空间计算的允许灵活的工作记忆

需要工作记忆的常规任务,喜欢烘焙,涉及记忆一些一般规则(例如读食谱的烤箱温度和时间,然后将它们放在烤箱)和一些具体内容为每个实例(例如350度45分钟的黑麦面包,但325度为8分钟饼干)。一项新的研究提供了一个新颖的解释大脑如何清楚地管理一般和特定组件的认知需求。

麻省理工学院的科学家领导的研究Picower研究所学习和记忆的卡罗林斯卡学院和k在斯德哥尔摩瑞典皇家理工学院,表明大脑皮层中产生不同的空间为每个一般规则和控制这些补丁脑节奏作者一个概念,叫“空间计算。”

这个系统,明显的实验动物的研究中,解释了大脑如何可以很容易地维持一致的理解过程即使不断改变的具体内容(如面包和饼干的时间和温度)。也回答几个问题神经科学家摔跤有生理基础的操作工作内存。

“你的大脑可以立即推广。如果我教你遵循一些规则,比如记住C, A和B并将它们按字母顺序,然后我把内容F, D和E你不会错过任何一个细节,”厄尔·k·米勒说,Picower麻省理工的教授Picower研究所学习和记忆的研究和文章的第二作者自然通讯。“你的大脑可以这样做是因为它代表了规则和内容在不同的物理尺度。可以被插入到另一个。”

工作记忆运作

多年的米勒的实验室的研究,大部分是由作者米凯尔Lundqvist谁现在在卡罗林斯卡表明工作记忆任务由一个相互作用的脑节奏在不同的频率。慢的β波携带的信息任务规则和选择性地屈服于更快的γ波的时候执行操作,比如存储来自感官的信息或者读出来当回忆是必要的。

但这些波浪作用于网络数以百万计的神经元,其中只有少数实际上是存储信息的个别项目在任何特定的时间有关。此外,神经元携带特定项发现所有的信息。一些成为电兴奋,或“飙升”,以应对不同的任务比其他的规则,和他们经常倾向于上涨至少有些即使不相关的信息。

怎么这些而不精确的节奏有选择地控制合适的神经元在正确的时间做正确的事情?为什么神经元的激增与特定项目分散和冗余?是什么让一个神经元的特定“350度”活跃起来当信息必须存储,但另一个神经元的信息需要召回时活跃起来?

研究人员意识到这些问题可以得到解决的空间计算理论。单个神经元代表信息条目可以被广泛散布在皮层,但他们的规则应用于基于网络的补丁。这些补丁是由β和γ波的模式。

“通过分析很多单一神经元在多年来,我们一直想知道为什么很多人似乎有类似的表现,“Lundqvist说。

“无论他们是否喜欢一样的外部刺激与否,许多神经元共享类似的活动在工作记忆的模式。这些模式在任务之间切换。也出现在前额叶皮层神经元是靠近经常共享了同样的模式。开始我们以为记忆表示可能会在前额叶皮层动态流来实现任务的规则。”

在健身房这样说你的朋友打电话给你,问你来检索一个看他们不小心落在他们的储物柜。这需要把挂锁表盘数字的组合(例如24日,17日,32)。空间计算说,当你听到这个组合你的大脑为每个步骤创建不同的补丁(第一,第二,第三)。

在每个补丁代表组合的神经元数量的特定步骤变得特别兴奋γ波应用相关规则时(即24个“第一”补丁,17的“第二个”补丁和32“第三”补丁)。

这样单个神经元编码特定物品的信息可以有选择地与一般规则的脑电波控制他们居住的补丁。在任何给定的补丁,所有的神经元可能兴奋有点γ波,但是代表的项目最适合规则将上涨。

“这种方式记忆表征可以动态地重塑以适应当前任务要求独立的单个神经元的连接或刺激他们喜欢,”k的文章的第二作者Pawel赫尔曼说。“这也许可以解释我们的令人印象深刻的泛化能力在小说的情况下。”

这并不是说,任何补丁永远是固定的。补丁可以来来去去不过长时间需要在大脑形成他们手头的任务。世上没有永久的“记住烤箱温度”大脑的补丁。

“这给大脑的灵活性,”米勒说。“认知灵活性。”

实验证据

研究人员并不只是理论。测试实际物理空间计算的大脑,他们做出了四个实验的预测应该观察动物玩工作记忆游戏如记住一组图片的顺序。

第一个预测是,应该有不同的神经信号的规则和个人项目信息。事实上,研究小组测量,脉冲波进行规则的信息。个别神经峰值,与此同时,个别项目和任务的规则,符合他们代表个人项目和具体的规则强加给他们。

第二个预测是,规则信息应该是空间组织和第三个预测是,这些rule-enforcing空间格局应该是一致的,只要游戏规则保持不变,不管个别项目改变了。果然,研究人员发现,有不同的位置对伽马暴不同的规则和这些稳定即使个别项目在每个游戏不同。

最后预测是脑电波的活动应该引起神经飙升活动代表正确的信息在正确的时间。这是反映在实验观察,。研究人员看到当大脑不同的脑电波模式将图像存储在内存和当它被迫召回“正确”。一般来说,β波更加减少,神经元飙升,在回忆比存储在更广泛的领域。

本文对工作记忆并没有回答每一个问题。如何,这还不清楚神经元编码特定的信息在一个补丁可能会与他们的弟兄在另一个地方补丁或如何大脑控制补丁。更多的研究可以进一步回答这些问题空间计算的新理论的意义。