсинов, таких как каналродопсин-2 (ChR2), в высокоспецифичных классах нейронов, а затем причинно управлять их активностью. со светом [7,8]. Этот подход может быть использован для изучения функционирования определенных анатомических путей и был использован для связывания активности определенных типов клеток в зрительной коре мышей с различными функциональными ролями [9] и с решениями восприятия [10,11].В настоящее время предпринимаются согласованные усилия по созданию исчерпывающего описания зрительных схем в мозгу мыши [12].

Однако за многие десятилетия макака-резус Старого Света (и близкородственные виды макак, в совокупности именуемые здесь «макаками») стали предпочтительным видом для моделирования человеческого зрения. Макака — это логичный выбор из-за ее эволюционной близости к людям, что отражается в сходстве анатомического строения ее мозга, а также в ее способностях к восприятию и способности выполнять сложные задачи.В результате очень подробно известно об анатомических связях и электрофизиологических свойствах его мозга (например, [13,14]). Сравнение с человеческим мозгом показывает, что базовая структура зрительной системы у этих двух видов схожа [15]. Более того, поскольку макаки могут обучаться и выполнять разнообразные задачи в ограниченных экспериментальных условиях, исследователи изучили нейронные реакции всего мозга и связали их со многими высокоуровневыми перцептивными и визуально управляемыми формами поведения, а также с влиянием очаговых поражений на такое поведение ( е.г., исх. [16,17]).

В некотором смысле модели мышей и макак стоят настолько успешно, что могут скрыть очень важный аспект нейробиологии: сравнительные исследования. Как отмечал Прейс [18], «концентрация усилий на таком небольшом количестве видов была бы оправдана, если бы корковая организация была в основном единообразной у всех млекопитающих, как это обычно считается… филетические вариации в корковой организации гораздо более обширны, чем обычно считалось или признал.«Неврология в предыдущие эпохи характеризовалась исследованием гораздо более широкого круга видов, при этом некоторые исследования были направлены на понимание, например, организации зрительной коры у кошек, хорьков, землероек, сусликов и многих других млекопитающих и немлекопитающих. модели. Некоторые исследования были явно сравнительными и позволили контекстуализировать нейронные особенности, обнаруженные у видов макак, такие как те, которые связаны с анатомическими связями между двумя зрительными структурами [19] или уровнем прямого коркового контроля над движением [20].Такая широта исследования послужила основой для описания проводящих путей мозга приматов с эволюционной точки зрения, например, с проведением важного различия между предковыми и производными чертами. Недавнее внимание только к двум основным видам, мышам и макакам, угрожает ослабить эту точку зрения.

В этой главе мы утверждаем, что мартышка предоставляет стратегический выбор, основанный на ее конкретных экспериментальных преимуществах и филогенетическом отношении к людям, чтобы дополнить мышь и макаку для изучения зрения.Модель мартышки уже хорошо зарекомендовала себя для биомедицинских исследований в таких областях, как инфекционные заболевания, репродукция и старение; таким образом, практические вопросы, такие как содержание и разведение, хорошо изучены [21–23]. Некоторые из этих исследований были сосредоточены на центральной нервной системе, включая манипулирование познанием посредством фармакологического вмешательства и выборочной абляции [24]. Мартышки являются важной животной моделью для человеческого слуха и активного речевого общения [25–27]. Хотя зрение менее изучено, небольшое количество групп добились большого прогресса за последние два десятилетия и создали основу для понимания базовой организации своей зрительной системы, в первую очередь посредством картирования поля зрения и оценки селективности стимулов у анестезированных животных (для обзора , см. Ref.[28]). Мы утверждаем, что расширение роли мартышек в визуальной нейробиологии требует небольших усилий и может значительно улучшить наше понимание зрения приматов. В качестве обоснования мы начнем с раздела «Мозг приматов: приверженность видению» с обзора нескольких важных характеристик зрения приматов. В частности, мы показываем, что глаз и мозг приматов адаптированы способами, которые категорически отличаются от других млекопитающих, причем многие из адаптаций являются следствием высокой остроты зрения сетчатки.В разделе «Сравнение мартышек и зрение макаки» мы сосредотачиваемся на мартышке, чтобы сравнить и сопоставить особенности ее глаза, мозга и поведения с макакой. В разделе «Возможности, предоставляемые моделью мартышек для визуальной нейробиологии» мы рассматриваем и обсуждаем экспериментальные аспекты модели мартышек, которые открывают новые захватывающие возможности для визуальной нейробиологии. В заключение мы кратко резюмируем основные положения главы и заглянем в будущее, чтобы рассмотреть возможности и проблемы, которые предоставляет модель мартышки в нейробиологических исследованиях человеческого мозга.

Что такое когнитивные функции

Что такое когнитивные функции?

Когнитивные функции — это умственные процессы, которые позволяют нам выполнять любую задачу. Они позволяют субъекту играть активную роль в процессах получения, выбора, преобразования, хранения, обработки и поиска информации, позволяя субъекту ориентироваться в окружающем его мире.

Попробуйте упражнения NeuronUP бесплатно

Каковы наиболее важные когнитивные функции?

Наиболее важными когнитивными функциями являются внимание, ориентация, память, гнозис, исполнительные функции, практика, язык, социальное познание и зрительно-пространственные навыки.

Ориентация

Что такое ориентация?

Ориентация — это способность, которая позволяет постоянно осознавать себя и свое окружение.

• Личная ориентация: способность интегрировать информацию, касающуюся личной истории и личности.

• Временная ориентация: способность управлять информацией о дне, времени, месяце, году, праздниках, сезонах, времени для определенного поведения и т. Д.

• Пространственная ориентация: способность обрабатывать информацию, связанную с тем, откуда человек пришел, где он находится в любой конкретный момент, куда направляется и т. Д.
Подробнее о Orientation

Гнозис

Что такое гнозис?

Гнозис — это способность мозга распознавать ранее полученную информацию, такую как объекты, люди или места, собранную с помощью наших органов чувств. Таким образом, существуют разные типы гнозиса, по одному для каждой сенсорной модальности, и гнозис, сочетающий разные сенсорные модальности.

• Визуальный гнозис: способность визуально распознавать различные элементы и приписывать им значение (объекты, лица, места, цвета и т. Д.)).

• Слуховой гнозис: способность распознавать и различать различные звуки.

• Тактильный гнозис: способность распознавать различные объекты на ощупь (текстуры, температуры и т. Д.).

• Обонятельный гнозис: способность распознавать по запаху различные запахи.

• Вкусовой гнозис: способность распознавать по вкусу различные ароматы.

• Схема тела: способность распознавать и мысленно воспринимать тело в целом и его различные части, развитие движений, которые могут выполняться каждой из них, и ориентация тела в пространстве.

Подробнее о Gnosis

Внимание

Что такое внимание?

Внимание — это процесс направления когнитивных ресурсов на определенные аспекты окружающей среды или на выполнение определенных действий, которые кажутся наиболее подходящими. Это относится к состоянию наблюдения и бдительности, которое позволяет осознавать, что происходит в окружающей среде (Ballesteros, 2000).

Другими словами, внимание — это способность генерировать, направлять и поддерживать соответствующее состояние бдительности для правильной обработки информации.

Существует пять различных процессов внимания:

• Устойчивое внимание: способность плавно сохранять концентрацию на задаче или событии в течение длительного периода времени.

• Избирательное внимание: способность направлять внимание и сосредотачиваться на чем-то, не позволяя другим стимулам, внутренним или внешним, прерывать выполнение задачи.

• Переменное внимание: способность плавно переключать наше внимание с одной задачи или внутренней нормы на другую.

• Скорость обработки: скорость, с которой мозг выполняет задачу (очевидно, она будет варьироваться в зависимости от задачи и других задействованных в ней когнитивных функций).

• Hemineglect: большая трудность или неспособность направить внимание в любую сторону (обычно влево) по отношению к телу, а также к пространству.

Подробнее о Внимание

Исполнительные функции

Что такое исполнительные функции?

Исполнительные функции — это сложные когнитивные процессы, необходимые для планирования, организации, руководства, пересмотра, регулирования и оценки поведения, необходимого для эффективной адаптации к окружающей среде и достижения целей (Bauermeister, 2008).

Исполнительное функционирование включает в себя способности и процессы, жизненно важные для повседневной жизни, такие как:

• Рабочая память: система , которая позволяет поддерживать, обрабатывать и обрабатывать информацию в уме.

• Планирование: способность формулировать цели, разрабатывать планы действий для их достижения (последовательность шагов) и выбирать подходящий, исходя из ожидания последствий.

• Рассуждение: способность сравнивать результаты, делать выводы и устанавливать абстрактные отношения.

• Гибкость: способность генерировать новые стратегии для адаптации поведения в соответствии с меняющимися требованиями окружающей среды.

• Запрещение: способность игнорировать импульсы или нерелевантную информацию внутренне или внешне при выполнении задачи.

• Принятие решений: способность определять курс действий после взвешивания различных видов возможных вариантов, а также их возможных результатов и последствий.

• Оценка времени: способность приблизительно оценить течение времени и продолжительность действия или события.

• Двойное выполнение: способность выполнять две задачи одновременно (они должны быть двух разных типов), уделяя внимание обеим одновременно.

• Ветвление (многозадачность): способность организовывать и оптимально выполнять задачи одновременно, смешивая их, но всегда зная статус каждой.

Подробнее об исполнительных функциях

Праксис

Что такое практика?

Праксис относится к обученной двигательной активности.Другими словами, практика — это порождение волевого движения для выполнения определенного действия или достижения цели.
Различные виды практики включают:

• Идеомоторная практика: способность намеренно делать движение или простой жест.

• Практика идей: способность манипулировать объектами посредством последовательности действий, что подразумевает знание функции объекта, знание действия и знание последовательного порядка действий, ведущих к этому действию.

• Практика лица: способность произвольно совершать движения или жесты разными частями лица (губами, языком, глазами, бровями, щеками и т. Д.).

• Визуально-конструктивная практика: способность планировать и выполнять движения, необходимые для организации серии элементов в пространстве для формирования рисунка или завершенных трехмерных фигур.

Подробнее о Praxis

Память

Что такое память?

Память — это способность кодировать, хранить и эффективно извлекать ранее изученную информацию или прошлый опыт.Память делится на два основных типа:

• Эпизодическая память: относится к информации о событиях и переживаниях (где и когда).

• Семантическая память: относится к общим знаниям.

• Процедурная память: относится к конкретным действиям или последовательности заученных действий, большинство из которых автоматически извлекаются, не задумываясь о действии или движении (часто трудно выразить словами).

Подробнее о памяти

Язык

Qu’est-ce que le langage?

Язык — это когнитивная функция высокого уровня, которая развивает процессы символизации, связанные с кодированием и декодированием.

По данным Lecours et al. (1979), язык относится к производству устных или письменных знаков, которые символизируют предметы, идеи и т. Д. В соответствии с собственными соглашениями языкового сообщества.
В языке есть различные функции, которые могут быть нарушены:

• Выражение: способность осмысленно и грамматически правильно формулировать идеи.

• Понимание: способность понимать значение слов и идей.

• Словарь: лексических знаний.

• Именование: возможность давать имена объектам, людям или событиям.

• Свободное владение: способность быстро и эффективно создавать лингвистический контент.

• Дискриминация: способность распознавать, различать и интерпретировать связанный с языком контент.

• Повторение: способность издавать одинаковые звуки, которые каждый слышит.

• Письмо: способность преобразовывать идеи в символы, символы и изображения.

• Чтение: способность интерпретировать символы, символы и изображения и преобразовывать их в речь.

Подробнее о языке

Социальное познание

Совместные когнитивные и эмоциональные процессы, с помощью которых мы интерпретируем, анализируем, запоминаем и используем информацию о социальном мире. Это относится к тому, как мы думаем о себе, других и их поведении, социальных отношениях, а также о том, как мы понимаем всю эту информацию и соответственно строим свое поведение.

Подробнее о Social Cognition

Визуально-пространственные навыки

Что такое зрительно-пространственные навыки?

Визуально-пространственные навыки — это способность представлять, анализировать и мысленно манипулировать объектами. Есть два важных понятия, относящихся к зрительно-пространственным навыкам:

• Пространственные отношения: способность мысленно воспринимать объекты и манипулировать ими в двух измерениях.
• Пространственная визуализация: способность мысленно воспринимать и манипулировать объектами в трех измерениях.

Подробнее о зрительно-пространственных навыках

Когда когнитивные функции начинают ухудшаться?

Утрата когнитивных способностей происходит из-за нормального процесса старения. То, как мы стареем и как мы переживаем этот процесс, а также наше здоровье и функциональные возможности, зависят как от генетической структуры, так и от окружающей среды, которая окружала нас на протяжении всей нашей жизни.

Кроме того, существуют и другие факторы, которые могут изменять когнитивные способности, такие как нейродегенеративные заболевания, нарушения развития нервной системы, умственные нарушения или психические заболевания.Кроме того, употребление наркотических веществ, алкоголизм, тяжелые физические или психические травмы могут повлиять на мозговую деятельность в острой или хронической форме.

Как сохранить когнитивные функции?

Было показано, что ухудшение состояния замедляется, а дефицит становится более легким, если мы ведем активный и здоровый образ жизни в стимулирующей среде и если мы продолжаем работать над своими способностями с помощью практик когнитивной стимуляции и упражнений.

Для чего мы используем когнитивные функции?

Высшие функции мозга , такие как рассуждение, память и внимание , необходимы для полноценной и независимой жизни.В течение дня мы постоянно используем когнитивные функции. Наш мозг использует различные когнитивные способности для приготовления еды, управления автомобилем или проведения встреч, активируют различные части наших полушарий , в большей или меньшей степени.

Почему важны когнитивные функции?

Все действия, которые мы выполняем, требуют использования функций нашего мозга , что включает в себя миллионы нейронных связей , распределенных по долям нашего мозга, и активацию различных областей мозга, чтобы адекватно взаимодействовать с окружающей средой и обрабатывать информацию, которую мы получить по различным каналам.

Как мы используем когнитивные функции?

Обработка информации в сознании человека осуществляется через когнитивную систему . Человек играет активную роль в процессах приема, отбора, преобразования, обработки, восстановления и преобразования информации , которая достигает мозга . Обработка такой информации состоит из взаимосвязанных когнитивных , которые действуют вместе для выполнения самых сложных умственных операций .Таким образом, когнитивная функция может быть объединена или дополнена другими, чтобы сформировать более высокую единицу, когнитивный процесс , в который можно вмешаться, работая над его основными единицами (когнитивными функциями) или над его более сложными процессами (мышление навыки и умения).

Начать работу Когнитивные функции с NeuronUP

Когнитивные функции и основные параметры физиологии человеческого мозга связаны с хронотипом

Участники

Тридцать два здоровых молодых взрослых добровольца (16 женщин, средний возраст = 26.62 ± 5,01), квалифицируемые как ранний хронотип (EC) или поздний хронотип (LC), были набраны из Технического университета Дортмунда, Рурского университета Бохума и окружающего сообщества. Хронотип определялся на основании баллов по опроснику «Утро-вечерность» (DMEQ) ⁶⁸. Из 269 добровольцев, выполнивших DMEQ в ходе эксперимента, 69 были вечерними типами (6 определенных вечерних типов) и 35 были утренними типами (5 определенных утренних типов). Чтобы ограничить вариабельность хронотипов во времени и продолжительности сна, были включены только умеренные хронотипы.Шестнадцать человек от каждого хронотипа (средний тип), которые соответствовали критериям включения, были включены в группы EC (8 женщин, N = 16) и LC (8 женщин, N = 16). Размер выборки был рассчитан априори на основе анализа мощности, который показал, что для средней величины эффекта (частичный квадрат этаа = 0,10) (предложенный для исследований NIBS ⁶⁹) требуется минимум 24 субъекта для достижения 95% мощности при альфа 0,05 для первичного статистического теста смешанной модели ANOVA.Мы увеличили размер выборки до 32, чтобы полностью уравновесить порядок задач в каждой группе ( N = 16) и компенсировать непредвиденную изменчивость и отсев. Поскольку пол и возраст могут объяснять различия в хронотипе, мы сбалансировали пол участников и сохранили возрастной диапазон до раннего взросления. Все участники были правшами, некурящими и прошли медицинское обследование для проверки отсутствия в анамнезе неврологических заболеваний, эпилепсии или припадков, лекарств, металлических имплантатов и текущей беременности. Каждый участник принял участие в тестовой сессии TMS, чтобы познакомиться с ощущением стимуляции и понять протокол исследования.Женщины не обследовались во время лютеиновой фазы менструального цикла (примерно на 3 неделе после менструации), чтобы гарантировать, что гормональные изменения, влияющие на возбудимость коры головного мозга ⁷⁰, не повлияют на их хронотип. Потребление кофеина и другие факторы, потенциально влияющие на возбудимость коры головного мозга (например, массивная физическая активность), контролировались перед каждым экспериментальным сеансом, и в случае несоблюдения соответствующих критериев эти сеансы откладывались. Это исследование соответствовало руководящим принципам Хельсинкской декларации и было одобрено институциональным наблюдательным советом Исследовательского центра Лейбница по производственной среде и человеческому фактору.Участники дали информированное согласие и получили денежную компенсацию. Они могли выйти в любое время.

