Περίληψη άρθρου:

Οι ερευνητές του MIT CSAIL χρησιμοποίησαν μια συγχώνευση MEG και fMRI για να μελετήσουν πώς ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τις αξέχαστες οπτικές εικόνες. Συγκρίνοντας ζεύγη εικόνων με διαφορετικές βαθμολογίες απομνημόνευσης, ανακάλυψαν ένα πολύπλοκο δίκτυο εγκεφαλικών περιοχών που εμπλέκονται στην κωδικοποίηση και τη διατήρηση των αναμνήσεων. Αυτή η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε εξελίξεις στη διάγνωση και τη θεραπεία διαταραχών που σχετίζονται με τη μνήμη, όπως η νόσος του Αλτσχάιμερ.

Κύρια σημεία του άρθρου:

• Ερευνητές συνδύασαν MEG και fMRI για να χαρτογραφήσουν τη δυναμική του εγκεφάλου κατά την αναγνώριση οπτικών εικόνων
• Οι ερευνητές του MIT CSAIL προσπάθησαν να κατανοήσουν γιατί ορισμένες εικόνες θυμούνται καλύτερα από άλλες
• Η μελέτη χρησιμοποίησε 78 ζεύγη εικόνων με διαφορετικές βαθμολογίες απομνημόνευσης που παρουσιάστηκαν σε 15 άτομα
• Εντοπίστηκε ένα κατανεμημένο δίκτυο εγκεφαλικών περιοχών που εμπλέκονται στην απομνημόνευση
• Η εγκεφαλική υπογραφή της απομνημόνευσης αναδύεται περίπου 300 χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη θέαση μιας εικόνας
• Οι εικόνες με υψηλή απομνημόνευση προκαλούν ισχυρότερες και διαρκείς εγκεφαλικές αντιδράσεις από τις λιγότερο απομνημόνευτες

Αναλυτικά το άρθρο:

Για πρώτη φορά, οι ερευνητές χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό MEG και fMRI για να χαρτογραφήσουν τη χωροχρονική δυναμική του ανθρώπινου εγκεφάλου κατά την αναγνώριση μιας οπτικής εικόνας.

Εδώ και σχεδόν μια δεκαετία, μια ομάδα ερευνητών του Εργαστηρίου Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης (CSAIL) του ΜΙΤ προσπαθεί να αποκαλύψει γιατί ορισμένες εικόνες παραμένουν στο μυαλό των ανθρώπων, ενώ πολλές άλλες ξεθωριάζουν. Για να το πετύχουν αυτό, ξεκίνησαν να χαρτογραφήσουν τη χωροχρονική δυναμική του εγκεφάλου που εμπλέκεται στην αναγνώριση μιας οπτικής εικόνας. Και τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες αξιοποίησαν τις συνδυασμένες δυνάμεις της μαγνητοεγκεφαλογραφίας (MEG), η οποία καταγράφει το χρόνο της εγκεφαλικής δραστηριότητας, και της λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας (fMRI), η οποία προσδιορίζει τις ενεργές περιοχές του εγκεφάλου, για να προσδιορίσουν με ακρίβεια πότε και πού ο εγκέφαλος επεξεργάζεται μια αξιομνημόνευτη εικόνα.

Η μελέτη τους, η οποία δημοσιεύθηκε αυτό το μήνα στο PLOS Biology, χρησιμοποίησε 78 ζεύγη εικόνων που αντιστοιχούσαν στην ίδια έννοια, αλλά διέφεραν ως προς τη βαθμολογία απομνημόνευσης - η μία ήταν ιδιαίτερα απομνημονεύσιμη και η άλλη ήταν εύκολο να ξεχαστεί. Οι εικόνες αυτές παρουσιάστηκαν σε 15 άτομα, με σκηνές από skateboard, ζώα σε διάφορα περιβάλλοντα, καθημερινά αντικείμενα όπως φλιτζάνια και καρέκλες, φυσικά τοπία όπως δάση και παραλίες, αστικές σκηνές από δρόμους και κτίρια και πρόσωπα που εμφάνιζαν διαφορετικές εκφράσεις. Αυτό που διαπίστωσαν ήταν ότι ένα πιο κατανεμημένο δίκτυο περιοχών του εγκεφάλου από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως εμπλέκεται ενεργά στις διαδικασίες κωδικοποίησης και διατήρησης που στηρίζουν την ικανότητα απομνημόνευσης.

