Мозок і магічне число сім

alt = "Вікові зміни робочої пам`яті" height = "303" width = "420" / gt;

Вікові зміни робочої пам`яті⁵³

Десятирічні діти, по гіркому досвіді багатьох дорослих, як правило, виграють у своїх батьків. Однак мами і тата можуть втішати себе тим, що обіграють, в свою чергу, своїх батьків-пенсіонерів⁵⁴. Вся справа в тому, що в цій грі задіяна довготривала пам`ять. Інформацію про картинках на лицьовій стороні двадцяти карток не треба безперервно прокручувати в робочій пам`яті. Навпаки, ця інформація кодується в довготривалій пам`яті, і її можна витягти звідти в будь-яку хвилину. Точно так само ми згадуємо, куди поставили машину кілька хвилин тому, перед тим, як відправитися за покупками. Втім, окремі види довготривалої пам`яті з віком не розвиваються, і тоді діти за своїми мнемонічним можливостям випереджають дорослих.

Візьмемо іншу розвиваючу дитячу гру - «Саймон» ( «Simon»). Коло розділений на чотири сегменти - синій, жовтий, червоний і зелений. Різнобарвні сегменти в формі шматків торта загоряються в певному порядку, наприклад верхній-нижній-правий- лівий. Мета гри полягає в тому, щоб натискати на клавіші в тій послідовності, в якій вони спалахують. Якщо хід зроблений правильно, то ланцюжок подовжується на одну ланку, наприклад верхній-нижній-лівий-правий-лівий. Деякі гравці відтворюють ланцюжка з п`ятнадцяти ланок, і це спростовує твердження Міллера про те, що наша робоча пам`ять може утримати лише сім одиниць інформації. Однак в цій грі один і той же набір клавіш повторюється з разу в раз, і тому ми можемо використовувати нашу довгострокову пам`ять. Якби послідовність клавіш змінювалася, гравці визнали б свою поразку набагато раніше.

Сигнали і обсяг

Як з роками змінюється мозок дитини? І, зокрема, які процеси відбуваються з робочою пам`яттю? Щоб відповісти на ці питання, на протязі останніх декількох років моя група в складі Хелени Вестерберг, Пернілли Олесен і Ханса Форссберга проводила дослідження в Каролінському інституті в Стокгольмі. Ми використовували прості тести - діти запам`ятовували конфігурацію з точок, і поки вони вирішували це завдання, ми сканували їх мозок⁵⁵. Ми виявили, що у дітей збільшилася активність специфічних ділянок мозку - в тім`яній ділянці, а також у верхній і в передній частині лобової частки. Наші висновки багато в чому збіглися з висновками інших вчених, які раніше проводили аналогічні дослідження.

Тім`яна частка - досить велика зона мозку. У медицині її називають парієтальної часткою. Кора мозку в парієтальної частці складається з складок і утворює ін- трапаріетальную борозну (sulcus intraparietalis). Самі явні зміни ми спостерігали саме в корі головного мозку, як раз в цих складках. І саме в цьому сегменті наші колеги виявили вогнище активності при виконанні завдань на довільне увагу.

Причому в залежності від характеру завдань активність мозку в лобовій долі змінювалася. Ці висновки підтвердили багато досліджень. Коли, наприклад, поряд з важливою інформацією випробуваним давали другорядні відволікаючі відомості, збільшувалася активність передньої частини лобової частки⁵⁶. Таким чином, всі ці три області відповідають за робочу пам`ять: чим вище активність, чим краще здатність до запам`ятовування. Є ще один спосіб визначити ключові структури, відповідальні за обсяг робочої пам`яті. Згадаймо криву, наведену у вступній главі, яка позначає межі робочої пам`яті.