Опросник по утрам и вечерам (MEQ)

Немецкая версия MEQ ⁷¹ (DMEQ) ⁶⁸ использовалась для определения хронотипов. Он состоит из 19 вопросов, которые просят людей определить их ритмы «наилучшего самочувствия», указать предпочтительные временные интервалы часов, а не реальное время сна и участие в других ежедневных / еженедельных занятиях (например.g., физические упражнения, тесты, работа), а также оценить утреннюю бодрость, утренний аппетит и вечернюю усталость. Каждый вопрос имеет балл, и сумма баллов варьируется от 16 до 86, где баллы ниже 42 указывают на вечерний тип или поздний хронотип (LC), а баллы выше 58 указывают на утренний тип или ранний хронотип (EC). Определенный вечер (16–30), умеренный вечер (31–41), средний или нейтральный (42–58), умеренное утро (59–69) и определенное утро (70–86) — это пять категорий хронотипов, определенных MEQ. .Анкета демонстрирует высокую достоверность сообщений и имеет значительную корреляцию с гормональными изменениями, связанными с циркадным ритмом, включая мелатонин ⁶⁸. В дополнение к MEQ мы определили фенотип дихотомического хронотипа, задав два идентичных вопроса («Вы от природы ночной человек или утренний человек?») ². Лица с несогласованными или нейтральными ответами на оба вопроса были исключены. Средний балл хронотипа для раннего и позднего хронотипов составил 62,25 ± 3.47 и 35,37 ± 4,31, показывая, что обе группы представляют умеренные ранние и поздние хронотипы.

Время эксперимента, цикл сна / бодрствования и изменение освещенности

Время эксперимента определялось на основе среднего времени сна и уровня активности ранних и поздних хронотипов на основе предыдущих исследований ^6,62, а также ежедневных распорядок дня жизни. Для утренних занятий время начала выбиралось исходя из нормы начала учебы и работы (8 часов утра).Это также время, когда оба хронотипа имеют самый низкий уровень активности ⁶². Вечернее время (19:00) было указано на основе времени, когда оба хронотипа имеют сопоставимый уровень активности в соответствии с предыдущими профилями набора данных ⁶². Обе группы были проинструктированы ложиться спать (примерно в 22: 00–23: 00), вставать утром в одно и то же время дня и спать не менее 8 часов для утренних сессий (в среднем _ЭК = 8,41 ч, среднее значение _LC = 8.11 ч). На вечернем сеансе участникам разрешалось лечь спать в удобное для них время, но до 24:00, а также при необходимости разрешалось спать более 8 часов (в среднем _ЭК = 8,36 ч, среднее _ЛК = 8,38 час). Всем участникам настоятельно рекомендовалось соблюдать инструкции цикла сна / бодрствования, а в случае нарушений, плохого качества сна и сонливости (измеряемой оценкой участников перед каждым сеансом) экспериментальный сеанс переносился на другой день.Субъективная сонливость участников и их настороженность оценивались с помощью шкалы сонливости Каролинской (KSS) ⁷², которая измеряет сонливость по шкале Лайкерта от 1 до 10 (дополнительная информация). Не наблюдалось существенной разницы между оценками сонливости как для ранних, так и для поздних хронотипов на утренних сессиях (среднее _ЭК = 3,2, среднее _LC = 3,71; t = 1,61, P = 0,11) и вечерних сессиях ( среднее значение _ЭК = 3.58, среднее _LC = 3,65; t = 0,25, P = 0,80). Из-за изменчивости сезонного освещения экспериментальные сеансы не проводились летом, когда разница между восходом и заходом солнца самая большая в Германии. В другие месяцы эксперимент было запланировано случайным образом распределить по другим сезонам в обеих группах. Кроме того, окружающий свет поддерживался постоянным со стандартной интенсивностью экспозиции для внутреннего освещения (около 500 люкс) на протяжении всех экспериментальных сессий утром и вечером.Во время познавательных занятий задания и записи ЭЭГ проводились в звукоизолированном экранированном помещении с постоянной температурой 24–25 ° C для утренних и вечерних занятий.

Мониторинг корковой возбудимости с помощью TMS

Протоколы одноимпульсной и парноимпульсной TMS моторного порога покоя (RMT), активного моторного порога (AMT), кривой I – O, короткого внутрикортикального торможения и облегчения (SICI-ICF), внутрикортикального Облегчение I-волны и кратковременное афферентное торможение (SAI) использовались для мониторинга кортикоспинальной и внутрикортикальной возбудимости в моторной коре.RMT, AMT и кривая I – O исследуют кортикоспинальную возбудимость, SICI-ICF измеряет как внутрикортикальное облегчение, так и торможение, а интракортикальное облегчение I-волны и SAI измеряет внутрикортикальное ингибирование моторной коры человека ^31,32,36.

Одноимпульсный MEP, порог покоя и активности двигателя

Одноимпульсный двухфазный TMS с частотой 0,25 Гц ± 10% (случайный) подавался магнитным стимулятором PowerMag ppTMS (Mag & More, Мюнхен, Германия) через восьмерку магнитная катушка (диаметр одной обмотки 70 мм; пиковое магнитное поле 2 Тл), удерживаемая под углом 45 ° к средней линии и наложенная на левую первичную моторную кору.Поверхностные МВП регистрировались от правой мышцы, отводящей минимальный палец (ADM) с помощью золотых чашечных электродов при монтаже живота и сухожилия. Сигналы усиливались и фильтровались (1000; 3 Гц – 3 кГц) с использованием D440-2 (Digitimer, Велвин-Гарден-Сити, Великобритания) и оцифровывались (частота дискретизации 5 кГц) с помощью преобразователя Micro 1401 AD (Cambridge Electronic Design, Кембридж , Великобритания), контролируемый Signal Software (Cambridge Electronic Design, v. 2.13). RMT был исследован с помощью инструмента оценки моторных пороговых значений TMS (MTAT 2.0, http: // www.клиническое исследование. AMT была определена как самая низкая интенсивность стимулятора, необходимая для вызова MEP-ответа ∼200–300 мкВ во время умеренного тонического сокращения правой ADM-мышцы (∼20% от максимальной мышечной силы) ⁷⁴ по крайней мере в трех из шести последовательных испытаний .

Кривая ввода-вывода (кривая ввода-вывода)

Кривая ввода-вывода представляет собой одноимпульсный протокол TMS, который отражает возбудимость кортикоспинальных нейронов.Он модулируется глутаматергической активностью и относится к увеличению амплитуд MEP с увеличением интенсивности TMS ³². Наклон кривой набора увеличивается при более высокой интенсивности ТМС с более высокой глутаматергической и адренергической передачей и уменьшается при приеме препаратов, усиливающих эффекты ГАМК ^32,35. В протоколе кривой I – O амплитуды MEP в расслабленной правой ADM-мышце измерялись в четырех блоках с различной интенсивностью стимула (100%, 110%, 130% и 150% RMT) ⁷⁵, каждый блок с 15 импульсами, и рассчитывали среднее значение (амплитуды МВП) для каждой интенсивности.

Коротко-латентное интракортикальное ингибирование и интракортикальное облегчение (SICI-ICF)

SICI-ICF — это протокол парных импульсов ТМС для мониторинга кортикального торможения, опосредованного ГАМК-эргическим действием, и опосредованного глутаматом кортикального облегчения ³². В этом протоколе за подпороговым условным стимулом (определяемым как 70% AMT) следует надпороговый тестовый стимул, который был скорректирован так, чтобы вызвать исходный MEP ~ 1 мВ. Парные стимулы представлены в интерстимулах (ISI) 2, 3, 5, 10 и 15 мс ³⁶.ISI в 2 и 3 мс представляют интракортикальное торможение с короткой задержкой (SICI) и оказывают тормозящее влияние на амплитуды тестовых импульсов MEP, а ISI в 10 и 15 мс представляют внутрикортикальное облегчение (ICF) и оказывают усиливающее влияние на MEP, вызванное одноимпульсным TMS. амплитуды ^36,76,77. Стимулы (подпороговые и надпороговые) были организованы в блоки, в которых каждый ISI и один тестовый стимул применялись один раз в псевдослучайном порядке. Каждый блок повторялся 15 раз, в результате чего в общей сложности получалось 90 одноимпульсных или парных MEP за сеанс.Точный интервал между парными импульсами был рандомизирован (4 ± 0,4 с).

Облегчение коротких интервалов внутрикортикальной I-волны

Этот протокол TMS основан на I (непрямых) волнах, которые относятся к высокочастотным повторяющимся разрядам кортикоспинальных нейронов, вызванным одноимпульсной стимуляцией моторной коры ⁷⁸ (для подробный обзор см. ссылки ^37,78). В этом протоколе два последовательных стимула (над- и подпороговый) разделены короткими ISI, но этот протокол включает надпороговый первый стимул и подпороговый второй стимул ³⁷.ISI варьируются от 1,1 мс до 4,5 мс с задержкой и представлены в псевдослучайном порядке. Мы сгруппировали ISI в ранние (средняя MEP при ISI 1.1, 1.3, 1.5 мс), средняя (средняя MEP при ISI 2.3, 2.5, 2.7, 2.9 мс) и поздняя (средняя MEP при ISI 4.1, 4.3, 4.5 мс) эпохи. Интенсивность первого кондиционирующего надпорогового стимула (S1) регулируется для получения базового MEP ~ 1 мВ, когда он вводится отдельно, и за ним следует второй подпороговый стимул (S2), который был установлен на уровне 70% от RMT) ⁷⁵. Для каждого ISI было зарегистрировано 15 импульсов.Еще 15 импульсов были записаны для контрольных MEP, в которых суперпороговый стимул (S1) подавался отдельно и корректировался для достижения исходного MEP ~ 1 мВ. Пары стимулов были организованы в блоки, в которых каждый ISI и один тестовый импульс были представлены один раз и были псевдослучайно. Этот протокол парных импульсов TMS (первый надпороговый стимул и второй подпороговый стимул) оказывает облегчающее действие на пики MEP ³⁷, которые возникают при ISI примерно 1,3, 2,6 и 4,2 мс. Предполагается, что этот эффект возникает в результате вызванных I-волн (непрямые волны: нисходящие залпы, производимые непрямой активацией нейронов пирамидного тракта через пресинаптические нейроны) подпороговым S2 и контролируется связанными с ГАМК нервными цепями ^{35,37 , 79}

Коротко-латентное афферентное ингибирование (SAI)

SAI — это протокол TMS, связанный со стимуляцией периферических нервов, и основан на концепции, согласно которой периферические соматосенсорные входы оказывают ингибирующее действие на возбудимость моторной коры через короткие промежутки времени (например,g., 20–40 мс) ³⁸. SAI был связан с холинергической ³¹ и ГАМКергической системами ³³ на корковом уровне. В этом протоколе одноимпульсный TMS служит в качестве тестового стимула и настраивается так, чтобы вызвать ответ MEP с размахом амплитуды ~ 1 мВ. Обусловливающие афферентные стимулы представляли собой одиночные импульсы (200 мкс) электрической стимуляции, прикладываемые к правому локтевому нерву на уровне запястья (проксимальный катод) через биполярные электроды, подключенные к стимулятору Digitimer D185 (Digitimer Ltd., Велвин-Гарден-Сити, Великобритания). Обусловливающие афферентные стимулы применялись с интенсивностью примерно в 2,5–3 раза превышающей порог восприятия, отрегулированной таким образом, чтобы вызвать минимальное видимое подергивание мышц тенара ³¹, за которым следовало одиночный импульс TMS (тестовый стимул), применяемый к моторному кортикальному представлению правильный ADM. Стимулы применялись в блоках, содержащих только тестовый стимул (контрольное условие) и два блока парных стимулов с ISI 20 и 40 мс в псевдослучайном порядке. Каждый блок повторялся 20 раз, в результате чего было проведено 60 попыток.

Методика эксперимента

Сеансы мониторинга корковой возбудимости проводились один раз утром и один раз вечером в одно и то же фиксированное время для всех сеансов исследования. Измерения были запланированы на 8:30 утра для утреннего сеанса и 19:00 для вечернего сеанса после этапа подготовки (идентификация горячих точек моторной коры, процедуры определения RMT и AMT). Между сеансами был интервал в 1 неделю. Участников проинструктировали не употреблять кофеин, алкоголь и не заниматься интенсивными физическими нагрузками за 24 часа до каждого сеанса, чтобы обеспечить стабильный уровень моторно-корковой возбудимости.В каждом сеансе участники удобно сидели в кресле с откидной спинкой, под правой рукой лежала подушка, а вокруг шеи — вакуумная подушка, чтобы предотвратить движение головы. Во-первых, горячая точка (положение катушки над областью первичного двигателя, которая производит наибольшую MEP в правом ADM с заданной средней интенсивностью TMS) была идентифицирована с помощью TMS. Затем интенсивность стимуляции регулировали, чтобы вызвать MEP с размахом амплитуды в среднем 1 мВ, как описано выше. После этого шага были получены RMT и AMT, как описано выше.После записи AMT был сделан 10-минутный перерыв, чтобы избежать влияния сокращения мышц на следующие измерения. После перерыва следующие протоколы TMS были мерами для мониторинга возбудимости коры: SAI, SICI-ICF, облегчение I-волны и кривая ввода-вывода. Порядок измерений был рандомизирован, за исключением SAI, который всегда был первым мероприятием, так как требовалось время на подготовку около 10 минут, которое было запланировано на 10-минутный перерыв. Это было сделано для того, чтобы продолжительность сеанса была как можно ближе к сеансам tDCS и чтобы участники придерживались своего предпочтительного и нежелательного циркадного ритма.В случае изменения MEP, вызванного одиночным тестовым импульсом, на> 20% во время сеанса, интенсивность стимуляции была скорректирована ⁸⁰. Каждый сеанс корковой возбудимости длился 60–70 мин. Все протоколы ТМС проводились с помощью магнитного стимулятора PowerMag ppTMS (Mag & More, Мюнхен, Германия) через магнитную катушку в форме восьмерки (диаметр одной обмотки, 70 мм; пиковое магнитное поле, 2 Тл), удерживаемую под углом 45 ° к Срединная линия и накладывалась на левую первичную моторную кору. Устройство было оборудовано для применения как одноимпульсной ТМС, так и парно-импульсной ТМС.

Индукция нейропластичности с помощью tDCS

Стимуляция моторной коры постоянным током

Электрический постоянный ток подавался через пару губчатых электродов, пропитанных физиологическим раствором (35 см ²), и подавался через аккумуляторный стимулятор постоянного тока ( neuroConn GmbH, Ильменау, Германия). Целевой электрод фиксировали над моторно-кортикальной репрезентативной областью правого ADM, как определено с помощью TMS, а контрольный электрод помещали над контрлатеральной надглазничной областью.Расстояние на коже черепа между краями электродов сохранялось минимум 6 см, чтобы уменьшить шунтирование тока через кожу головы ⁸¹. В зависимости от рандомизированных условий, анодные, катодные или фиктивные tDCS с интенсивностью 1 мА применялись в течение 7 минут с 15-секундным линейным увеличением / уменьшением в начале и в конце стимуляции. Для фиктивного состояния стимуляция проводилась в течение 30 секунд с 30-секундным нарастанием и спадом. Используя эту процедуру, участники не могут различить настоящую и фиктивную tDCS ⁸².Мы смоделировали электрический ток в голове, индуцированный этим протоколом, чтобы показать, как tDCS влияет на первичную моторную кору (рис. 3а). Модель основана на стандартной модели головы, которая не учитывает возможные структурные различия (например, белое вещество) в головном мозге разных хронотипов ⁶⁴. Таким образом, модель следует принимать во внимание только в иллюстративных целях.

