samenvatting: Onderzoekers hebben ontdekt hoe de hersenen inferentiële redeneringen verwerken door de activiteit van de neuronen van individuen vast te leggen terwijl ze met vallen en opstaan leren. Uit het onderzoek bleek dat bepaalde delen van de hersenen, vooral de hippocampus, geometrische neurale representaties creëren wanneer mensen met succes nieuwe regels afleiden uit voorkennis.
Deze bevindingen geven inzicht in hoe conceptuele kennis in de hersenen wordt gecodeerd en kunnen toekomstige behandelingen voor neuropsychiatrische stoornissen informeren. Het onderzoek heeft ook aangetoond dat vergelijkbare neurale patronen worden gevormd, ongeacht of leren plaatsvindt door ervaring of verbale instructie.
Belangrijkste feiten:
- Het is bekend dat de hippocampus verantwoordelijk is voor het ruimtelijk geheugen en codeert voor cognitieve kaarten voor logisch redeneren.
- Neuronale activiteit is tijdens succesvol denken gevisualiseerd als hoogdimensionale geometrische vormen.
- Verbale instructie en vallen en opstaan leren produceren vergelijkbare neurale representaties.
bron: Columbia Universiteit
Er zijn hersens voor nodig om af te leiden hoe twee dingen in de wereld met elkaar verband houden, of het nu gaat om de manier waarop slecht weer verband houdt met vertragingen bij het woon-werkverkeer of hoe omgevingsomstandigheden leiden tot de evolutie van soorten.
Een nieuwe studie, gebaseerd op opnames in menselijke hersenen, heeft een enorme hoeveelheid gegevens opgeleverd die onderzoekers nu hebben gebruikt om, met grotere duidelijkheid dan ooit tevoren, de neurale belichamingen van inferentieel denken te onthullen.
“We beginnen te begrijpen hoe de hersenen leren en hoe we kennis halen uit wat we ervaren”, zegt dr. Uli Roteshauser, een van de auteurs van de studie en hoogleraar neurologie, neurochirurgie en biomedische wetenschappen aan het Cedars-Sinai Medical Center.
De studie, uitgevoerd als onderdeel van een multi-institutioneel consortium gefinancierd door het Brain Research van de National Institutes of Health via het Advancing Innovative Neurotechnologies®-initiatief, of BRAIN® Initiative, werd vandaag online gepubliceerd in natuur.
Met behulp van elektrische opnames van meer dan 3.000 neuronen bij 17 vrijwilligers met epilepsie die in het ziekenhuis invasieve monitoring ondergingen om de bronnen van hun aanvallen te identificeren, verzamelden de onderzoekers “een unieke dataset waarmee we voor het eerst kunnen observeren hoe hersencellen een leerproces dat cruciaal is voor inferentieel redeneren.” zegt Stefano Fossi, Ph.D., hoofdonderzoeker bij het Zuckerman Institute for Mind and Behavior aan Columbia University en een andere co-auteur van de studie.
Terwijl de onderzoekers de neuronen registreerden, daagden de wetenschappers de deelnemers uit met een eenvoudige gevolgtrekkingstaak. Bij deze taak ontdekten de deelnemers met vallen en opstaan de juiste associaties die hen beloonden met geld tussen afbeeldingen, zoals afbeeldingen van een auto of een stuk fruit, en het indrukken van een linker- of rechterknop.
Nadat de deelnemers deze associaties voor een reeks afbeeldingen hadden geleerd, schakelden de onderzoekers tussen de knop die de juiste associatie voor elke afbeelding vertegenwoordigde.
Aanvankelijk maakten de vrijwilligers verkeerde keuzes, zich niet realiserend dat de associaties die ze eerder hadden geleerd, waren veranderd. Deze fouten stelden vrijwilligers echter in staat snel te concluderen dat een nieuwe regel voor de afbeeldingsknop van kracht was geworden, en ze konden daaruit afleiden dat alle nieuwe regels voor de afbeeldingsknop waren veranderd, zelfs de regels die ze nog niet hadden ervaren. Wetenschappers vergelijken deze experimentele taak met conclusies uit het echte leven, zoals de conclusies die reizigers in het buitenland vaak moeten trekken.