У 2004 році журнал «Природа» ( «Nature») опублікував результати двох досліджень робочої пам`яті⁵⁷. Учасникам першого дослідження пред`являли спочатку 2, потім 4,6 і нарешті 8 об`єктів. У ролі об`єктів виступали маленькі кола, причому слід запам`ятати і колір кола, і місце його розташування на екрані. Поступово результати ставали все гірше, точно так, як це показує діаграма. Потім активність мозку виміряли за допомогою функціонального магніт- но-резонансного томографа. Виявилося, що функціонувала тільки одна-єдина область, як показано на діаграмі - в інтрапаріетальной борозні. В аналогічному досвіді електричну активність аналізували вже за допомогою електроенцефалограми (ЕЕГ), і знову, як і на діаграмі, активізувалася область в інтрапаріетальной борозні⁵⁸.

Як же тоді йдуть справи з інтелектуальними здібностями, адже вважалося, що вони пов`язані з обсягом робочої пам`яті? У фундаментальному дослідженні під керівництвом південнокорейського вченого Кун Хо Лі інтелект молодих людей виміряли за матрицями Равена, а потім просканували їхній мозок, коли вони вирішували завдання на запам`ятовування⁵⁹. Дослідники виявили, що чим краще випробовувані справлялися із завданнями, тим вище була активність мозку в лобовій і в тім`яній частках, і особливо в інтрапаріетальной борозні тім`яної частки⁶⁰. Саме ця зона мозку відповідає за розвиток робочої пам`яті в дитинстві, і цей факт підтверджений дослідженнями моєї групи, а також іншими вченими.

Багато досліджень підтверджують, що області в тім`яній і лобової частках безпосередньо пов`язані з обсягом нашої робочої пам`яті. Тобто не весь мозок, а лише деякі його сегменти беруть участь в діяльності робочої пам`яті. Причому це ті самі області, які, як ми вже знаємо, активуються, коли робоча пам`ять зберігає отриману інформацію і коли увага спрямовується на заздалегідь намічену мету. Може бути, тут і знаходяться ключові структури, або то «вузьке пляшкове горло», яке обмежує нашу здатність сприймати і зберігати інформацію? Те, що до цього причетна лобова частка, до речі, цілком зрозуміло, оскільки багато досліджень останніх десятиліть доводять: лобова частка безпосередньо відповідає за наші активні когнітивні функції. Але про те, що тім`яна частка також грає важливу роль в цьому процесі, стало відомо порівняно недавно. Примітно і те, що роль тім`яної частки однозначно підкреслюють різні дослідження, що використовують різні методи.

Може бути, не випадково мозок Ейнштейна виділяється саме розвиненістю тім`яних доль. Мозок Ейнштейна цілком звичайний за вагою та розміром, і по більшості своїх характеристик є цілком «середньостатистичним». А ось тім`яна частина набагато ширше, ніж у «звичайних» людей⁶¹. До того ж ліва тім`яна частка виявилася набагато більше правої. Ще одна особливість, що звернула на себе увагу вчених, - борозна, що розділяє скроневу і тім`яну частки, надмірно збільшена і зміщена вперед, що і пояснює розширення тім`яної частки.

Механізми обмеження обсягу

Припустимо, ми визначили ключові області мозку, які регулюють процес розвитку пам`яті в дитинстві. Які зміни відбуваються в тім`яній і лобової частках при збільшенні інформаційних навантажень? Чому пам`ять не безмежна? На цю тему було проведено кілька досліджень. Вчені поставили собі за мету з`ясувати, що відбувається з мозковою активністю при збільшенні кількості букв, цифр або осіб, які пропонується запам`ятати випробуваним⁶². Результати досліджень багато в чому збіглися, зокрема, вони показали, що швидкість кровотоку і метаболізму поступово збільшувалася у міру збільшення обсягу інформації. Чи може це означати, що існує якийсь метаболічний межа у вигляді нестачі кисню? Або до відповідних області мозку надходить недостатня кількість крові, і саме цей фактор обмежує діяльність нашої робочої пам`яті? Може бути, в нашому мозку утворюється молочна кислота? Якщо ви коли-небудь виконували тест на запам`ятовування, коли вам називають вісім цифр, які треба повторити в зворотному порядку, думка про молочній кислоті в мозку може здатися не зовсім абсурдною.