Мониторинг MEP с помощью TMS

Одноимпульсные MEP были получены таким же образом, как описано в предыдущем разделе, а интенсивность TMS была установлена так, чтобы вызвать MEP с размахом амплитуды ~ 1 мВ.

Экспериментальная процедура

После проверки участников на пригодность для tDCS, каждый участник посетил шесть сеансов tDCS (утренний анодный, утренний катодный, утренний имитационный и вечерний анодный, вечерний катодный, вечерний имитационный) в случайном порядке. Сеансы TDCS начинались в фиксированное время утром и вечером с интервалом в 1 неделю между сеансами. Утренние занятия начинались в 8:00, а вечерние — в 18:30; время начала tDCS было запланировано примерно на 8:30 на утренней сессии и 7:00 на вечерней сессии, после подготовительного этапа, который длился ~ 20–30 минут.На каждом сеансе участники удобно усаживались в кресло с откидной спинкой, под правой рукой располагалась подушка, а вокруг шеи — вакуумная подушка для предотвращения движения головы. В начале каждого сеанса измеряли базовую возбудимость коры головного мозга, сначала индуцируя MEP над левым M1, чтобы идентифицировать область, которая произвела наибольшую MEP целевой мышцы (правая ADM) с заданной интенсивностью TMS. Затем область была отмечена, и последующие импульсы подавались из этого оптимального положения.Интенсивность стимуляции регулировали для достижения максимальной амплитуды МВП 1 мВ (SI1 мВ), которая затем использовалась для остальных измерений. После базового измерения 25 MEP было проведено 7 минут анодной, катодной или фиктивной стимуляции, как описано выше. После удаления электродов tDCS, измерения MEP проводились сразу через эпохи каждые 5 минут до 30 минут после tDCS (всего 7 эпох). Этот протокол tDCS дает короткие эффекты последействия, зависящие от полярности, которые исчезают через 30 минут после стимуляции ⁴⁰.В конце каждого сеанса участники заполняли опрос о побочных эффектах, в котором предлагалось оценить наличие и тяжесть визуальных явлений, зуда, покалывания, жжения и боли во время стимуляции по шкале Лайкерта от 0 до 5, а также угадать интенсивность стимуляции. полученный (т. е. интенсивность 0 мА или интенсивность 1 мА). Каждый сеанс tDCS занимал около 60 минут.

Поведенческие меры: моторное обучение и когнитивные задачи

Мы использовали одну конкретную поведенческую задачу для измерения моторного обучения, которое критически затрагивает первичную моторную кору головного мозга, включая LTP-подобную пластичность этой области ¹⁷.Кроме того, участники выполнили три когнитивные задачи для мониторинга рабочей памяти и внимания.

Последовательная задача времени реакции (SRTT)

SRTT — это задача изучения последовательности двигателя. Выполнение этой задачи связано с повышенной активностью и корковой возбудимостью моторных, премоторных и дополнительных моторных областей, а раннее обучение влияет в первую очередь на первичную моторную кору ^57,83,84. В этой задаче последовательное моторное обучение обозначается сокращением времени реакции на нажатие соответствующей кнопки в поле ответа после представления визуально обозначенного стимула на экране компьютера.Участникам предлагается нажать соответствующую кнопку соответствующим пальцем правой руки (указательный палец для кнопки 1, средний палец для кнопки 2, безымянный палец для кнопки 3 и мизинец для кнопки 4). Визуальная подсказка (здесь черная точка) появляется в одном из четырех горизонтальных положений на экране компьютера. Каждое положение на экране соответствует соответствующей кнопке окна ответа. Участникам предлагается как можно быстрее нажимать кнопку, соответствующую положению точек.Продолжительность каждого испытания определяется временем ответа участника (RT), а продолжительность задачи составляет ~ 15–20 минут. В конце каждой пары «стимул – ответ» есть задержка в 500 мс перед представлением следующей реплики. Задача состоит из восьми блоков по 120 испытаний в каждом (всего 960 испытаний). В блоках 1 и 6 последовательность точек следует псевдослучайному порядку таким образом, что точки отображаются одинаково часто в каждой позиции и никогда в одном и том же положении в двух последующих испытаниях. Во время блоков с фиксированной последовательностью (блоки 2–5, 7–8) стимулы появляются в соответствии с фиксированной последовательностью из 12 пунктов, которая повторяется 10 раз (например.г., A – B – A – D – B – C – D – A – C – B – D – C). Усредненная разница RT в блоке 5 (порядок последовательности) по сравнению с блоком 6 (случайный порядок) является основной мерой приобретения моторного обучения, поскольку она указывает ответ на обучение последовательности по сравнению с независимой от обучения характеристикой. Предполагается, что разница RT между блоком 6 (случайный порядок) и блоком 7 (упорядоченный порядок) указывает на дополнительное удержание при обучении. В дополнение к RT, который является основным показателем неявного моторного обучения, вариабельность и точность RT также были рассчитаны в качестве исходных переменных.Участникам не сказали о повторяющейся последовательности, и в конце занятия их спросили, заметили ли они последовательность, и если да, то написать последовательность, чтобы оценить явное изучение задачи. В таких случаях соответствующие данные исключались из окончательного анализа. Две разные последовательности задачи, без перекрывающихся частей и с сопоставимыми трудностями, были представлены на двух сессиях в уравновешенном порядке.

Познавательные задания

Задание с тремя задними буквами .Задача WM в нашем исследовании включала вариант буквенного варианта задачи n-back, в которой испытуемые должны были указать, соответствует ли буква, представленная на экране («целевая буква»), букве, представленной ранее («контрольная буква») ⁸⁵. Здесь мы использовали трехкратную версию задачи ⁸⁶, в которой «Попадания» (правильные ответы) определялись как любая буква, идентичная той, которая была представлена тремя попытками назад. Стимулы представляли собой псевдослучайные последовательности из 10 букв (A – J), представленные в фиксированном центральном месте на экране компьютера.Каждая буква была видна в течение 200 мс с интервалом между стимулами 1800 мс, что делало уровень сложности задачи высоким. Буквы были представлены черным цветом на белом фоне и растянуты на 2,4 см (при просмотре с расстояния 50 см от глаз до экрана). Участники выполнили два блока, состоящих из 44 (тренировочный блок) и 143 попыток (основной блок), соответственно, в результате чего общее количество попыток составило 187. Между блоками был предусмотрен короткий перерыв (5–20 с), чтобы участники могли отдохнуть. Две разные версии задачи использовались в двух сессиях (утренняя сессия и вечерняя сессия), а порядок условий был рандомизирован среди участников.Время реакции и меры точности были получены для каждого испытания.

Задача цветного слова Stroop . Задача Струпа по вмешательству — это нейропсихологический тест, широко используемый для измерения избирательного внимания, когнитивного торможения и скорости обработки информации ^87,88. Мы использовали компьютеризированный тест цвета / слова Струпа, аналогичный версии Victoria, основанный на предыдущих исследованиях ⁸⁸. В слове Stroop названия цветов были написаны черным и цветом Stroop, некоторые XXX были представлены красными, зелеными, желтыми и синими чернилами, и участники должны были ответить соответствующими клавишами.В задании Струпа по раскрашиванию слов, которое представляло наш особый интерес, участникам предлагаются либо «конгруэнтные», либо «несовместимые» цветные слова. В неконгруэнтных испытаниях цвет чернил, которыми было отображено слово, отличался от значения слова (например, слово «красный» было написано синим), в то время как в конгруэнтных испытаниях и слово, и цвет слова. чернила были идентичны. Стимулы предъявлялись на экране с черным фоном в течение 2000 мс с межстимульным интервалом 500 мс.Размер стимула составлял 1,4 см на расстоянии ~ 50 см от глаза до экрана. Поле ответа с четырьмя клавишами красного, синего, желтого и зеленого цветов помещалось перед испытуемыми, и испытуемые должны были нажимать соответствующую клавишу того цвета, которым было написано слово. Мы увеличили количество конгруэнтных и неконгруэнтных испытаний в задаче цветного слова по сравнению с цветными блоками Струпа и Струпа, чтобы повысить эффективность анализа ЭЭГ. В общей сложности блок помех Струпа включал 40 совпадающих и 120 неконгруэнтных испытаний, в результате чего получилось 160 испытаний.

Тест непрерывной работы AX (AX-CPT) . AX-CPT используется для оценки функционирования внимания (устойчивое или временное внимание) или исполнительного контроля, в зависимости от применяемых версий, которые включают базовый уровень, проактивный контроль и реактивный контроль ^89,90. Здесь мы использовали базовую версию задачи, которая короче (~ 15 мин), менее требовательна и измеряет временное внимание ⁹⁰. Визуальные стимулы представляли собой белые буквы на темном фоне, появляющиеся по одной на экране компьютера в течение 150 мс каждый с интервалом между стимулами 2000 мс.Испытуемые были проинструктированы нажимать кнопку правым указательным пальцем всякий раз, когда за буквой A (правильная реплика) следовала буква X (правильная цель), как можно быстрее и точнее. Все другие последовательности должны были игнорироваться, включая последовательности, в которых за неправильной репликой (обозначенной «B», но содержащей все буквы, кроме A или X) следовала целевая буква (X), или последовательности, в которых правильная реплика (A ) следовала неверная цель (обозначенная «Y», но содержащая все буквы, кроме A или X).Последовательности AX представлены с высокой вероятностью, чтобы гарантировать сильное смещение ответа. Задания состояли из 240 пар букв (480 проб) с 40% «AX», 40% «BY», 10% «BX» и 10% «AY». Точность и RT были записаны для целевых испытаний.

Процедура

Участники выполняли задания в двух случайно назначенных сеансах утром и вечером в то же время, что и предыдущие занятия, с интервалом не менее 1 недели. Порядок выполнения задач у всех участников был сбалансирован, за исключением SRTT, которая всегда проводилась первой и должна была начаться примерно в то время, когда были применены мониторинг возбудимости коры головного мозга и tDCS.Все задачи (SRTT, N-back, Stroop и AX-CPT) были представлены на экране компьютера (15,6 дюйма, Samsung) с помощью программного обеспечения E-prime ⁹¹, при этом расстояние просмотра от монитора составляло ~ 50 см. Задания проводились в звуконепроницаемой комнате с электромагнитным экраном во время записи ЭЭГ.

ЭЭГ

Запись ЭЭГ

ЭЭГ записывалась непрерывно во время выполнения когнитивной задачи с 30 электродов на голове, расположенных в соответствии с международной системой 10–20, с использованием усилителя ЭЭГ NeurOne Tesla (Bittium, NeurOne, Bittium Corporation, Финляндия) с частотой дискретизации 1000 Гц.В состав электродов входили: Fp1, Fp2, Fz, F3, F4, F7, F8, Fc1, Fc2, Fc5, Fc6, Cz, C3, C4, T7, T8, Tp9, Tp10, Cp1, Cp2, Cp5, Cp6, Pz, P3, P4, P7, P8, Iz, O1 и O2 и крепились на головке с помощью крышки (EASYCAP GmbH, Herrsching, Германия). Электрод сравнения располагался на FCz, а заземляющий электрод — в положении AFz. Электроды соединяли с головкой с помощью высоковязкого электролитного геля (SuperVisc, Easycap, Herrsching, Германия). Все импедансы поддерживались ниже 10 кОм на протяжении экспериментальных сессий.Данные ЭЭГ были собраны в экранированном помещении, и не наблюдались спектральные пики при 50 Гц. Необработанные данные ЭЭГ были записаны и сохранены для автономного анализа с использованием BrainVision Analyzer 2.1 (Brain Products GmbH, Мюнхен, Германия). Запись ЭЭГ включала измерение состояния покоя и состояла из состояний открытых и закрытых глаз, чередующихся каждые 60 с в течение 4 минут, и измерения на основе задачи.

Предварительная обработка и анализ данных ЭЭГ

Записи ЭЭГ были подвергнуты полосовой фильтрации в автономном режиме в диапазоне от 1 до 30 Гц (48 дБ / октава) и повторно привязаны к среднему эталону.Сигнал VEOG через канал Fp2 использовался для обработки артефактов движения глаз в записях ERP с использованием метода Граттона и Коулза ⁹², встроенного в BrainVision Analyzer 2.1. Затем данные ЭЭГ были привязаны по времени к появлению интересующего стимула в каждой задаче. Эпохи начинались за 100 мс до начала стимула и заканчивались через 700 мс после начала стимула в SRTT, за 100 мс до начала целевого значения и заканчивались через 1000 мс после начала действия цели в задачах 3-back и AX-CPT и за 100 мс до начала стимула. и закончился через 1000 мс после начала стимула в задаче Струпа (как конгруэнтные, так и неконгруэнтные испытания).Эпохи были скорректированы по базовой линии с использованием временного окна -100-0 мс. Артефакты были идентифицированы с использованием комбинации автоматизированного (размах артефактов более 100 мкВ) и ручного процесса отбора. Сегменты были удалены на основе этого автоматического выбора и визуального осмотра для выявления артефактов, связанных с другими источниками ненейрогенной активности. Остальные эпохи были усреднены для расчета среднего ERP. Средняя ERP блоков 5, 6, 7 в задаче SRTT была основана на 120 попытках на блок.В задачах N-back и AX-CPT средний ERP попаданий (правильный ответ) был основан на 40 и 96 испытаниях соответственно. В задаче Струпа средний ERP конгруэнтных и неконгруэнтных испытаний был основан на 40 и 120 испытаниях, соответственно. Для анализа были исследованы следующие усредненные компоненты: (1) P300 на электроде Pz, Cz и P3 во временном окне 250–500 мс после начала стимула в обучающих блоках SRTT (блоки 5, 6, 7), (2) P300 на электроде Fz и Cz во временном окне 300-600 мс ^93,94 после начала целевого стимула в задаче 3-back, (3) N200 и N450 на электроде Fz и Cz во временных окнах 200–300 мс и 400–550 мс, соответственно, после начала конгруэнтных и инконгруэнтных испытаний ⁵⁰ в задаче Струпа и (4) P300 на электродах Fz и Cz в пределах временного окна 300–600 мс ^{93, 95} после начала действия цели (когда целевой букве X предшествовала метка A) в задаче AX-CPT.Временные окна были выбраны на основе предыдущих исследований и обозначены как максимальное положительное или отрицательное отклонение, возникающее в окне задержки после стимула. Данные состояния покоя ЭЭГ были предварительно обработаны, как описано выше. Здесь данные были разбиты на 2-х эпохи. Анализ с быстрым преобразованием Фурье (длина окна Хеннинга: 10%) был выполнен по эпохам для получения спектральных уровней мощности в бета (13–30 Гц), альфа (7–13 Гц), тета (4–7 Гц) и дельта (1–4 Гц) диапазон.

Статистический анализ

Анализ данных проводился с помощью статистического пакета SPSS, версия 26.0 (IBM, SPSS, Inc., Чикаго, Иллинойс) и GraphPad Prism 8.2.1 (GraphPad Software, Сан-Диего, Калифорния). Рисунки были созданы с помощью Microsoft PowerPoint и Prism 8.2.1. Основные анализы проводились с использованием смешанных моделей ANOVA с факторами как между субъектами, так и внутри субъектов. Был проведен тест сферичности Мочли, и при необходимости применялась поправка Гринхауса – Гейссера. Нормальность и однородность дисперсии данных, собранных с помощью различных измерений, были подтверждены тестами Шапиро – Уилка и Левина соответственно.Размер выборки был предварительно определен с помощью анализа мощности (см. Раздел «Участники»).