“Als je in New York en Londen woont en naar Groot-Brittannië vliegt, weet je dat je naar rechts moet kijken als je de weg wilt oversteken. Je bent overgeschakeld naar een andere gemoedstoestand die de verkeersregel vertegenwoordigt je hebt geleerd door in Londen te wonen”, zei Dr. Fauci. Hij is ook hoogleraar neurologie aan de Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons en lid van het Center for Theoretical Neuroscience aan de Columbia University.
“Zelfs als je plaatsen bezoekt waar je in Groot-Brittannië nog nooit eerder bent geweest, zoals het platteland van Wales, kom je tot de conclusie dat de nieuwe regels daar nog steeds van toepassing zijn. Je moet nog steeds naar rechts kijken in plaats van naar links als je de weg oversteekt”, voegde hij eraan toe.
“Dit werk demonstreert de neurale basis van conceptuele kennis, die essentieel is voor redeneren, redeneren, plannen en zelfs emotieregulatie”, zegt dr. Daniel Salzman, een van de auteurs van het onderzoek. natuur Geschreven door: John Zuckerman, hoofdonderzoeker bij het Zuckerman Institute en hoogleraar psychiatrie en neurowetenschappen aan de Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons.
Maar hoe komen dit soort denken fysiek tot uiting in de activiteit van neuronen? Met behulp van wiskundige hulpmiddelen die Dr. Fauci verfijnde om opnames van duizenden neuronen te combineren, herschikten de onderzoekers de hersenactiviteit van de vrijwilligers in geometrische representaties – vormen – hoewel ze duizenden dimensies besloegen in plaats van de bekende drie dimensies die we ons gewoonlijk voorstellen.
“Het zijn hoogdimensionale geometrische vormen die we ons niet kunnen voorstellen of zien op een computerscherm,” zei Dr. Fusi. “Maar we kunnen wiskundige technieken gebruiken om vereenvoudigde versies ervan in 3D te visualiseren.”
Toen de onderzoekers de patronen van hersenactiviteit vergeleken tussen gevallen waarin deelnemers succesvolle gevolgtrekkingen maakten met gevallen waarin hun gevolgtrekkingen faalden, kwamen er grote verschillen naar voren.
“In sommige groepen neuronen zagen we tijdens het leren overgangen van ongeorganiseerde representaties naar deze prachtige geometrische structuren die verband hielden met het vermogen om deductief te redeneren,” zei Dr. Fauci.
Bovendien observeerden de onderzoekers deze structuren alleen in opnames van de hippocampus en niet in andere hersengebieden die de wetenschappers controleerden, zoals de amygdala en gebieden van de prefrontale cortex. De ontdekking is verrassend, aldus de onderzoekers, omdat de hippocampus lange tijd werd gezien als de plaats van de hersenen voor het belichamen van neurale kaarten van fysieke ruimtes.
De nieuwe bevindingen tonen aan dat het ook in staat is cognitieve kaarten te creëren die verband houden met hersenfuncties zoals redeneren en leren.
Een andere opvallende bevinding van het onderzoek is dat vrijwilligers die de associatieve regels tussen plaatjes en knoppen alleen leren door middel van verbale instructies, in plaats van door vallen en opstaan, niettemin dezelfde “prachtig georganiseerde neurale representaties in de hippocampus” vormen, zegt Dr. Rottishauser. gezegd.
Dit is een belangrijke observatie, zei hij, omdat mensen vaak van elkaar leren door verbale uitwisselingen, maar we weten weinig over hoe verbale informatie neurale representaties verandert.