Однак жодне з цих пояснень не представляється досить переконливим. Кровопостачання мозку влаштовано так, що нейрони завжди отримують достатню кількість збагаченої киснем крові. Коли нейрони активуються, збільшуючи швидкість метаболізму і витрата кисню, приплив крові до них зростає настільки, що відбувається сверхкомпенсация, і кисню і крові надходить більше, ніж коли нейрони не діють. Відомо також, що в екстремальних ситуаціях, наприклад під час епілептичного нападу, в мозку збільшується кровотік в набагато більшому ступені, ніж при виконанні завдань, що вимагають інтелектуальних зусиль. Так що доведеться шукати інші ймовірні пояснення. Можливо, вивчаючи динаміку вікових змін тім`яної і лобової часток, ми зрозуміємо, які механізми лежать в основі вдосконалення робочої пам`яті.

Дитячий мозок

Дослідження дитячого мозку допомагають нам позбутися від наївного штампа: ми завжди були переконані в тому, що мозок - функціональна система, що містить величезну кількість нейронів. До речі, в лобовій частці дворічної дитини міститься майже в два рази більше синапсів - з`єднань між нейронами, - ніж у дорослого в 20-річному віці. І разом з тим робоча пам`ять у дворічного малюка функціонує набагато гірше. На третьому році життя щільність синапсів поступово починає знижуватися і приблизно до 12 років досягає рівня дорослої людини⁶³. Після раннього перевиробництва кількість нейронів, медіаторів і синапсів починає стрімко зменшуватися.

У перші три місяці життя дитини в нервових волокнах, що з`єднують два мозкових півкулі, щодня гине 900 тисяч аксонів⁶⁴. Чому обсяг робочої пам`яті збільшується, коли нейрони зникають, пояснити складно. Можливо, структура нервових мереж організована так, що деякі важливі зв`язки посилюються, а другорядні слабшають.

У дитячому віці відбувається ще один важливий процес - миелинизация. Міжклітинні з`єднання покриті речовиною, яке називається міеліном- воно відіграє роль провідника сигналів. Мієлінізація - процес утворення мієліну навколо аксонів ряду нервових волокон - зазвичай повністю завершується до кінця другого року життя дитини. Основна функція мієліну - речовини, що утворює міеліно- ву оболонку нервових волокон, - швидке проведення нервового імпульсу по аксонах, які він оточує. Шар мієліну поступово ущільнюється, саме цей процес і називається миелинизацией. Мієлінізація в основному доводиться на перші два роки життя, проте, як тепер стало відомо, процес триває аж до двадцятирічного віку. Магнітно-резонансне сканування також виявило зв`язок між миелинизацией нервових волокон, що з`єднують кору тім`яної і лобової часток, і розвитком робочої пам`яті⁶⁵. Але чому цей феномен покращує робочу пам`ять, до кінця не ясно. Можливо, це результат більш інтенсивного «спілкування» між нейронами. Інше пояснення - мієлін збільшує міцність зв`язків, тобто підвищує ймовірність того, що імпульс, посланий з тім`яної частки, досягне лобової частки.

Таким чином, паралельно з розвитком робочої пам`яті в мозку відбувається кілька процесів: посилення одних нейронних зв`язків і ослаблення інших, значна втрата з`єднань між різними частинами мозку і миелинизация нервових волокон. Можливо, сучасні методи вивчення людського мозку занадто примітивні, щоб відповісти на питання про межі робочої пам`яті. Може бути, треба шукати пояснення, наприклад, в характері синаптичних зв`язків між окремими нейронами. Скептики вважають, що сканувати мозок за допомогою позитронно-емісійної томографії (ПЕТ) або функціональної магнітно-резонансної томографії (фМРТ) - все одно що вимірювати температуру комп`ютера: звичайно, можна визначити, наскільки вона підвищується в працюючого і знижується у вимкненого комп`ютера, але це анітрохи не допомагає розібратися в пристрої і функції комп`ютера.