Анализ данных корковой возбудимости

Для протоколов TMS с условием двойного импульса (то есть SICI-ICF, облегчение I-волны, SAI) полученные средние значения были нормализованы к соответствующему испытательному импульсу. Сначала были рассчитаны средние значения индивидуально, а затем индивидуальные средние значения были рассчитаны для каждого условия. Для кривых I – O использовались абсолютные значения MEP. Для проверки статистической значимости были выполнены смешанные факторные дисперсионные анализы с повторными измерениями (ISI × дневное время × хронотип) с ISI, интенсивностью TMS (только на кривой I – O) и временем дня (утро или вечер) в качестве факторов внутри субъекта. , хронотип (ЭК против LC) как фактор между субъектами, амплитуда MEP как зависимая переменная и возраст, пол и ИМТ как коварианты.В случае получения значимых результатов ANOVA, апостериорные сравнения были выполнены с использованием апостериорных тестов t с поправкой Бонферрони для сравнения средних амплитуд MEP каждого состояния с исходным MEP и для сравнения предпочтительного циркадного ритма и не предпочтительного циркадного времени в пределах и между группами. Чтобы определить, различались ли условия однократного импульса в течение дня, они были введены в качестве зависимых переменных в смешанный факторный анализ ANOVA с временем дня (утро, вечер) в качестве фактора внутри субъекта и хронотипом (ЭК по сравнению с LC) в качестве межсубъектный фактор.Средние значения условий одиночного импульса (контрольное условие) не различались между утренними и вечерними сессиями для обеих групп в SICI-ICF, фасилитации I-волны и SAI (дополнительная информация).

Анализ данных о нейропластичности, индуцированной tDCS

Размах амплитуды 25 MEP, полученных для каждой временной точки (BL, 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 минут после tDCS), вычисляли и усредняли вместе для каждого состояния tDCS утром и вечером. Чтобы определить, различались ли индивидуальные базовые показатели между сеансами, SI1mV и исходный MEP были введены в качестве зависимых переменных в ANOVA с повторными измерениями с сеансом (шесть уровней) в качестве внутрисубъектного фактора и хронотипом (ЭК против LC) в качестве межсубъектного фактора. .Базовые амплитуды MEP (абсолютные значения) для каждого состояния tDCS достоверно не различались (дополнительная таблица 3). Средняя амплитуда MEP для каждой временной точки измерения была нормализована к базовой линии сеанса (индивидуальное отношение среднего значения к исходному среднему), в результате чего были получены значения, представляющие либо повышенную (> 1,0), либо пониженную (<1,0) возбудимость. Затем были рассчитаны индивидуальные средние значения нормализованного MEP для каждой временной точки и введены в качестве зависимых переменных в смешанный факторный дизайн с повторными измерениями ANOVA (стимуляция × временная точка × дневное время × хронотип) с условием стимуляции (анодное, катодное, имитационное), временной точкой (восемь уровни), а также время дня (утро или вечер) в качестве внутрисубъектных факторов и хронотип (ЭК против LC) в качестве межсубъектного фактора, а также возраст, пол и ИМТ в качестве ковариант.В случае значимых результатов ANOVA, апостериорные сравнения амплитуд МВП в каждую временную точку выполнялись с использованием апостериорных тестов Бонферрони t , чтобы проверить, привела ли активная стимуляция к значительному различию по сравнению с фиктивным (сравнение 1), исходным (сравнение 2), соответствующие условия стимуляции в предпочтительные для циркадных ритмов по сравнению с не предпочтительными для циркадных ритмов (сравнение 3) и сравнения между группами в соответствующие моменты времени (сравнение 4).

Анализ поведенческих данных

Были рассчитаны средние значения RT и точности для блоков 5, 6 и 7 SRTT.Испытания с неправильными ответами, а также испытания с RT <150 мс ^96,97 или> 3000 мс, а также испытания, которые отклонялись на 3 или более стандартных отклонения от среднего индивидуального времени ответа, были отброшены ⁹⁸. Один участник мог определить последовательность стимулов, и соответствующие данные были исключены из анализа. Средние RT были стандартизированы для блока 1 для каждого субъекта в каждый момент измерения отдельно. Стандартное отклонение RT для каждого предмета и учебного блока рассчитывалось как индекс изменчивости RT.Среднее значение RT, вариабельность RT и точность блоков были введены в качестве зависимых переменных в смешанный факторный анализ ANOVA с повторными измерениями (блок × дневное время × хронотип) с блоками (5, 6, 6, 7) и временем дня (утро vs. вечер) как внутрисубъектные факторы и хронотип (ЭК против LC) как межсубъектный фактор. Поскольку различия RT между блоками 5 против 6 и 6 против 7 представляли большой интерес, были проведены апостериорные сравнения разницы RT между этими блоками с использованием тестов для парных выборок t (двусторонний, P <0.05) без поправки на множественные сравнения. Для задач 3-back, Stroop и AX-CPT, среднее значение и стандартное отклонение RT и точности были рассчитаны и введены в качестве зависимых переменных в смешанный факторный анализ ANOVA (дневное время × хронотип) с указанием времени дня (утро или вечер) и хронотипа. как внутрисубъектные и межсубъектные факторы соответственно. Возраст, пол и ИМТ были введены как коварианты во всех ANOVA. Для получения значимых результатов дисперсионного анализа, апостериорные сравнения зависимых переменных в течение дня (утро и вечер) были выполнены с использованием парных выборок t тестов (двусторонний, P <0.05) без поправки на множественные сравнения, поскольку мы сравнивали только два условия.

Корреляционный анализ

Чтобы оценить взаимосвязь между индуцированной нейропластичностью и обучением двигательной последовательности, а также взаимосвязь между корковой возбудимостью и выполнением когнитивных задач, мы использовали двумерный линейный регрессионный анализ (корреляция Пирсона, односторонняя). Для первой корреляции мы использовали отдельные большие усредненные амплитуды МВП, полученные из анодных и катодных tDCS, объединенных для моментов времени от 0 до 20 минут после вмешательства, которые показали пластические реакции во всех условиях в предпочтительное время дня и индивидуальные показатели двигательного обучения. полученные на основе различий RT в блоке 5 и 6 как для предпочтительного циркадного ритма (утро для EC, вечер для LC), так и для не предпочтительного (вечер для EC, утро для LC) времени.Для второй корреляции мы использовали отдельные большие усредненные амплитуды MEP, полученные по каждому протоколу TMS, и индивидуальную точность / RT, полученную для каждой задачи как в предпочтительное для циркадных ритмов, так и в нежелательное время.

Анализ данных ЭЭГ

Предварительная обработка и анализ данных ЭЭГ были описаны в предыдущем разделе. Для всех задач индивидуальные средние ERP были усреднены и введены в качестве зависимых переменных в смешанный факторный анализ ANOVA (дневное время × хронотип) с временем дня (утро или вечер) как внутри субъекта и хронотипом (ЭК против LC) как между субъектами. факторы.Никакой коррекции не использовалось для исследования нескольких местоположений электродов. Данные ЭЭГ одного участника в задаче Струпа, которые не были записаны должным образом из-за технических трудностей, и другого участника, чьи поведенческие данные SRTT были исключены, были отброшены.

Сводка отчетов

Дополнительная информация о дизайне исследования доступна в Сводке отчетов по исследованиям природы, связанной с этой статьей.

Функциональная специфика человеческого мозга: окно в функциональную архитектуру разума

Аннотация

Состоит ли человеческий разум / мозг из набора узкоспециализированных компонентов, каждый из которых выполняет определенный аспект человеческого познания, или это больше универсальное устройство, в котором каждый компонент участвует в самых разных когнитивных процессах? На протяжении почти двух столетий сторонники специализированных органов или модулей разума и мозга — от френологов до Брока, Хомского и Фодора — соперничали со сторонниками распределенной когнитивной и нейронной обработки — от Флоранса до Лэшли, Макклелланда и Румелхарта.Я утверждаю, что исследования с использованием функциональной МРТ начинают отвечать на этот давний вопрос с новой ясностью и точностью, показывая, что по крайней мере несколько конкретных аспектов познания реализуются в областях мозга, которые являются узкоспециализированными только для этого процесса. Были идентифицированы области коры, которые специализируются не только на основных сенсорных и моторных процессах, но и на высокоуровневом перцепционном анализе лиц, мест, тел, визуально представленных слов и даже для очень абстрактной когнитивной функции размышления о мыслях другого человека. .Я также рассматриваю оставшиеся без ответа вопросы о том, какая часть разума и мозга состоит из этих функционально специализированных компонентов и как они возникают в процессе развития.

Понимание природы человеческого разума, возможно, является величайшим интеллектуальным поиском всех времен. Это также одна из самых сложных задач, требующая объединенного понимания не только психологов, компьютерных ученых и нейробиологов, но и мыслителей практически во всех интеллектуальных областях, от биологии и математики до искусства и антропологии.Здесь я обсуждаю один плодотворный в настоящее время компонент этого грандиозного предприятия: попытку вывести архитектуру человеческого разума из функциональной организации человеческого мозга.

Идея о том, что человеческий разум / мозг состоит из узкоспециализированных компонентов, возникла у венского врача Франца Йозефа Галля (1758–1828). Галл предположил, что мозг является средоточием разума, что разум состоит из различных умственных способностей и что каждая умственная способность находится в определенном мозговом органе.Горячие дебаты о локализации функций в мозге бушевали в течение следующего столетия ( SI Text ), и многие из основных фигур в истории нейробиологии высказались в пользу (Брока, Бродманн и Ферье, и Флуранс, Гольджи, и Лэшли возражали). К началу 20 века пришел к консенсусу, что, по крайней мере, основные сенсорные и моторные функции находятся в специализированных областях мозга.

Однако на этом дебаты не закончились. Сегодня, столетие спустя, по-прежнему ведутся ожесточенные споры по двум вопросам.Во-первых, насколько функционально специализированы области мозга? Концепция функциональной специализации — это не все или ничего, а вопрос степени; область коры может быть лишь немного больше задействована в одной психической функции, чем другая, или она может быть задействована исключительно в одной психической функции. Многие нейробиологи сегодня оспаривают сильную (эксклюзивную) версию функциональной специализации. Как сказал один визуальный нейробиолог, «каждая экстрастриированная зрительная область вместо того, чтобы выполнять уникальный однофункциональный анализ, задействована, как и большинство нейронов в зрительной системе, во многих различных задачах» (1).

Второй продолжающийся спор касается вопроса о том, выполняются ли только основные сенсорные и моторные функции в функционально специализированных областях, или то же самое может быть верно даже для когнитивных функций более высокого уровня. Хотя кто-то может подумать, что Брока решил этот вопрос, продемонстрировав, что левая лобная доля специализируется на языковых аспектах, нынешний статус этой дискуссии далеко не ясен. Действительно, недавний авторитетный обзор литературы по языку, посвященной визуализации мозга, заключает, что «области мозга, связанные с обработкой речи, по-видимому, задействованы в других когнитивных областях» (2).Случай с языком не уникален. Действительно, похоже, что в моде негативная реакция на сильную функциональную специализацию. В недавнем учебнике по нейровизуализации утверждается, что «в отличие от френологов, которые считали, что очень сложные черты связаны с отдельными областями мозга, современные исследователи признают, что… одна область мозга может участвовать более чем в одной функции» (3).

В этом обзоре я обращаюсь к этим продолжающимся спорам о степени и природе функциональной специализации человеческого мозга, утверждая, что недавние исследования нейровизуализации продемонстрировали, что по крайней мере несколько областей мозга в значительной степени специализированы для отдельных когнитивных функций высокого уровня.Чтобы доказать свою правоту, я сначала описываю трех кандидатов на такие функционально специфические области мозга, выявленные в моей лаборатории. Затем я рассматриваю, какая часть мозга состоит из функционально специализированных областей: обнаруживаются ли они только для высокоуровневых функций восприятия или также для компонентов абстрактного мышления? Затем я спрашиваю, как эти регионы возникают в процессе развития; то есть, каковы точные роли генов и опыта в развитии этих регионов? В SI Text я обращаюсь к ключевой проблеме специфичности веретенообразной области лица (FFA) и области парагиппокампа (PPA), и я рассматриваю вычислительные преимущества, которые могут быть предоставлены специализированными областями в первую очередь.В заключение я предполагаю, что когнитивные функции, реализованные в специализированных областях мозга, являются сильными кандидатами на роль фундаментальных компонентов человеческого разума.

Доказательства нейровизуализации функциональной специализации вентрального зрительного пути

С тех пор, как Брока, неврологи и когнитивные нейробиологи исследовали когнитивные нарушения у людей с очаговыми поражениями головного мозга, предоставив обширные доказательства локализации по крайней мере некоторых функций в человеческом мозге.Изучение неврологических расстройств — один из немногих методов, который позволяет сделать убедительные выводы не только о вовлечении, но и о необходимости данной области мозга для определенной когнитивной функции у людей. Однако, даже если существует конкретная функционально специфическая область, поражение вряд ли повлияет на всю и только эту область, поэтому чистые функциональные диссоциации в литературе о пациентах встречаются редко. Таким образом, визуализация головного мозга [и, в частности, функциональная МРТ (фМРТ)] является мощным дополнением к исследованиям поражений, позволяя безопасно и неинвазивно контролировать нервную активность в нормальном мозге человека с разрешением, приближающимся к миллиметровому диапазону.Принцип, лежащий в основе фМРТ, заключается в том, что кровоток увеличивается локально в активных областях мозга. Хотя точные нейронные события, которые отражает фМРТ, являются предметом текущих исследований, общая валидность метода как индикатора нейронной активности очевидна из исследований, воспроизводящих с помощью фМРТ свойства зрительной коры головного мозга, ранее установленные золотым стандартом. запись одиночных нейронов у обезьян. Тысячи статей использовали фМРТ, чтобы спросить об относительном вкладе различных областей человеческого мозга в широкий спектр когнитивных функций.Моя лаборатория была специально сосредоточена на вопросе, задействована ли какая-либо из этих областей мозга специально для одной когнитивной функции высокого уровня.

Поддерживая идею о том, что некоторые области мозга действительно задействованы в определенных психических функциях, мы определили ряд областей коры (рис. 1), которые выборочно реагируют на отдельные категории визуально представленных объектов: в первую очередь, FFA, которая реагирует выборочно. к лицам (4, 5), PPA, который избирательно реагирует на места (6), и на экстрастриатную область тела (EBA), которая избирательно реагирует на тела и части тела (7).

Рис. 1.

На этой схематической диаграмме показан приблизительный размер и расположение областей человеческого мозга, которые задействованы специально при восприятии лиц (синий), мест (розовый), тел (зеленый) и визуально представленных слов (оранжевый). , а также область, которая выборочно задействована, когда думает о мыслях другого человека (желтый). Каждая из этих областей может быть обнаружена при кратком функциональном сканировании практически у всех нормальных субъектов.

Эти три области мозга — не единственные, которые, как утверждается, выполняют определенные функции восприятия (8).Вероятно, самым сильным другим случаем является зрительная зона MT / V5, которая намного раньше с помощью нейрофизиологических методов показала ключевую причинную роль в восприятии зрительного движения у обезьян (9-11), а позже была идентифицирована у людей с помощью визуализации мозга (12, 13). Однако даже этот классический пример функциональной специфичности не обрабатывает исключительно визуально-двигательную информацию; эта область также содержит информацию о глубине стерео (14). Другим убедительным примером функциональной специфичности простого визуального измерения является цвет (15), для которого недавние данные, полученные как при фМРТ, так и при однократной записи, указывают на существование цветоселективных «шариков» размером в несколько миллиметров в задней нижней височной коре у макак ( 16, 17).Сообщается, что другие области мозга избирательно участвуют в обработке информации о биологическом движении (18), визуально управляемом достижении (19) и захвате (20). Однако для большинства случаев в литературе по нейровизуализации основным утверждением является региональная специфичность (то есть, что задействованная функция активирует эту область больше, чем другие области мозга), а не функциональную специфичность (т.е. эта функция по сравнению с другими функциями). Напротив, в этой статье основное внимание уделяется вопросу функциональной специфичности, потому что это вопрос, который имеет решающее значение для понимания архитектуры человеческого разума (рис.1).