“Verbale instructies zijn de manier waarop we kennis opbouwen over dingen die we nog nooit eerder hebben ervaren. Ons werk laat nu zien dat verbale instructies leiden tot zeer vergelijkbare georganiseerde neurale representaties vergeleken met die welke voortkomen uit ervaringsgericht leren,” voegde Dr. Rottishauser eraan toe.
De onderzoekers benadrukken dat geen van deze ontdekkingen mogelijk zou zijn geweest zonder de medewerking en vrijwillige deelname van patiënten met medicijnresistente epilepsie die na de operatie in het ziekenhuis lagen.
De artsen van patiënten hebben elektroden geïmplanteerd om tijdelijk neurologische gegevens te verzamelen met als doel de bron van de epileptische aanvallen van elke persoon te bepalen, met als uiteindelijk doel deze informatie te gebruiken voor verdere chirurgische of op neuromodulatie gebaseerde behandelingen.
“Deze individuen hebben ons een waardevolle kans gegeven om iets nieuws te leren over hoe onze hersenen werken,” zei Dr. Roteshauser.
Dr. Tawfiq Valiant, onderzoeksmedewerker bij het Krempel Research Institute en de afdeling Neurochirurgie van de Universiteit van Toronto, heeft aan dit onderzoek bijgedragen door patiënten in te schrijven. Afgestudeerde student Christos Kourilis en postdoctoraal onderzoeker Juri Minksa, PhD, bij het Cedars-Sinai Medical Center en Caltech, voerden ook het grootste deel van de gegevensverzameling en -analyse van het onderzoek uit.
“Deze studie biedt nieuwe inzichten in hoe onze hersenen ons in staat stellen om flexibel en in reactie op veranderende omstandigheden en ervaringen te leren en taken uit te voeren”, aldus Dr. Merav Sabri, programmadirecteur van het Brain Initiative.
“Deze ideeën bouwen voort op een hoeveelheid kennis die ons op een dag kan leiden tot interventies voor de behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen waarbij sprake is van tekorten in het geheugen en de besluitvorming.”
Over dit neurowetenschappelijk onderzoeksnieuws
auteur: Evan Amato
bron: Columbia Universiteit
mededeling: Evan Amato – Columbia Universiteit
afbeelding: Afbeelding afkomstig van Neuroscience News
Originele zoekopdracht: De toegang is geopend.
“Tijdens het redeneren ontstaan abstracte representaties in menselijke hippocampale neuronen“Door Uli Roteshauser et al. natuur
een samenvatting
Tijdens het redeneren ontstaan abstracte representaties in menselijke hippocampale neuronen
Mensen hebben een verbazingwekkend cognitief vermogen om zich snel aan te passen aan veranderende omgevingen. Een kernsterkte van dit vermogen is het vermogen om abstracte representaties op hoog niveau te vormen die profiteren van de regelmatigheden in de wereld om generalisatie te ondersteunen.
Er is echter weinig bekend over hoe deze representaties worden gecodeerd in groepen neuronen, hoe ze ontstaan door middel van leren en hoe ze verband houden met gedrag.
Hier karakteriseerden we de representatieve architectuur van neuronale populaties (enkele eenheden) geregistreerd in de hippocampus, amygdala, mediale prefrontale cortex en ventrale temporale cortex van neurochirurgische patiënten die een inferentiële redeneertaak uitvoerden.
We ontdekten dat alleen neurale representaties gevormd in de hippocampus veel taakvariabelen tegelijkertijd coderen in een abstract of niet-synaptisch formaat.
Deze representatieve architectuur wordt op unieke wijze waargenomen nadat patiënten leren hoe ze gevolgtrekkingen moeten maken, en bestaat uit belangrijke latente variabelen die direct waarneembaar en detecteerbaar zijn.
Leren redeneren met vallen en opstaan of door verbale instructies leidde tot de vorming van hippocampale representaties met vergelijkbare geometrische eigenschappen.
De waargenomen relatie tussen representatieve vorm en gevolgtrekkingsgedrag suggereert dat abstracte en discrete representatieve geometrie belangrijk is voor complexe cognitie.
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