Комп`ютерна імітація мозкової активності

Можливо, в майбутньому ми зможемо поєднувати методи з високою роздільною здатністю, такі як електрофізіологія з використанням тонких голок, коли виявляється активність окремих нейронів, з методами сканування, що дозволяють одночасно виміряти активність декількох областей мозку, і таким чином інтегрувати макроскопічну і мікроскопічну інформацію. Можливо також, наші знання про нейронах і їхні зв`язки в майбутньому досягнуть такого високого рівня, що вдасться створювати комп`ютерні моделі мозку. За допомогою цих моделей можна буде перевірити різні гіпотези про поведінку нейронів.

Моя дослідницька група якраз бере участь в подібному спільний проект разом з Еспериа Тегнера, Фредріком Едіном і Юліаном Маковеану - розробниками комп`ютерних моделей пам`яті⁶⁶. Наша мета - розшифрувати механізми, які збільшують обсяг робочої пам`яті, а також простежити за змінами мозкової активності в дитячому віці.

У наших дослідженнях ми використовували мережу з декількох сот нейронів, що відповідає поверхні лобової частки площею приблизно близько квадратного міліметра. Потім ми змоделювали мережу, яка за своєю будовою імітувала роботу мозку мавп, коли вони зберігали інформацію в робочій пам`яті. Тепер ця мікросетей могла зберігати інформацію в робочій пам`яті. Точно так же, як у мавп, ця інформація зберігалася за рахунок безперервної активності клітин: в той період, коли інформація зберігається, відбувається вторинна активізація, і таким чином, інформація запам`ятовується.

Але показує ця модель, як збільшити обсяг пам`яті? Які процеси сприяють поліпшенню пам`яті? Ми хотіли підтвердити або спростувати дві основні гіпотези. Перша гіпотеза - робоча пам`ять поліпшується за рахунок посилення зв`язків між нейронами. Згідно з другою гіпотезою, обсяг пам`яті залежить від швидкості, з якою нейрони обмінюються імпульсами. Тобто чим вище швидкість, тим краще пам`ять. Швидше за все, збільшення швидкості з`єднань залежить від процесу мієлінізації, і особисто я в це охоче вірю, оскільки магнітно-резонансне сканування раніше показало, що миелинизация нервових волокон в певних областях мозку позитивно впливає на робочу пам`ять.

Для перевірки обох гіпотез були створені дві моделі нейронних мереж - «дитяча» і «доросла». Потім ми виміряли активність нейронів в процесі запам`ятовування інформації в робочій пам`яті. Ми також виміряли активність мозку у дітей і у дорослих методом функціональної магнітно-резонансної томографії, щоб зрозуміти, яка з гіпотез більше відповідає дійсності.

З`ясувалося, що перша гіпотеза має більше прав на існування. Мережа з більш міцними синаптическими зв`язками виявилася більш стабільною, і мнемонічна діяльність тривала навіть при наявності перешкод. Наші експерименти з використанням функціональної магнітно-резонансної томографії підтвердили ці висновки. До мого розчарування виявилося, що моя улюблена гіпотеза - про зміну активності мозку за рахунок швидкості передачі імпульсів - не підтвердилася.

На початку книги я висловив припущення, що сама природа обмежила наші пізнавальні можливості, і ми, володіючи інтелектом кам`яного віку, сьогодні маємо справу з потужним інформаційним потоком. Виявилося, що обмежений саме обсяг робочої пам`яті, це і є регулятор. Намагаючись знайти конкретну область мозку, де розташована ця перешкода, ми виявили, що регулятори робочої пам`яті розосереджені не по всій корі головного мозку, а знаходяться в певних ключових областях тім`яної і лобової часток.