Свидетельства, которые мы и другие собрали по FFA, PPA и EBA, обеспечивают необычно сильную поддержку функциональной специфичности этих регионов по трем причинам. Во-первых, каждый из этих регионов был последовательно обнаружен в десятках исследований во многих лабораториях; хотя их теоретическое значение можно обсуждать, их существование невозможно. В самом деле, эти области находятся более или менее в одном и том же месте практически у каждого неврологически интактного субъекта; они являются частью базовой функциональной архитектуры человеческого мозга.Во-вторых, селективность категории, по которой определяется каждый регион, не только статистически значима, но и имеет большой размер эффекта: каждая из этих областей примерно в два раза сильнее реагирует на стимулы из своей предпочтительной категории, чем на любые нежелательные стимулы. * Хотя величина эффекта равна обычно игнорируется в литературе по визуализации мозга, но этого не должно быть, поскольку это определяет силу вывода, который вы можете сделать: если вы знаете, как удвоить реакцию области, вы, как правило, лучше справляетесь с ее функцией, чем если бы вы просто знаю, как изменить его реакцию на небольшую величину.В-третьих, тот факт, что эти области могут быть легко обнаружены у любого нормального субъекта, делает возможной стратегию исследования «области интереса» (ROI), при которой область сначала функционально идентифицируется у каждого субъекта индивидуально в коротком сканировании «локализатора», а затем реакция этой области измеряется в любом количестве новых условий, которые проверяют конкретные гипотезы о ее точной функции. Именно тот факт, что ответы FFA, PPA и EBA были количественно определены в каждом из десятков различных стимулов и манипуляций с задачами, позволяет нам с уверенностью сказать, что каждый из этих регионов в первую очередь, если не исключительно, задействован. при обработке предпочтительного класса стимулов (лица, места и тела соответственно).Взятые вместе, эти три области представляют собой одно из самых убедительных доказательств того, что по крайней мере некоторые области коры избирательно участвуют в обработке определенных классов стимулов. Затем я суммирую доказательства специфичности каждой из этих областей для определенного класса стимулов.

FFA.

FFA — это область, обнаруженная в срединно-верзинной извилине (на нижней поверхности коры головного мозга чуть выше мозжечка), которая реагирует значительно сильнее, когда субъекты рассматривают лица, чем когда они рассматривают объекты (4, 5, 23).Эта область аналогично реагирует на самые разные виды изображений лиц (24), включая фотографии знакомых и незнакомых лиц, схематические лица, мультяшные лица и морды кошек, а также лица, представленные в разных размерах, местах и точках обзора (25 , 26). Важно отметить, что при использовании методов визуализации с относительно высоким разрешением (включая индивидуально-субъектный анализ без пространственного сглаживания) не сообщалось, что ни один объект, не являющийся лицом, производил более половины отклика, обнаруженного для лиц в этой области.Кроме того, данные (27, 28) позволяют нам отвергать предложенные ранее альтернативные гипотезы о том, что FFA не реагирует конкретно на лица, а скорее занимается детальным различением экземпляров любой категории или любой категории, для которой исследуемый приобрел значительный опыт. Важно отметить, что величина ответа FFA коррелирует испытание за испытанием с успехом как в обнаружении присутствия лиц, так и в идентификации отдельных лиц (29, 30). Таким образом, как обсуждается далее в SI Text , FFA, кажется, играет центральную роль в восприятии лиц, но играет небольшую, если вообще, роль в восприятии объектов, не являющихся лицами.Эта гипотеза согласуется с доказательствами того, что ( i ) реакции избирательного выбора лица наблюдались примерно в этом месте в записях субдуральных электродов из мозга субъектов, подвергающихся дооперационному картированию для лечения эпилепсии (31–33) и ( ii ) поражений. примерно в этом месте может приводить к избирательным нарушениям восприятия лица (34).

Ответить на вопрос, что именно FFA делает с лицами, было сложнее. Однако текущие данные указывают на то, что он чувствителен ко многим аспектам раздражителей лица, включая части лица (глаза, нос и рот), Т-образную конфигурацию этих черт и внешние черты лица, такие как волосы (35), и что репрезентации извлеченные в FFA, показывают некоторую инвариантность при изменении положения стимула и меньшую инвариантность при изменении точки зрения (25), отражая сопоставимые поведенческие результаты.Кроме того, FFA демонстрирует нейронные корреляты давно известных поведенческих сигнатур восприятия (28), включая непропорциональные эффекты инверсии (36) и чувствительность к целостной информации на вертикальных, но не перевернутых лицах (37). Несмотря на эти первоначальные идеи, важные открытые вопросы о FFA еще предстоит решить, включая более точную характеристику извлекаемых им представлений и вычислений, которые он выполняет, играет ли он некоторую (хотя и меньшую) роль в восприятии каких-либо объектов, отличных от лица. , является ли он цитоархитектонически отличным от своих соседей, с какими другими регионами он связан, модулируют ли и каким образом взаимодействия с другими регионами или участвуют ли в вычислениях, проводимых в FFA, и составляет ли он единую смежную область на поверхности коры.

PPA.

PPA функционально определяется как область, прилегающая к коллатеральной борозде в парагиппокампальной коре, которая значительно сильнее реагирует на изображения сцен, чем объекты (6). PPA реагирует на широкий спектр сцен, включая сцены в помещении и на открытом воздухе, знакомые и незнакомые сцены и даже абстрактные сцены, сделанные из Lego (38, 39). PPA в первую очередь реагирует на пространственную компоновку окружения: его реакция не уменьшается, когда все объекты удаляются из внутренней сцены, оставляя только пол и стены (6).Этот профиль ответа дразняще напоминает геометрический модуль (40, 41), выведенный из поведенческих данных, в которых крысы и человеческие младенцы (и взрослые, чья языковая система связана одновременной вербальной задачей) полагаются исключительно на расположение пространства, а не на объекты или ориентиры, чтобы переориентироваться в окружающей среде после того, как они дезориентированы. Доказательства того, что PPA активируется не только при обработке информации о пространственном расположении, но и что он дополнительно необходим для этой функции, поступают от пациентов с повреждением в PPA или рядом с ним, которые испытывают трудности с кодированием информации о пространственном расположении и, в более общем плане, в зная, где они находятся (42, 43).Точная роль PPA в восприятии места и навигации является предметом постоянных исследований (38, 39).

EBA.

EBA — это область на боковой поверхности мозга, примыкающая (а иногда частично перекрывающаяся) к области визуального движения MT, которая значительно сильнее реагирует на изображения тел и частей тела, чем на изображения предметов или лиц. Эта область одинаково реагирует на визуально очень разные изображения тел и частей тела, от фотографии руки до фотографии тела (человека или животного) и схематической фигурки человека.Доказательства того, что эта область активируется не только во время, но и необходима для восприятия тел, получены из исследований, в которых нарушение EBA из-за поражения головного мозга (44) или транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) (45, 46) ухудшает восприятие тела. форма тела, но не восприятие лиц или формы объекта (45). Кроме того, текущие данные показывают, что EBA больше вовлечен в восприятие тел других людей, чем свое собственное (47, 48), и что он больше вовлечен в восприятие формы / идентичности тел, чем в действиях, которые они выполняют (44 , 49–51).

Овалы, градиенты или архипелаги?

Для простоты я рассмотрел функционально специфические области коры головного мозга, как если бы они были дискретными объектами с острыми, хорошо очерченными краями, такими как почки, печень и сердце. В самом деле, некоторые функциональные подразделения коры головного мозга очень резкие, например, граница между ретинотопными зрительными областями V1 и V2. Однако нет оснований предполагать, что все функциональные различия в мозге имеют идеально острые грани. Точно так же не должно быть требования, чтобы эти области имели простую выпуклую форму.Можно ожидать областей неправильной формы с длинными усиками или даже нескольких несмежных, но близких (и предположительно связанных) подобластей. Если при более высоком разрешении станет ясно, что FFA на самом деле представляет собой набор отдельных несмежных областей («архипелаг веретенообразного лица»?), Это вызовет напряжение аналогии с органами, но все же оставит жизнеспособным значимый смысл, в котором эти несмежные участки образуют функционально отдельная система, во многом как Мауи и Ланаи имеют глубокое геологическое, биологическое и культурное сходство в силу того, что они являются частью Гавайских островов, несмотря на наличие между ними водного канала.Однако чем больше регион оказывается сильно пересеченным с другими функционально различными объектами и чем больше его границы напоминают произвольную точку отсечения при постепенном функциональном изменении коры головного мозга (52), тем в меньшей степени этот случай будет следовать классической идее функционально обособленная область мозга. Большинство вопросов о биологических системах — это вопрос степени, как и вопрос о функциональной специализации коры головного мозга. Имеющиеся в настоящее время данные свидетельствуют о впечатляющей степени компартментализации по крайней мере в нескольких корковых областях (53).Дальнейшие эксперименты с использованием новых задач и более высокого разрешения обеспечат более точные количественные тесты анатомических различий этих областей.

Таким образом, в настоящее время имеются убедительные доказательства того, что каждая из по крайней мере трех областей коры у человека выборочно (возможно, даже исключительно) задействована в определенных когнитивных функциях: FFA в представлении внешнего вида лиц, PPA в представлении внешнего вида мест, и EBA в представлении внешнего вида тел. (См. Текст SI для моего ответа на важный вызов функциональной специфичности этих регионов.) Хотя я подчеркивал роль каждой из этих областей в визуальном восприятии, их реакция не определяется исключительно стимулом, который просматривает субъект. Активность этих областей может сильно модулироваться зрительным вниманием (54), и они могут быть активированы даже при отсутствии стимула. Простое представление лица (с закрытыми глазами) выборочно активирует FFA, а представление места активирует PPA (55).

Конечно, сложный когнитивный процесс не осуществляется в одной области мозга, и аргументы в пользу специфичности этих областей никоим образом не означают, что другие области мозга не играют никакой роли.Более ранние области коры, такие как первичная зрительная кора, очевидно, имеют решающее значение для восприятия лиц, мест и тел, а более высокие области (например, теменные и лобные области) также, вероятно, необходимы для того, чтобы информация в FFA, PPA и EBA была используются другими когнитивными системами и для достижения осознания (56–58). Кроме того, ни одна из этих областей не является единственной с ее определяющей селективностью. Для лиц избирательные ответы обнаруживаются не только в FFA, но и в близлежащей, но более задней затылочной области лица, а также в других областях в верхней височной борозде (34, 59) и переднем височном полюсе (60).Что касается тел, то избирательные ответы обнаруживаются не только в EBA, но и в веретенообразной области тела (FBA). Для сцен избирательные ответы обнаруживаются не только в PPA, но также и в ретросплениальной коре (RSC) и поперечной затылочной борозде (TOS). Эти другие селективные области не были изучены так же подробно, как FFA, PPA и EBA, поэтому их функции менее ясны. Тем не менее, существование нескольких селективных регионов для каждого из этих трех классов стимулов открывает захватывающую возможность того, что мы можем в конечном итоге понять, как, например, восприятие лица возникает в результате совместной деятельности ряда функционально различных регионов, каждая из которых проводит другой аспект анализа раздражителя лица.В следующих разделах этой статьи я обсуждаю четыре основных вопроса, поднятых в ходе работы над FFA, EBA и PPA, относительно их специфичности, общности, происхождения и вычислительной значимости.

Общность: какая часть мозга состоит из функционально специфических областей?

Доказательства функциональной специфичности в нескольких областях мозга (FFA, PPA, EBA) заставляют вернуться к более широким вопросам, поднятым Галлом, Фуренсом и Брока: какая часть мозга состоит из областей, которые выборочно задействованы в определенных когнитивных функциях? функции? Мы рассматриваем этот вопрос, спрашивая, существуют ли другие специализированные области мозга для ( i ) других категорий объектов в вентральном зрительном пути и ( ii ) компонентов мышления высокого уровня.

Другие регионы с селективной категорией?

Есть ли у нас области коры, избирательно участвующие в восприятии змей? Оружие? Овощи? Как спрашивает Пинкер в The Language Instinct , есть ли в мозге производственная секция (61)? А как насчет категорий объектов, которые, возможно, не имели решающего значения для выживания наших предков, но играют центральную роль в современной повседневной жизни, например, автомобили и сотовые телефоны? Вряд ли в мозгу есть место для всех этих категорий или даже для всех важных, и в любом случае неясно, что в любом случае будет достигнуто в вычислительном отношении с помощью такой экстремальной компартментализации.К счастью, мы не ограничены простыми предположениями; мы можем просто эмпирически проверить другие специализированные области мозга. Мы с Даунингом и сделали именно это (62), тщательно проанализировав 20 различных категорий объектов, отобранных по их (спорной) эволюционной значимости (пауки и змеи, хищники, добыча, инструменты, еда), их практической частоте в современной жизни (автомобили, стулья). ) или их значение из предыдущих исследований пациентов с очаговым поражением головного мозга (фрукты и овощи, музыкальные инструменты). Несмотря на репликацию существования кортикальных областей, селективных по лицам, местам и телам у каждого субъекта, мы не нашли доказательств корковой специализации ни для одной из других протестированных категорий объектов.Ранее сообщаемая избирательность для инструментов (63) не была очевидна в наших данных, и любые частичные различия между реакциями на живые и неживые предметы (или одушевленные и неодушевленные предметы) были ограничены уже задокументированными свойствами лица, места и областей тела. . Хотя нулевые результаты всегда могут быть превзойдены более поздними открытиями, сделанными с более высоким пространственным разрешением или большей статистической мощностью, разрешение и мощность, которые были достаточными для надежного воспроизведения FFA, PPA и EBA, не привели к появлению каких-либо новых регионов, зависящих от категории.

Однако центральная концептуальная загадка возникает при поиске областей мозга, селективных для новых категорий объектов: как мы решаем, какие категории тестировать? Если мы продолжим тестирование только тех категорий, которые кажутся нам правдоподобными, то мы рискуем попасть в ловушку наших собственных теоретических предубеждений. Это беспокойство подчеркивается тем фактом, что специализации мозга, уже описанные для лиц, мест и тел, напоминают два из умственных способностей, предложенных Галлом: чувство людей и чувство места.Учитывая, что Галл пришел к этим категориям без реальных доказательств, тот факт, что мы пришли к тем же категориям, вызывает беспокойство. Допускаем ли мы, как френологи, наши культурные предубеждения определять то, что мы находим в мозгу? Являются ли специализации, которые мы обнаруживаем в мозге, своего рода высокотехнологичным проективным тестом?

С помощью строгих экспериментальных методов мы можем снизить вероятность того, что результаты наших экспериментов будут определяться нашими культурными / теоретическими предрасположенностями. Однако как мы можем предотвратить искажение нашим концептуальным багажом пространства гипотез, которые мы рассматриваем? Мои коллеги и я разрабатываем методы обхода этих предубеждений путем поиска структуры в функциональных реакциях вентральной зрительной коры, не зависящей от гипотезы (64–66).Этот метод выполняет поиск в больших наборах данных, состоящих из реакции каждого воксела на большое количество стимулов, и обнаруживает доминирующие профили ответов в этом наборе данных. Важно отметить, что метод ничего не знает о расположении каждого вокселя, поэтому он не предполагает, что функционально связанные воксели являются смежными. Что еще более важно, метод ищет не только селективность для категорий с одним объектом, но, вместо этого, любой профиль реакции на стимулы, который лучше всего характеризует большое количество вокселей (например,g., высокий отклик на все категории, кроме одной или высокий отклик на половину категорий и низкий отклик на другую половину и т. д.).

Для нашего первого теста этого метода мы сканировали субъектов, пока они просматривали восемь различных категорий стимулов. Примечательно, что этот метод спонтанно определил профили избирательной реакции по лицу, месту и телу среди пяти самых надежных профилей (рис. S1 и SI Text ). Еще более впечатляюще то, что когда мы разделяем данные пополам для получения 16 различных состояний (по два на категорию), не сообщая алгоритму, какие пары условий принадлежат к одной и той же категории, алгоритм обнаружил профили реакции, характеризующиеся высокими реакциями на оба состояния лица по сравнению с со всем остальным, хотя эти условия не были отнесены к той же категории.Мы нашли то же самое для сцен и тел. Эти результаты предполагают, что избирательность лица, места и тела — это не просто наши собственные культурные проекции на мозг, но на самом деле они являются неотъемлемой частью реакции мозга на визуальные стимулы. Кроме того, они предполагают, что у нас нет подобной специфичности в мозге для многих других категорий; Избирательность по лицу, месту и телу — это, вероятно, особые случаи. В настоящее время мы проводим более строгую проверку этой гипотезы, генерируя более широкий набор стимулов, более репрезентативных для человеческого визуального опыта, и спрашивая, проявляются ли по-прежнему избирательность лица, места и тела на основе данных, даже если заранее не предполагаются никакие категории стимулов и даже когда мы не начинаем с создания набора стимулов, который содержит значительную долю лиц, мест и тел.Будет очень интересно, если этот новый тест не только (повторно) обнаружит избирательность лица, места и тела, но также обнаружит новые, ранее неизвестные профили реакции.

