Их исследование в открытом доступе опубликовано в Frontiers in Human Neuroscience.
Ученые только начинают понимать, как устроен мозг, как структурно, так и функционально. Последнее из серии исследований ученых Райс показывает, что гибкость и модульность мозга, которые исследователи часто изучают независимо, тесно связаны. Новое исследование также представляет теоретическую основу для объяснения двух процессов.
Они обнаружили, что гибкость, которая связана с тем, насколько сети мозга меняются с течением времени, и модульность, которая определяет степень взаимосвязи между частями мозга, отвечающими за конкретные задачи, сильно отрицательно коррелированы. Другими словами, люди с высокомодульным мозгом, которые ограничивают задачи модулями, также демонстрируют низкую гибкость, в то время как люди с высокой гибкостью мозга, которые разделяют задачи по сети, демонстрируют низкую модульность.
Эти свойства объясняют, как участники экспериментируют, по словам соавтора и психолога Райса Саймона Фишер-Баума. Когда кому-то ставится сложная задача, гибкость сети мозга лучше объясняет производительность, чем модульность сети. По его словам, для простой задачи верно обратное, что указывает на то, что эти способы мышления об организации мозга отражаются на различных когнитивных способностях.
Но даже эта скользящая шкала только намекает на взаимосвязь между гибкостью и модульностью.
«Было опубликовано множество статей о гибкости сети и о том, как это связано с познанием, и куча других статей о модульности и ее связи с познанием, но на самом деле никто не исследовал, влияют ли эти вещи на различные аспекты познания или это две стороны одной медали », — сказал Фишер-Баум, который был ведущим преподавателем исследования в сотрудничестве с психологом Райс Рэнди Мартином и биофизиком Майклом Димом.
«Людей можно описать с точки зрения гибкости их мозговых сетей: как часто области мозга меняют модули, которым они назначены, или насколько стабильными модули остаются с течением времени», — сказал Фишер-Баум.
Области мозга с более высокой гибкостью — это те, которые обычно связаны с когнитивным контролем и исполнительной функцией, процессами, контролирующими поведение. Области с меньшей гибкостью — это те области, которые связаны с процессами моторики, вкуса, зрения и слуха.
Исследователи пошли двумя путями, чтобы составить карту модулей и мыслительных процессов 52 субъектов в возрасте от 18 до 26 лет; 31 процент участников были мужчинами и 69 процентов — женщинами.
Во-первых, испытуемые прошли функциональную магнитно-резонансную томографию в состоянии покоя (фМРТ), которая позволила определить уровни кислорода в крови для отслеживания активности и измерения модульности (вероятность соединений в модулях мозга) и гибкости (как часто регионы переключают лояльность с одного модуля на другой).
Другая).
Во-вторых, испытуемые прошли серию из шести когнитивных тестов, чтобы оценить свою эффективность при выполнении простых и сложных задач.
Данные по обоим направлениям ранее использовались, чтобы показать, что модульность мозга положительно коррелирует с производительностью при выполнении простых задач и отрицательно — с производительностью при выполнении сложных задач. Остался вопрос, как модульность соотносится с другими показателями сетевой организации, такими как гибкость, и как гибкость связана с когнитивной обработкой в целом. Целью исследования Райса было проанализировать всю мозговую сеть, а не отдельные ее компоненты.
"Познание сложное", — сказал Фишер-Баум. "Любая задача зависит от нескольких областей мозга, выполняющих разные функции и взаимодействующих друг с другом.
Мы должны уметь сформулировать, почему для данной задачи хорошо иметь определенный тип организации мозга."
Участникам была предложена серия общих экспериментов по когнитивной психологии, в результате которых были получены комплексные баллы для простого и сложного поведения, соответствующие результатам фМРТ.
Участники, продемонстрировавшие высокую гибкость, лучше всего справились с комплексными тестами, которые требовали способности быстро переключаться между задачами и использовать рабочую память. Один, например, представил им квадрат или треугольник синего или желтого цвета и потребовал, чтобы участники ответили на сигнал о цвете или форме объекта.
Те, кто набрал более высокие баллы по модульной шкале, преуспели в задачах с более ограниченными поведенческими требованиями, такими как тест светофора, который требовал от них как можно быстрее нажать кнопку, когда они увидели, что цвет индикатора изменился с красного на зеленый, и измерили время своего отклика.
Исследователи отметили, что было бы неправильно думать, что модульность и гибкость просто измеряют одно и то же свойство. Поскольку они вносят независимый вклад в производительность, исследователи предполагают, что они «могут быть связаны с различными когнитивными процессами."
Они также предположили, что обучение навыку может объяснить различия внутри отдельных людей между модульностью и гибкостью.
Исследователи писали, что на начальных этапах обучения даже простой навык может задействовать когнитивный контроль, обычно необходимый для сложных задач. Но по мере того, как задача усваивается и становится проще, гибкость уменьшается, а модульность увеличивается.
Фишер-Баум считает, что гибкость и модульность лучше рассматривать как непрерывно изменяемые, а не как фиксированные характеристики. "Я не думаю, что мы знаем, как это меняется с течением времени, но вполне вероятно, что это меняется с опытом и даже в течение дня.
«Это широкое разделение между сложными и простыми задачами — первый шаг к решению проблемы», — сказал он. "Дело не только в том, что модульный мозг — это хорошо или гибкий мозг — хорошо. Мы хотим знать, чем они хороши, и временные рамки, в которых эти переменные оказывают влияние."