Потім ми зробили наступний крок, щоб знайти механізми, що обмежують обсяги цих областей мозку. Ми хотіли з`ясувати, які нейрофізіологічні процеси відбуваються на цих ділянках і як вони пов`язані з обмеженим обсягом пам`яті. І хоча ми просунулися на науковому фронті, багато питань поки так і залишилися відкритими. Комп`ютерне моделювання дозволяє припустити, що, можливо, обсяг пам`яті якимось чином залежить від міцності сінап- тичних зв`язків.

У наступному розділі ми знову поговоримо про інформаційному потоці і деяких ситуаціях, які вимагають розумового напруження. Наприклад, коли ми повинні виконати роботу, не дивлячись на перешкоди. Або коли ми намагаємося виконати кілька дій одночасно. Ми вже переконалися в тому, що обсяг робочої пам`яті - ключовий фактор, коли мова йде про виконання ряду інтелектуальних завдань. А тепер спробуємо розібратися: які механізми завадостійкості? Чи існує залежність між нашою здатністю ігнорувати перешкоди і робити одночасно кілька справ? Чому нам іноді так важко зосередитися або виконати кілька завдань одночасно?

Список літератури

⁴⁸Miller, G.A. The magical number seven, plus-or-minus two or some limits on our capacity for processing information. Psychological Review. 1956, 63: 81-97.
⁴⁹ Cowan, N. The magical number 4 in short-term memory: A reconsideration of mental storage capacity. Behavioral and Brain Sciences. 2001, 24: 87-185.
⁵⁰Про робочу пам`яті у грудних дітей см.: Diamond, А. Goldman-Rakic, P.S. Comparison of human infants and rhesus monkeys on Piaget`s AB task: evidence for dependence on dorsolateral prefrontal cortex. Experimental Brain Research. 1989, 74 (I): 24-40.
⁵¹0 розвитку робочої пам`яті см: Gathercole, S.E., Pickering, S. J., Ambridge, В. Wearing, H. The structure of working memory from 4 to 15 years of age. Developmental Psychology. 2004, 40: 177-190- Hale, S., Bronik, M.D. Fry, A. F. Verbal and spatial working memory in school-age children: developmental differences in susceptibility to interference. Developmental Psychology. 1 997, 33: 364-71- Westerberg, H., Hirvikoski, Т., Forssberg, H. Klingberg, T. Visuo-spatial working memory: a sensitive measurement of cognitive deficits in ADHD. Child Neuropsychology. 2004, 10: 155-161.
⁵²Про робочу пам`яті і дитячому інтелекті см.: Fry, A.F. Hale, S. Processing speed, working memory, and fluid intelligence. Psychological Science. 1996 року, 7: 237-241.
⁵³Дані для діаграми взяті з джерела: Swan- son, H.L. What develops in working memory? A life span perspective. Developmental Psychology. 1999 року, 35: 986-1000.
⁵⁴Про вплив гри «Memory» на дітей і дорослих див .: Baker-Ward, L. Ornstein, Р. А. Age differences in visual- spatial memory performance: Do children really outperform adults when playing Concentrations? Bulletin of the Psychonomic Society. 1988, 26: 331-332- Gulya, M., Rosse- George, A., Hartshorn, K., Viera, A. Rovee-Collier, C. The development of explicit memory for basic perceptual feature. Journal of Experimental Child Psychology. 2002 81: 276-297.
⁵⁵Про зміни мозкової активності в дитинстві див .: Klingberg, Т., Forssberg, Н. Westerberg, Н. Increased Brain Activity in Frontal and Parietal Cortex Underlies the Development of Visuo-spatial Working Memory Capacity During Childhood. Journal of Cognitive Neuroscience. 2002 14: 1-10. Про процеси мозкової активності, а також мієлінізації см.: Olesen, P. J., Nagy, Z., Westerberg, H. Klingberg, Т. Combined analysis of DTI and fMRI data reveals a joint maturation of white and grey matter in a fronto-parietal network. Cognitive Brain Research. 2003,18: 48-57.