Избирательные области коры для аспектов мышления?

Возможно, неудивительно, что можно найти отдельные области коры, которые выборочно задействованы в обработке определенных аспектов зрения высокого уровня. В конце концов, мы являемся очень зрительными животными, которые выделяют одну треть нашей коры на различные аспекты зрения, и некоторое разделение вычислительной работы в пределах этого обширного пространства коры, казалось бы, имеет смысл.Но как насчет остального познания? Есть ли у нас специализированный мозговой аппарат для определенных компонентов мысли?

Действительно, делаем. Несколько лет назад Ребекка Сакс сделала удивительное открытие области на стыке височной и теменной долей правого полушария, которая избирательно задействуется, когда человек думает о том, что думает другой человек (67, 68). Используя метод ROI, Saxe и его коллеги (67, 68) идентифицировали эту область (известную как rTPJ) у сотен испытуемых и измерили ее реакцию на широкий спектр задач.Эти данные показывают, что rTPJ сильно реагирует, когда люди читают сценарии, описывающие то, что человек знает или думает, но не когда люди читают сценарии, описывающие физические, а не ментальные представления (например, на картах или фотографиях) или яркие описания физического состояния человека. внешность, не имеющая отношения к содержимому разума человека. Эта область настолько избирательна, что даже не реагирует, когда люди думают о телесных ощущениях другого человека (например, о жажде, голоде, удовольствии), которые являются ментальными состояниями, но не имеют пропозиционального содержания, такого как мысли и убеждения.Что наиболее впечатляюще, эта область активизируется сильнее, когда люди принимают решения о том, что знает другой человек, чем когда они одинаково реагируют на идентичные стимулы, но не истолковывают задачу как относящуюся к мыслям другого человека (69). RTPJ является наиболее функционально селективной высокоуровневой кортикальной областью, описанной у людей.

Открытие rTPJ и характеристика его функциональной специфичности служит доказательством существования того, что функционально специфические области коры не ограничиваются первичными сенсорными и моторными областями или областями восприятия высокого уровня, но могут быть обнаружены, по крайней мере, для один очень абстрактный и высокоуровневый аспект человеческого познания.Это открытие наводит на вопрос, могут ли другие аспекты познания высокого уровня также вычисляться в специализированных областях коры головного мозга. Возможно, наиболее очевидным здесь является случай, предложенный Галлом и Брока: язык. Удивительно, но, несмотря на два столетия исследований, не удалось прийти к единому мнению по вопросу о том, специализируются ли какие-либо области мозга для языка (или его компонентов). Проблема частично возникает из-за противоречия между результатами исследований пациентов с очаговыми поражениями головного мозга, которые предполагают значительную функциональную специфичность некоторых областей коры головного мозга для некоторых аспектов языка, по сравнению с данными из обширной литературы по нейровизуализации по языку, которые предполагают значительное совпадение между лингвистической и нелингвистической обработкой.

Эвелина Федоренко и я утверждали, что одно из возможных объяснений конфликта между этими двумя типами исследований заключается в том, что методы, которые использовались практически во всех предыдущих нейровизуализационных исследованиях языка (групповой анализ), не подходят для выявления функциональной специфичности. . Групповой анализ недооценивает функциональную специфичность, потому что мозги разных людей анатомически сильно отличаются друг от друга, поэтому согласованность между мозгами обязательно несовершенная. В результате функционально разные регионы иногда будут выровнены по одному и тому же месту в пространстве группы (70, 71).Мы с Федоренко сейчас возвращаемся к вопросу о функциональной специфичности языковой системы, используя тот же индивидуально-субъектный метод ROI, который позволил нам обнаружить функциональную специфичность других регионов, описанных выше.

Обратите внимание, что неспособность обнаружить функционально специфические области мозга для данного когнитивного процесса также может быть информативной. Предположим, например, что мы обнаруживаем, что ни одна область мозга не участвует избирательно в каком-либо аспекте языковой обработки, а что все области, которые поддерживают языковую обработку, также вносят существенный вклад в нелингвистические функции.Такое открытие даст мощный ключ к пониманию того, о чем идет речь. В частности, мы хотели бы знать: что это за нелингвистические функции, которые пересекаются (скажем) с синтаксической обработкой? Что он скажет нам о синтаксисе, если у него общий нейронный механизм с (скажем) восприятием музыки, социальным познанием или арифметикой? Такие возможности иллюстрируют захватывающую перспективу открытия компонентов разума и мозга, определяемых не содержанием информации, с которой они работают, а, скорее, вычислительной структурой задач, которые они решают.В самом деле, свидетельства доменов познания, которые не вычисляются в корковой ткани, селективной для этой функции, могут дать ключ к разгадке более широких вопросов о том, какие психические функции получают свой собственный участок недвижимости в мозгу, а какие нет, почему одни это делают, а другие этого не делают, и какие вычислительные преимущества могут иметь в первую очередь функциональная специализация (подробнее обсуждается в SI Text ).

В некотором смысле открытие и описание компонентов разума и мозга, которые являются уникальными для человека, являются наиболее захватывающими.Тот факт, что в нашем уме и мозге есть специальная схема, предназначенная только для того, чтобы выяснить, о чем думает другой человек, говорит нам нечто глубокое о том, что значит быть человеком. Если нам посчастливится обнаружить механизмы мозга, специализирующиеся на других уникальных когнитивных способностях человека, такие как синтаксис или его компонент, это даст не менее захватывающее представление о человеческой природе. Кроме того, такие открытия могут позволить нам проследить эволюционное происхождение рассматриваемой функции. Например, если мы обнаруживаем цитоархитектонические маркеры или маркеры экспрессии генов для области мозга для понимания других умов, мы могли бы затем искать гомологичную область у приматов и исследовать ее функцию.

Обнаружение функционально специфических компонентов разума и мозга, которые не являются исключительно человеческими, но которые являются общими с другими животными, предлагает различные научные возможности. Большинство современных методов, доступных для людей, не позволяют нам точно определить временной ход взаимодействия, причинную роль или связность данной области коры. (Важными исключениями являются исследования с использованием ТМС у нормальных субъектов и электродов, имплантированных для хирургических целей людям.) Мы не можем изучать на людях развитие данной области в контролируемых условиях выращивания, и у нас нет хороших инструментов для изучения реальных нейронных цепей, которые реализуют рассматриваемая когнитивная способность.Однако существуют методы, позволяющие ответить на все эти вопросы у нечеловеческих приматов. Таким образом, открытие функционально специфических областей мозга, которые присутствуют как у людей, так и у макак, таких как избирательные области лица и тела, открывает фантастические возможности для изучения биологических механизмов познания таким образом, который практически невозможен для людей. Открытия (72) избирательных участков лица и тела в коре макак и исследование этих областей с использованием мощных инструментов системной нейробиологии (73–75) обеспечивают потрясающую иллюстрацию идей, которые можно почерпнуть из работы на приматах над нейронная машина зрения высокого уровня.

Истоки: как в процессе развития возникают функционально специфические области?

Хотя очевидно, что гены и опыт играют решающую роль в развитии всех структур мозга, менее ясно, какие из точных деталей схемы каждой области мозга указаны в геноме, а какие получены из опыта. На первый взгляд, существование областей мозга, селективных по лицам, местам и телам, казалось бы, хорошо согласуется с точкой зрения многих наиболее выдающихся сторонников модульности разума и мозга — от Галла до Хомского, Фодора и Пинкера — что органы разума и мозга являются врожденными (т.д., продукты естественного отбора). Действительно, кажется правдоподобным, что быстрое и точное распознавание лиц, мест и тел имело такую ценность для выживания наших предков, что подробные инструкции по подключению конкретных нейронных цепей FFA, PPA и EBA могли быть указаны в геноме. . Однако возможны и альтернативные версии. Совершенно независимо от опыта наших предков, каждый из нас, современных людей, вероятно, смотрит (и уделяет внимание) лицам, местам и телам чаще, чем почти любой другой класс стимулов.Учитывая, что на корковую организацию может влиять опыт, существование регионов, специализирующихся на обработке этих визуальных категорий, может быть результатом обширного опыта, который каждый из нас имеет с этими категориями в течение нашей жизни, без какой-либо конкретной генетической предрасположенности к этим категориям как таковым. Недавние данные, обсуждаемые далее, предполагают, что кортикальный аппарат восприятия лица может быть в первую очередь генетически определен, тогда как избирательность другой близлежащей корковой области может в первую очередь определяться индивидуальным опытом.

Особая роль генов в восприятии лица.

До недавнего времени у нас почти не было соответствующих данных о том, в какой степени существование, местоположение и подробные детали схемы FFA были генетически определены по сравнению с полученными из опыта, что оставляло эту тему широко открытой для страстей и полемики. Однако всего за последние несколько лет появилось несколько новых доказательств, указывающих на особую роль генов в определении нейронного аппарата восприятия лица. Во-первых, врожденное нарушение восприятия лица, прозопагнозия развития, передается в семье (76, 77).Во-вторых, способность к восприятию лица является наследственной (т. Е. Более сильно коррелирована для однояйцевых близнецов, чем для разнояйцевых близнецов), и этот эффект не зависит от наследственности общих способностей, таких как IQ или глобальное внимание (78, 79). В-третьих, пространственное распределение ответов фМРТ по вентральному зрительному пути к лицам больше похоже у монозиготных, чем у дизиготных близнецов; то же самое верно для сцен, но не для стульев или слов (80). Хотя все три открытия предполагают участие генов в обработке лица, они не говорят нам, какие гены задействованы или каким причинным путем они влияют на восприятие лица.Возможно, эти гены просто увеличивают социальный интерес и, следовательно, опыт восприятия лица, улучшая способности посредством тренировок. Или, возможно, они напрямую определяют подробную схему нейронных цепей для восприятия лица. Доказательства того, что гены могут быть в значительной степени ответственны за соединение большей части системы лиц, с небольшой или нулевой ролью опыта работы с лицами, поступают из недавних сообщений о том, что впечатляющие способности распознавания лиц присутствуют у новорожденных людей (81) и даже у маленьких обезьян, выращенных для до 2 лет, не видя лиц (82).Эти результаты подтверждают гипотезу о том, что конкретные инструкции по построению критических цепей для восприятия лица находятся в геноме.

Обратите внимание, что, несмотря на недавние доказательства того, что система лиц может развиваться с небольшим опытом работы с лицами или без него (81, 82), тем не менее ясно, что опыт работы с лицами действительно влияет на систему восприятия лиц. Во-первых, в случае эффекта другой расы психофизические исследования продемонстрировали то, что большинство людей знает из повседневной жизни: мы лучше способны отличать людей от более знакомой, чем менее знакомой расы (также известной как «все они похожи»).Во-вторых, при сужении восприятия способности распознавания лиц, которые изначально эффективны в отношении стимулов лиц всех рас или видов приматов, в течение нескольких месяцев жизни ограничиваются только расой / видом, с которыми сталкивался субъект (82–84). Эта настройка полностью согласуется с мнением о том, что базовая система восприятия лица может возникнуть практически без переживания лица, даже если впоследствии она будет точно настроена на опыте, явление, параллельное развитию языка (85, 86).

Что исследования развития человека говорят нам о происхождении системы лица? Давно считалось, что восприятие лица у людей развивается очень медленно, достигая взрослого уровня только в подростковом возрасте или позже (87, 88).В соответствии с этой точкой зрения, несколько работ по визуализации (89, 90) утверждали, что FFA увеличивается в размерах в подростковом возрасте и даже после него. Некоторые предположили, что это медленное развитие подразумевает, что опыт играет решающую роль в построении системы восприятия лица (89, 90). Однако из этого вывода не следует, поскольку некоторые изменения в развитии, которые происходят спустя долгое время после рождения, определяются в первую очередь генетически, а не экспериментально (как в случае полового созревания). Кроме того, более поздние поведенческие результаты показывают, что до сих пор были протестированы все аспекты обработки восприятия для конкретных лиц (эффекты инверсии, меры целостной обработки и т. Д.) присутствует в самом раннем возрасте, когда-либо тестировавшемся; несколько подписей обработки лица присутствуют в течение первых 3 дней жизни (91). Текущие исследования в нашей и других лабораториях показывают, что СЖК взрослого размера у большинства детей, сканированных в возрасте 5 и 6 лет. Таким образом, несмотря на широко распространенные утверждения об обратном, современные данные о развитии не говорят в пользу медленного развития механизмов восприятия, специфичных для лица.

В целом, хотя точные роли генов и опыт в создании категорийно-селективных областей коры головного мозга еще не ясны, несколько исследований предполагают, что система лица может быть в значительной степени врожденной: опыт работы с лицами может не быть необходимым для первоначального развитие системы восприятия лица, хотя опыт, по-видимому, прекрасно ее настраивает.Тем не менее, если новые данные подтверждают эту точку зрения, это не обязательно означает, что все функционально специфические области коры головного мозга устроены одинаково. В самом деле, функциональная избирательность по крайней мере одной области мозга, области визуальной словоформы, проистекает из опыта человека, а не из его генов, как обсуждается ниже.

По крайней мере, одна функционально специфическая область коры головного мозга получает свою специфику из опыта.

Визуальное распознавание слов представляет собой мощный тест на происхождение корковой избирательности.Каждый в нашей исследуемой популяции имеет обширный опыт изучения визуально представленных слов, поэтому, если опыта когда-либо будет достаточно, чтобы определить избирательность области коры головного мозга для определенного класса стимулов, мы могли бы ожидать найти такой для визуальных слов. Однако, что очень важно, люди читают всего несколько тысяч лет, что, как считается, недостаточно для эволюции сложной структуры. Таким образом, если обнаружена область мозга, которая избирательно реагирует на визуально представленные слова, это может означать, что корковая избирательность может быть определена на опыте (92).Что показывают доказательства?

Ряд исследований, проведенных почти два десятилетия назад, доказывают существование области визуальной словоформы. Однако во многих из этих исследований кортикальный ответ на визуально представленные слова сравнивался с ответом на очень простые базовые задачи (93, 94), оставляя без ответа вопрос о том, является ли эта область специфичной для визуального распознавания слов или играет более общую роль. в распознавании любых сложных зрительных стимулов. В течение нескольких лет мы искали область мозга, которая сильнее реагировала на визуально представленные слова, чем на линейные рисунки знакомых объектов.Хотя изначально нам не удалось найти такую область во многих исследованиях, когда технические достижения позволили нам сканировать с более высоким разрешением, мы затем обнаружили ее у большинства испытуемых (95). Эта область крошечная, примерно одна десятая объема FFA, что объясняет, почему мы не видели ее при стандартных разрешениях изображения (рис. S2 и SI Text ).

Для дальнейшего тестирования селективности этой области мы использовали ту же процедуру локализации и тестирования, которая оказалась эффективной для характеристики FFA, PPA и EBA.В независимых тестах реакции региона мы воспроизвели тот факт, что он в несколько раз больше реагировал на слова, чем на линейные рисунки (рис. S2 A ). Кроме того, мы показали, что в этой области реакция была слабой на стимулы, которые разделяли многие визуальные свойства слов: цепочки цифр и букв в орфографии, незнакомой субъекту (иврит). Реакция на согласные строки была такой же, как и на слова, что говорит о том, что значение и орфографическая регулярность не требуются для активации этой области.Напротив, когда мы сканировали субъектов, которые читают и на английском, и на иврите, мы обнаружили высокую реакцию на слова, написанные на обоих языках (и орфографии) в этой области (рис. S2 B ). Таким образом, реакция этой области определяется индивидуальным опытом. Еще более сильная демонстрация зависимости от опыта в этой области получена из исследования до и после неграмотных китайцев, которые показали избирательную реакцию в этой области после нескольких месяцев обучения чтению, но не раньше (96).

Еще предстоит ответить на многие важные вопросы об этой области коры головного мозга, например, может ли она развиваться в другом месте, если повреждение этой области происходит в детстве (97) или в зрелом возрасте (98, 99), и отражает ли она дискретную функциональную однородный модуль или градиент селективности (52). Какими бы ни были ответы на эти вопросы, текущие данные показывают, что особая избирательность этого региона зависит от конкретного опыта человека, а не от опыта его или ее предков.

Таким образом, недавние исследования начинают проливать свет на роль генов и опыта в происхождении областей коры, избирательно участвующих в определенных когнитивных функциях. Множество доказательств указывают на особую роль генов в подключении системы лица, но, по крайней мере, еще одна область получает свою избирательность на основании опыта. Еще многое предстоит понять в отношении того, как именно гены и опыт формируют нервные цепи.

Выводы

Какая огромная привилегия — иметь доступ к технологиям, о которых Галл и Брока даже не мечтали, технологиям, которые позволяют нам открывать фундаментальные компоненты человеческого мозга.Уже сейчас есть убедительные доказательства того, что области коры головного мозга избирательно участвуют в восприятии лиц, мест, тел и слов, а другая область — в размышлениях о том, что думают другие люди. Возможные корковые специализации для других областей, включая аспекты числа (100), музыки (101) и языка (70), активно исследуются. Возможно получение когнитивно точного списка частей человеческого мозга. Самый захватывающий аспект этого предприятия заключается не в том, где каждый компонент находится в мозге, а в том, какие функции получают свою собственную область мозга и, в конечном итоге, почему одни это делают, а другие, по-видимому, нет.Но даже полный список деталей, каким бы интересным он ни был, — это только первый шаг.

Открылся широкий круг интересных новых вопросов. Какие именно нейронные цепи позволяют каждой области выполнять свою сигнатурную функцию? Почему эти области возникают так систематически там, где они возникают в головном мозге, и бывают ли обстоятельства, при которых область возникает в другом локусе или перемещается после повреждения в свой первоначальный локус? Есть ли какие-то аппаратные ограничения (цитоархитектура, возможность подключения, близость к другим областям и т. Д.)) что заставляет эти регионы возникать, где они есть? Как эти области взаимодействуют друг с другом — и с областями мозга общего назначения (102) — для поддержки сложного познания в реальном мире? Как развивались эти области и какие функции они выполняли у наших предков-приматов? Можно ли нанять каждый регион для выполнения новых задач? Например, можно ли использовать нейронный механизм социального познания, чтобы подумать о настроении финансового рынка или понять, почему компьютерная программа не может понять, что мы хотим, чтобы она делала, и можно ли использовать PPA для понимания карт, архитектурных диаграмм , или графики, изображающие трехмерные ландшафты данных?

Но больше всего психологи вроде меня хотят открыть фундаментальные компоненты не только мозга, но и разума.Чтобы открытия функционально специфических областей мозга были полезны в этом предприятии, нам нужно гораздо более глубокое понимание роли каждой из этих областей в познании. Нам нужны не просто подробные описания функции области (например, восприятие лица), но и точная характеристика вычислений и представлений, проводимых в каждой области. Извлекает ли область лица качественно разные виды изображений из тех, что были извлечены в области местности, как это было предложено обширными исследованиями восприятия лиц и пространственного расположения? Участвует ли он только в представлении физических характеристик лица или содержит информацию о поле, возрасте, расе, настроении или личности человека? Такие методы, как адаптация фМРТ и анализ паттернов фМРТ, начали давать ответы на эти вопросы, хотя каждый метод имеет ограничения, и прогресс на сегодняшний день был скромным.Удовлетворительно точные характеристики психических функций, реализованные в каждой области, потребуют обширной дальнейшей работы с использованием не только фМРТ и других методов, основанных на мозге, но также и дополнительных усилий, чтобы связать эти результаты с поведенческой и вычислительной работой над представлениями и алгоритмами, связанными с различными аспектами познания. .

Благодарности

Многие люди предоставили полезные комментарии к этой рукописи, особенно Бевил Конвей, Сью Коркин, Эв Федоренко, Чарльз Дженнингс, Эрик Кандел, Ханс Оп де Бек, Джон Рубин, Лиз Спелк и Бобби Спеллман.Написание этой статьи было поддержано грантом EY13455 Национального института здоровья (NK) и грантом Медицинского фонда Эллисона.

Сноски

¹ Эл. Почта: ngk {at} mit.edu.
Автор: Н.К. написал газету.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Этот вклад является частью специальной серии инаугурационных статей членов Национальной академии наук, избранных в 2005 году.
* Величины ответа фМРТ обычно измеряются как процент увеличения сигнала по сравнению с низким исходным состоянием (например, фиксация на кресте), поэтому двукратная разница в ответе может соответствовать увеличению сигнала на 2% от фиксации по сравнению с Сигнал увеличивается на 1% от фиксации. Важно отметить, что величина избирательности должна оцениваться с использованием данных, не зависящих от данных, используемых для идентификации региона (21, 22). Селективность недооценивается при использовании методов с низким разрешением (например,g., когда воксели большие, или когда используется пространственное сглаживание или групповой анализ).
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1005062107/-/DCSupplemental.

(PDF) Когнитивные функции, выявленные с помощью изображений человеческого мозга

столбцов, цепей или нейронов. Это может показаться не преимуществом, поскольку фактические

вычислительных единиц мозга не изучены, но относительно грубая шкала

хорошо соответствует многим важным вопросам: отслеживает ли медиальная лобная доля

ответный конфликт? Поддерживают ли

различные аспекты памяти гиппокамп и прилегающий к нему слой коры носа? В настоящее время функции больших участков коры — и

многих подкорковых ядер — остаются в лучшем случае не до конца понятыми.Использование функциональной нейровизуализации для понимания свойств более крупных областей будет первым критическим шагом перед более ограниченными исследованиями с использованием других методов.

Нейровизуализация также дает важные преимущества для изучения функций человеческого мозга.

. Все методы, упомянутые в предыдущем разделе, могут быть использованы с

людьми, так же как все они могут быть использованы с животными. Более того, каждый из них

можно использовать в значительной степени неинвазивным образом, что подходит для использования с

здоровых добровольцев за пределами клинических условий.Есть много случаев, когда один и тот же человек

выполнял несколько исследований фМРТ или ЭЭГ с течением времени, как для понимания основных свойств

каждого метода, так и для понимания изменений в некоторых когнитивных процессах

(например, сверхзадачное обучение). Только ПЭТ имеет некоторые ограничения на повторное участие

из-за необходимости введения радиоактивного изотопа. Наличие людей

может показаться не критичным для прогресса науки; см., например,

замечательных достижений в области науки о зрении, которые были почерпнуты из записей

у кошек и обезьян.Но есть некоторые важные вопросы нейробиологии, на которые нельзя ответить только с помощью экспериментов на животных. Структура и функция некоторых областей мозга

менее консервативны, чем другие у млекопитающих.

Префронтальная кора головного мозга человека, например, занимает гораздо большую часть нашего мозга

, чем у обезьян, кошек или крыс. (Его относительный, если не абсолютный, размер равен

нашим родственникам больших обезьян, которые сами редко подвергаются инвазивным методам нейробиологии.

Наши способности к языку и сопутствующие им области мозга во многом отличаются от коммуникативных способностей других видов. И многие

расстройств познания (например, депрессия) имеют только несовершенные модели на животных.

Наконец, функциональная визуализация мозга сделала многое для повышения узнаваемости

нейробиологии как в более широком научном сообществе, так и в обществе в целом.

Исследования в области нейробиологии внедряются в удивительных местах.Несколько

десятилетий назад даже самый дальновидный нейробиолог мог сомневаться

в перспективах исследований нейробиологии, проводимых на экономических

или философских факультетах — тем не менее, эти области вносят большой вклад в исследования

принятия экономических и моральных решений. Также никто не ожидал, что

ученых-политологов, лингвистов или даже ученых-юристов теперь интегрируют описания функций мозга

в свои теории.Так же, как интерес к нейробиологии увеличился на

, барьеры для проведения исследований уменьшились. В частности,

, доступность фМРТ увеличилась — значительно расширилась за последнее десятилетие

. Исследователи, желающие использовать эту технику, могут изучить ее основы с помощью специальных учебников

, авторитетных курсов и обширных онлайн-материалов

(включая образцы данных). Необходимые протоколы визуализации теперь входят в стандартную комплектацию современных сканеров

, что облегчает сбор данных.А некоторые из ведущих аналитических пакетов

бесплатно предоставляются научному сообществу. Подобное исследование

, которое потребовало бы большой и междисциплинарной группы экспертов из

2218 R. San Martin и S.A. Huettel

Дифференциальный вклад префронтальных и гиппокампальных рецепторов дофамина D1 и D2 в когнитивные функции человека

Введение

Поскольку дофаминовых рецепторов D ₁ в префронтальной коре (ПФК) в несколько раз больше, чем рецепторов D ₂ (Hall et al., 1994), взаимосвязь между рецепторами D ₁ и функциями PFC широко исследовалась. Савагути и Голдман-Ракич (1994) продемонстрировали, что местное введение антагонистов рецептора D ₁ в ПФК вызывает нарушение задачи рабочей памяти у нечеловеческих приматов. У человека Müller et al. (1998) сообщили, что системное введение смешанного агониста D ₁ / D ₂ улучшило рабочую память, тогда как селективный агонист D ₂ не оказал никакого эффекта, что указывает на то, что дофаминергическая модуляция процессов рабочей памяти опосредуется главным образом через D ₁ рецепторов.Использование позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) позволяет количественно определять дофаминовые рецепторы in vivo , и в предыдущих исследованиях сообщалось, что измененные префронтальные рецепторы D ₁ при шизофрении были связаны с дефицитом рабочей памяти (Okubo et al., 1997; Abi- Даргам и др., 2002).

В отличие от рецепторов D ₁, относительно меньше внимания уделяется роли префронтальных рецепторов D ₂ в когнитивных функциях. Сообщалось, что блокада рецепторов D ₂ в ПФК не ухудшала рабочую память у нечеловеческих приматов (Sawaguchi and Goldman-Rakic, 1994), но в некоторых исследованиях на людях сообщалось, что системное введение агониста или антагониста D ₂ модулировало когнитивные функции. которые обслуживаются префронтальной корой (McDowell et al., 1998; Mehta et al., 1999). Поскольку плотность рецепторов D ₂ в экстрастриатальных областях очень мала (Suhara et al., 1999), ПЭТ-исследования, изучающие участие экстрастриатальных рецепторов D ₂ в познании, были ограничены. С введением высокоаффинных радиолигандов ПЭТ, таких как [¹¹ C] FLB457, стало возможным количественное определение экстрастриатных рецепторов D ₂ с помощью ПЭТ (Halldin et al., 1995). Используя [¹¹ C] FLB457, Kemppainen et al.(2003) сообщили, что уменьшение количества рецепторов D ₂ в гиппокампе (HPC) у пациентов с болезнью Альцгеймера коррелировало с нарушениями памяти. Наше недавнее исследование ПЭТ также показало, что рецепторы D ₂ в HPC были связаны не только с функцией памяти, но и с функциями лобных долей (Takahashi et al., 2007), что позволяет предположить, что дофаминергическая модуляция взаимодействий HPC-PFC во время когнитивного процесса (Laroche) et al., 2000; Thierry et al., 2000; Goto, Grace, 2008).

В этом исследовании мы измерили оба рецептора D ₁ и D ₂ в PFC и HPC с помощью ПЭТ у нормальных здоровых субъектов, и стремились выяснить, как региональные рецепторы D ₁ и D ₂ по-разному участвуют в нейрокогнитивном процессе. производительность, включая память и функции лобных долей.Ряд исследований на животных показал, что стимуляция рецепторов D ₁ в ПФК приводит к перевернутой U-образной кривой зависимости реакции от дозы, так что слишком слабая или слишком сильная стимуляция рецептора D ₁ нарушает функции ПФК (Goldman-Rakic et al. ., 2000; Уильямс, Кастнер, 2006; Виджайрагхаван и др., 2007). Мы предположили, что префронтальные рецепторы D ₁ будут больше связаны с функциями лобных долей, чем префронтальные рецепторы D ₂, и что, в частности, будет наблюдаться перевернутая U-образная связь между связыванием префронтальных рецепторов D ₁ и префронтальными функциями. в нормальном физиологическом состоянии у здоровых добровольцев.Кроме того, мы предсказали, что рецепторы D ₂ в HPC будут больше связаны с памятью, чем рецепторы D ₁ в HPC.

Результаты

Среднее значение [¹¹ C] SCh33390 BP _ND для PFC и HPC составило 0,41 ± 0,06 (диапазон: 0,29–0,59) и 0,33 ± 0,09 (диапазон: 0,20–0,53), соответственно. Средние [¹¹ C] FLB457 BP _ND значения PFC и HPC составили 1,16 ± 0,21 (диапазон: 0,82–1,58) и 1,57 ± 0,28 (диапазон: 0,98–1,92), соответственно. Средние баллы нейропсихологических данных показаны в таблице 1.Не было никакого влияния возраста на значения BP _ND [¹¹ C] SCh33390 и [¹¹ C] FLB457 в двух областях интереса, а также на какие-либо нейропсихологические показатели ( p > 0,01).

Таблица 1.

Средние баллы нейропсихологических тестов и линейных отношений между нейропсихологическими показателями и значениями АД _ND [¹¹ C] SCh33390 и [¹¹ C] FLB457 в префронтальной коре и гиппокампе

Квадратичный регрессионный анализ выявил значимую «U-образную» связь между значением BP _ND [¹¹ C] SCh33390 в PFC и TE WCST ( p <0.001, r = 0,72). (Поскольку TE WCST является отрицательной мерой функции лобной доли, соотношение не «инвертируется») (Рис. 1). Значение BP _ND [¹¹ C] SCh33390 в PFC и CA WCST также показало значительную квадратичную (перевернутую U-образную) зависимость ( p <0,001, r = 0,78). Однако не было обнаружено квадратичной связи между значением BP _ND [¹¹ C] FLB 457 в PFC и любыми нейропсихологическими показателями. Линейные отношения между нейропсихологическими показателями и значением BP _ND для каждой области интереса показаны в таблице 1.Что касается рецепторов D ₁, значение BP _ND [¹¹ C] SCh33390 в PFC положительно коррелировало с CA WCST ( p = 0,049, r = 0,42) и отрицательно коррелировало с TE. WCST ( p = 0,049, r = -0,41), хотя эти отношения не выдержали порогового значения, скорректированного для множественных сравнений. Значение BP _ND [¹¹ C] SCh33390 в HPC не коррелировало с какими-либо нейропсихологическими показателями.Что касается рецепторов D ₂, значение BP _ND [¹¹ C] FLB457 в HPC положительно коррелировало с оценками немедленного и отсроченного отзыва ROCFT и фонематической вербальной беглостью и отрицательно коррелировало с CA и TE WCST. . Значение BP _ND [¹¹ C] FLB457 в PFC не коррелировало с какими-либо нейропсихологическими показателями. На рисунке 2 показаны эти отношения.

Рисунок 1.

Квадратичная (перевернутая U-образная) зависимость между связыванием рецептора D ₁ в PFC и производительностью WCST. A , анализ ROI выявил значительную квадратичную регрессию между значением BP _ND [¹¹ C] SCh33390 в PFC (BP _{D1 PFC}) и TE WCST. Красная сплошная линия — квадратичная регрессия; черная ломаная линия, линейная регрессия. На основе анализа ROI связь между BP _{D1 PFC} и TE может быть выражена следующим образом: TE = 326,92 (BP _{D1 PFC} −0,47) ² +9,10. B . Используя это уравнение, анализ SPM также выявил значительную квадратичную регрессию между связыванием префронтального рецептора D ₁ и TE WCST ( p <0.001, нескорректированный, порог экстента> 30 вокселов).

Фигура 2.