⁵⁶ Про відволікаючих факторах см.: Olesen, P., Macoveanu, J., Tegner, J. Klingberg, T. Brain activity related working memory and distraction in children and adults. Cerebral Cortex. 2006, Jun 26- [Epub ahead of print]. Див. інші дослі нання розвитку візуально-просторово пам`яті, вича підтверджують ці результати: Kwon, Н., Reiss, A.L. Menon, V. Neural basis of protracted developmental changes in visuo-spatial working memory. Proceedings of the National Academy of Sciences in the United States of America. 2002 99: 13336-13341.
⁵⁷Про функціональні магнітно-резонансних досліджень обсягу мозку і тім`яної частки см .: Todd, J.J. Marois, R. Capacity limit of visual short- term memory in human posterior parietal cortex. Nature. 2004,428: 751-754.
⁵⁸Див. Дослідження електроенцефалограми, яке показало схожі результати: Vogel, Є.К. Machizawa, M.G. Neural activity predicts individual differences in visual working memory capacity. Nature. 2004, 428: 748-751.
⁵⁹Про кореляції між результатом матриць Равена і мозковою активністю см.: Lee, К.Н., Choi, Y. Y., Gray, J. R., Cho, S. H., Chae, J. H., Lee, S. Kim, K. Neural correlates of superior intelligence: stronger recruitment of posterior parietal cortex. Neuroimage. 2006, 29: 578-586.
⁶⁰Про кореляції між результатами матриць Равена і фронтальної і парієтальної активністю при виконанні завдань на робочу пам`ять см .: Gray, J. R., Chabris, С.Е Braver, T. S. Neural mechanisms of general fluid intelligence. Nature Neuroscience. 2003 6: 316-322.
⁶¹Про дослідження мозку Альберта Ейнштейна див .: Witelson, S. E, Kigar, D. L. Harvey, Т. The exceptional brain of Albert Einstein. Lancet. 1999 року, 353: 2149-2153.
⁶²Зведені дані про інформаційному потоці і мозкової активності наведені за джерелом: Klingberg, Т. Limitations in information processing in the human brain: neuroimaging of dual task performance and working memory tasks. Progress in Brain Research. 2000,126: 95-102.
⁶³Про синаптичної щільності і розвитку див .: Huttenloch- er, P. Synaptic density in human frontal cortex - developmental changes and effects of aging. Brain Research, 1979.163: 195-205.
⁶⁴Про втрату аксонів в процесі розвитку див .: LaMantia, A. S. Rakic, P. Axon overproduction and elimination in the corpus callosum of the developing rhesus monkey. Journal of Neuroscience. 1990,10, 2156-75.
⁶⁵Про гістологічних дослідженнях мієлінізації см.: Yakovlev, P.I. Lecours, A.-R. The myelogenetic cycles of regional maturation of the brain. In: Minkowsi, A. (ed.). Regional development of the brain in early life. Blackwell Scientific Publications: Oxford and Edinburgh: 1967 s. 3-70. За допомогою магнітно-резонансного сканера можна провести непрямі вимірювання мієлінізації, з використанням техніки дифузійного тензорного відображення, яка вимірює дифузію води в білій речовині. Про використання цієї техніки для вивчення розвитку білої речовини см.: Nagy, Z., Westerberg, Н. Klingberg, Т. Regional maturation of white matter during childhood and development of function. Journal of Cognitive Neuroscience. 2004,16: 1227-1233. В іншому дослідженні дифузії виявлений зв`язок мієлінізації зі зміною мозкової активності, см.: Olesen, P.J., Nagy, Z., Westerberg, H. Klingberg, Т. Combined analysis of DTI and fMRI data reveals a joint maturation of white and grey matter in a fronto-parietal network. Cognitive Brain Research. 2003 18: 48-57.
⁶⁶Про моделювання активності нервових клітин див .: Edin, Е, Macoveanu, J., Olesen, P., Tegner, J. Klingberg, T. Stronger synaptic connectivity as a mechanism behind development of working memory-related brain activity during childhood, Journal of Cognitive Neuroscience (у пресі).

Торкель Клінгберг

Далі буде...