Корреляция между связыванием рецептора D ₂ в гиппокампе и памятью. A , B , Значительные положительные линейные корреляции между значением BP _ND [¹¹ C] FLB457 в гиппокампе и оценкой отсроченного отзыва ROCFT и ( B ) TE WCST, выявленных в результате анализа ROI. C , показан результат SPM положительной линейной корреляции между связыванием рецептора D ₂ гиппокампа и оценкой отложенного отзыва ROCFT ( p <0.005, нескорректированный, порог экстента> 30 вокселов).

Связывание D ₁ в PFC показало значительную корреляцию со связыванием D ₁ в HPC ( r = 0,74, p <0,001) и корреляцию уровня тенденции со связыванием D ₂ в PFC ( r = 0,41 , p = 0,05), но нет корреляции со связыванием D ₂ в HPC ( r = 0,27, p = 0,22). Связывание D ₂ в HPC показало значительную корреляцию со связыванием D ₂ в PFC ( r = 0.50, p = 0,02) и корреляция уровня тренда со связыванием D ₁ в HPC ( r = 0,36, p = 0,09). Связывание D ₂ в PFC не показало корреляции со связыванием D ₁ в HPC.

Используя SPM2, мы провели стандартную морфометрию на основе вокселей без модуляции (Ashburner and Friston, 2000), чтобы проверить, соответствуют ли значения BP _ND [¹¹ C] SCh33390 и [¹¹ C] FLB457 в PFC и HPC. связаны с концентрацией серого вещества в префронтальной области и в гиппокампе на нормализованных изображениях соответственно.Возраст и общий объем серого вещества (GM) рассматривались как искажающие коварианты при анализе ковариации. Общий объем GM был дан как общее количество вокселей в отсеке GM каждого субъекта. Анализ показал, что не было значимой корреляции между значениями АД [¹¹ C] SCh33390 и [¹¹ C] FLB457 в PFC и HPC и концентрацией серого вещества в префронтальной и гиппокампальной областях, соответственно, при порог р = 0.01, без исправлений.

Обсуждение

Хотя связывание рецептора D ₁ в PFC показало положительную линейную корреляцию на уровне тренда с характеристиками WCST, квадратичный регрессионный анализ выявил значительные перевернутые U-образные отношения между рецепторами D ₁ в PFC и WCST. То есть слишком высокий или слишком низкий уровень экспрессии рецептора D ₁ в PFC приводит к большим ошибкам и небольшому количеству достигнутых категорий. Однако связывание рецептора D ₂ в PFC не показало значительной связи с какими-либо нейропсихологическими показателями.Что касается дофаминовых рецепторов в HPC, связывание рецептора D ₂ в HPC показало положительную корреляцию лайнера не только с функцией памяти, но и с функциями лобных долей, тогда как связывание рецептора D ₁ в HPC не показало значительной связи с какими-либо нейропсихологическими показателями. . WCST включает в себя компонент смены установок, а также компонент рабочей памяти, хотя эти две способности не исключают друг друга (Konishi et al., 1999). Рабочая память требует активного обслуживания и манипулирования уникальной для испытаний информацией в буфере краткосрочной памяти (Goldman-Rakic, 1995; Fuster, 2000).Таким образом, смещение установки можно рассматривать как обновление содержимого рабочей памяти, и было продемонстрировано, что обновление содержимого рабочей памяти и изменение когнитивного набора имеют сходный когнитивный аспект (Konishi et al., 1998). Таким образом, у нормальных людей индивидуальные различия в объеме рабочей памяти могут способствовать различию в выполнении тестов на когнитивную гибкость.

Предыдущие исследования на животных продемонстрировали, что местная инъекция антагонистов рецептора D ₁ в ПФУ вызывала нарушение задачи рабочей памяти у нечеловеческих приматов (Sawaguchi and Goldman-Rakic, 1994).В исследовании на людях системное введение смешанного агониста D ₁ / D ₂, перголида способствовало улучшению рабочей памяти, но селективный агонист D ₂ бромокриптин не оказал никакого эффекта, что указывает на опосредованную дофаминергическую модуляцию рабочей памяти. в первую очередь за счет стимуляции рецепторов D _-1 (Müller et al., 1998). Последующие исследования на животных показали, что стимуляция рецепторов D ₁ в PFC вызывает перевернутый U-образный ответ в рабочей памяти, причем реакция оптимизируется в узком диапазоне стимуляции рецептора D ₁ (Goldman-Rakic et al., 2000; Lidow et al., 2003; Кастнер и Гольдман-Ракич, 2004; Симанс и Ян, 2004; Виджайрагхаван и др., 2007). Недавние исследования на людях изучали влияние функционального полиморфизма в гене катехол O -метилтрансферазы, который, как было показано, модулирует уровень префронтального дофамина, на префронтальную функцию. Результаты также показали, что передача дофамина в ПФК вызывает перевернутый U-образный ответ, что означает, что слишком слабая или слишком большая передача сигналов дофамина может нарушить префронтальные функции, хотя эти исследования не смогли определить подтип рецептора, который играет центральную роль в этом эффекте (Mattay и другие., 2003; Williams-Gray et al., 2007).

Наше открытие с помощью ПЭТ является первым прямым доказательством на людях, которое продемонстрировало перевернутую U-образную связь между рецепторами D ₁ в PFC и исполнительной функцией, включая рабочую память, у нормальных здоровых субъектов. Наше предыдущее исследование с использованием ПЭТ показало, что по сравнению с нормальным контролем, рецепторы D ₁ в ПФУ были уменьшены при шизофрении, что было связано с плохой результативностью по WCST (Okubo et al., 1997). Однако другое исследование ПЭТ сообщило, что увеличение количества рецепторов D ₁ в ПФК было связано с дефицитом рабочей памяти при шизофрении (Abi-Darham et al., 2002). Обсуждалось, что эти противоречивые результаты могут быть связаны с несколькими факторами, включая различия в радиолигандах и демографические характеристики пациентов. Хотя причины этих противоречивых результатов должны быть выяснены в будущем, перевернутая U-образная реакция может объяснить дефицит рабочей памяти при шизофрении, независимо от того, увеличиваются или уменьшаются у пациентов D ₁ рецепторы в ПФК, потому что D ₁ рецепторный перевернутый U-образный ответ наблюдается в узком диапазоне нормального физиологического состояния (Williams, Castner, 2006; Vijayraghavan et al., 2007). Перевернутый U-образный ответ был предложен на основе когнитивных и поведенческих исследований, но точный физиологический механизм этого эффекта еще полностью не изучен. Недавнее электрофизиологическое исследование на обезьянах продемонстрировало механизм нейронного уровня, который представляет собой перевернутую U-образную реакцию, при которой слишком сильная или слишком слабая стимуляция префронтальных рецепторов D ₁ приводит к дефициту рабочей памяти. Стимуляция рецептора D ₁ оказывала подавляющее действие на нейронную активность PFC, участвующую в задаче пространственной рабочей памяти.Умеренная стимуляция рецептора D ₁ пространственно настраивает нейроны PFC, которые обрабатывают целевые сигналы, преимущественно подавляя нецелевую (шумную) нейронную активность, тогда как чрезмерная стимуляция рецептора D ₁ вызывает неселективное подавление нейронной активности PFC независимо от того, связана ли нейронная активность с задачей или нет (Vijayraghavan et al., 2007).

Исследования на животных показали, что принцип перевернутой U-образной формы стимуляции рецептора D ₁, опосредующей рабочую память, не обязательно применим к другим префронтальным функциям (Floresco and Magyar, 2006).Таким образом, стоит отметить, что префронтальные рецепторы D ₁ не были связаны с другими префронтальными измерениями, кроме WCST, потому что задание беглости по фонетическим или семантическим сигналам и тест на решение проблем с визуально-пространственным анализом меньше зависят от процесса рабочей памяти.

Учитывая, что связывание D ₁ в PFC не было существенно коррелировано со связыванием D ₂ ни в PFC, ни в HPC, D ₁ — и D ₂-опосредованные процессы рабочей памяти считаются по-разному способствующими завершению WCST.Хотя предыдущие исследования на животных показали, что рабочая память или управляющая функция в основном зависит от рецепторов D ₁, а не от рецепторов D ₂ в ПФК (Sawaguchi и Goldman-Rakic, 1994; Seamans et al., 1998), недавнее исследование на крысах продемонстрировали, что рецепторы D ₂ в PFC необходимы для способности к смене установки (Floresco et al., 2006). Было высказано предположение, что, когда уровень дофамина высок в новых обстоятельствах, префронтальная сеть в основном модулируется рецепторами D ₂.В таком состоянии сеть, вероятно, будет обрабатывать множественную информацию (Seamans, Yang, 2004; Floresco et al., 2006). На этапе смены установок WCST необходимо отказаться от предыдущей стратегии и сравнить альтернативные варианты в новых условиях. После смены наборов внимания нужно изучить и поддерживать новую стратегию WCST. В таком состоянии уровень дофамина считается умеренным, и рецепторы D ₁ играют центральную роль в стабилизации сети (Seamans, Yang, 2004; Floresco et al., 2006). Мы не обнаружили никакой корреляции между связыванием D ₂ в характеристиках PFC и WCST, возможно, это связано с тем, что компонент рабочей памяти и компонент смещения наборов не полностью диссоциированы в WCST (Konishi et al., 1999). Вместо этого связывание D ₂ в HPC было связано с характеристиками WCST. Хотя роль рецепторов D ₂ гиппокампа в смещении установки неизвестна, возможная интерпретация состоит в том, что на начальной стадии смещения установки WCST рецепторы D ₂ в HPC могут играть роль в быстром обучении и сравнении с направляют будущее поведение, и как только новая стратегия усвоена, рецепторы D ₁ в ПФУ могут способствовать стабильности и поддержанию новой стратегии.

Связь между рецепторами D ₂ гиппокампа и памятью согласуется с результатами предыдущих исследований ПЭТ (Kemppainen et al., 2003; Takahashi et al., 2007). Открытие того факта, что связывание гиппокампа D ₂ было больше связано с зрительно-пространственной памятью, чем с вербальной памятью, может быть связано с тем фактом, что вербальное обучение зависит от других областей, помимо HPC, таких как передняя, боковая и верхняя височные доли, которые задействованы у человека. язык, хотя HPC играет центральную роль в обоих типах памяти (Hodges and Graham, 2001).Умегаки и др. (2001) сообщили, что инъекция антагониста рецептора D ₂ в HPC ухудшает характеристики памяти и что ухудшение памяти улучшается путем совместной инъекции агониста рецептора D ₂. Они также обнаружили, что местная инфузия агониста D ₂ в HPC стимулировала высвобождение ацетилхолина в HPC и улучшала вызванное скополамином нарушение памяти (Fujishiro et al., 2005). Кроме того, гиппокампальные рецепторы D ₂, по-видимому, участвуют в синаптической пластичности.Сообщалось, что антагонист D ₂ ингибировал долгосрочную потенциацию в HPC (Frey et al., 1990; Manahan-Vaughan and Kulla, 2003), ключевом механизме, лежащем в основе консолидации памяти (Jay, 2003; Lynch, 2004). Исследования на животных свидетельствуют о том, что рецепторы D _-1 гиппокампа также участвуют в памяти (Hersi et al., 1995a, b; Bach et al., 1999), но подтверждают наши данные ПЭТ, Wilkerson и Levin (1999) сообщили что рецепторы D ₁ гиппокампа не так ответственны за функции памяти, как рецепторы D ₂.

В соответствии с нашим предыдущим исследованием (Takahashi et al., 2007) мы также обнаружили, что рецепторы D ₂ гиппокампа участвуют в выполнении WCST и фонематической вербальной беглости, которая больше зависит от PFC, чем семантическая вербальная беглость. У пациентов с поражениями HPC иногда наблюдается дефицит WCST (Corkin, 2001; Igarashi et al., 2002). Эти наблюдения предполагают, что гиппокампальные рецепторы D ₂ могут модулировать активность PFC посредством пути HPC – PFC, который играет важную роль в когнитивном процессе (Laroche et al., 2000; Thierry et al., 2000). Накапливающиеся данные свидетельствуют о модулирующем влиянии дофамина на взаимодействия HPC-PFC (Seamans et al., 1998; Aalto et al., 2005; Tseng et al., 2007; Goto and Grace, 2008). Вероятно, дофамин влияет на нейроны PFC напрямую через префронтальные рецепторы D ₁ и косвенно через рецепторы гиппокампа D ₂ через путь HPC-PFC.

Müller et al. (1998) сообщили, что системное введение перголида смешанного агониста D ₁ / D ₂ способствовало улучшению рабочей памяти, тогда как селективный агонист D ₂ не имел никакого эффекта.Тем не менее, есть сходные данные исследований на людях и животных, предполагающие участие рецепторов D ₂ в когнитивных функциях. Сообщалось, что системное введение агониста D ₂ человеку улучшает когнитивные функции, включая рабочую память и исполнительные функции (McDowell et al., 1998), а введение антагониста D ₂ нарушает эти функции (Mehta et al. , 1999). В исследовании на животных сообщалось, что у мышей, лишенных рецепторов D ₂, наблюдался дефицит рабочей памяти (Glickstein et al., 2002). Однако эти исследования не выявили регионов, наиболее ответственных за эти эффекты. Более того, хотя участие рецепторов D ₁ в рабочей памяти широко признано, неясно, является ли стимуляция рецептора D ₁ отдельно или комбинация стимуляции рецепторов D ₁ и D ₂ наиболее эффективной. Наше открытие предполагает, что согласование префронтальных рецепторов D ₁ и рецепторов гиппокампа D ₂ может быть необходимо для исполнительных функций, включая рабочую память.

Текущее исследование имеет несколько ограничений. Во-первых, хотя BP _ND представляет собой комплексное значение плотности рецептора и сродства (обратное Kd), предыдущие исследования показали, что сродство не различается в зависимости от региона (Suhara et al., 1999) и что экстрастриатальное связывание текущего ПЭТ лиганды не чувствительны к эндогенному дофамину (Abi-Darham et al., 1999; Okauchi et al., 2001). Тем не менее, мы должны иметь в виду, что значения BP _ND [¹¹ C] SCh33390 и [¹¹ C] FLB457 не обязательно могут быть эквивалентами рецепторных функций D ₁ и D ₂ соответственно.Это подчеркивает необходимость ПЭТ-исследований взаимосвязи BP _ND и пресинаптической функции или вторичного мессенджера за пределами дофаминовых рецепторов. В качестве альтернативы, исследование мультимодальной визуализации, сочетающее текущий метод с другими методами, такими как функциональная МРТ, также может быть полезным для исследования прямой связи между функцией рецептора дофамина и функциями PFC. Во-вторых, мы измерили уровень связывания дофаминовых рецепторов в состоянии покоя, а не во время когнитивных задач.Трудно измерить высвобождение эндогенного дофамина в экстрастриатальных областях с текущими лигандами ПЭТ (Abi-Darham et al., 1999; Okauchi et al., 2001). Будущее исследование радиолигандов, более чувствительных к высвобождению эндогенного дофамина, позволит нам изучить степень его занятости рецепторами. Наконец, из-за ограничений радиолиганда [¹¹ C] данные о связывании [¹¹ C] FLB457 в полосатом теле не были доступны. Стриатум играет важную роль в префронтальном пути к гиппокампу.Данные ПЭТ в полосатом теле позволят лучше понять взаимодействие этих трех областей. Будущее исследование с тройными радиолигандами, такими как [¹¹ C] SCh33390, [¹¹ C] FLB457 и [¹¹ C] raclopride, позволит нам изучить полосатые и экстрастриатальные рецепторы D ₁ и D ₂ в тот же предмет.

Таким образом, мы обнаружили, что существует перевернутая U-образная связь между связыванием рецептора D ₁ в PFC и производительностью WCST, что указывает на перевернутую U-образную связь между префронтальными рецепторами D ₁ и рабочей памятью и префронтальной D _{. Связывание рецептора 2} не связано ни с какими функциями лобной доли.Гиппокампальные рецепторы D ₂, по-видимому, способствуют локальным функциям гиппокампа (долговременная память) и модуляции функций мозга за пределами HPC (функции лобных долей), которые в основном подчиняются PFC через путь HPC – PFC. Наши результаты показывают, что префронтальные рецепторы D ₁ и гиппокампальные рецепторы D ₂ могут быть мишенями для фармакологической терапии когнитивных нарушений и нарушений памяти, наблюдаемых при психоневрологических расстройствах, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и шизофрения.