«Οι άνθρωποι τείνουν να θυμούνται κάποιες εικόνες καλύτερα από άλλες, ακόμη και όταν είναι εννοιολογικά παρόμοιες, όπως διαφορετικές σκηνές ενός ατόμου που κάνει σκέιτμπορντ», λέει ο Benjamin Lahner, διδακτορικός φοιτητής του ΜΙΤ στην ηλεκτρολογία και την επιστήμη των υπολογιστών, συνεργάτης του CSAIL και πρώτος συγγραφέας της μελέτης. «Εντοπίσαμε μια εγκεφαλική υπογραφή της οπτικής απομνημόνευσης που αναδύεται περίπου 300 χιλιοστά του δευτερολέπτου μετά τη θέαση μιας εικόνας και αφορά περιοχές σε όλο τον κοιλιακό ινιακό φλοιό και τον κροταφικό φλοιό, οι οποίες επεξεργάζονται πληροφορίες όπως η αντίληψη του χρώματος και η αναγνώριση αντικειμένων. Αυτή η υπογραφή υποδεικνύει ότι οι εικόνες με μεγάλη απομνημόνευση προκαλούν ισχυρότερες και πιο διαρκείς εγκεφαλικές αντιδράσεις, ιδίως σε περιοχές όπως ο πρώιμος οπτικός φλοιός, τις οποίες προηγουμένως υποτιμούσαμε στην επεξεργασία της μνήμης».

Ενώ οι εικόνες που είναι ιδιαίτερα αξιομνημόνευτες διατηρούν υψηλότερη και πιο διαρκή ανταπόκριση για περίπου μισό δευτερόλεπτο, η ανταπόκριση στις λιγότερο αξιομνημόνευτες εικόνες μειώνεται γρήγορα. Αυτή η διαπίστωση, ανέπτυξε ο Lahner, θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει την κατανόησή μας για το πώς σχηματίζονται και διατηρούνται οι αναμνήσεις. Η ομάδα οραματίζεται ότι αυτή η έρευνα έχει δυνατότητες για μελλοντικές κλινικές εφαρμογές, ιδίως στην έγκαιρη διάγνωση και θεραπεία διαταραχών που σχετίζονται με τη μνήμη.

Η μέθοδος συγχώνευσης MEG/fMRI, η οποία αναπτύχθηκε στο εργαστήριο της ανώτερης ερευνήτριας του CSAIL Aude Oliva, καταγράφει επιδέξια τη χωρική και χρονική δυναμική του εγκεφάλου, ξεπερνώντας τους παραδοσιακούς περιορισμούς της χωρικής ή χρονικής εξειδίκευσης. Η μέθοδος συγχώνευσης είχε λίγη βοήθεια από τον φίλο της, τη μηχανική μάθηση, για να εξετάσει και να συγκρίνει καλύτερα τη δραστηριότητα του εγκεφάλου κατά την εξέταση διαφόρων εικόνων. Δημιούργησαν έναν «αναπαραστατικό πίνακα», ο οποίος είναι σαν ένα λεπτομερές διάγραμμα, που δείχνει πόσο παρόμοιες είναι οι νευρικές αποκρίσεις σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου. Αυτό το διάγραμμα τους βοήθησε να εντοπίσουν τα μοτίβα του πού και πότε ο εγκέφαλος επεξεργάζεται αυτό που βλέπουμε.

Η επιλογή των εννοιολογικά παρόμοιων ζευγών εικόνων με υψηλά και χαμηλά σκορ απομνημόνευσης ήταν το κρίσιμο συστατικό για να ξεκλειδώσουν αυτές τις γνώσεις σχετικά με την απομνημόνευση. Η Lahner εξήγησε τη διαδικασία συγκέντρωσης δεδομένων συμπεριφοράς για την ανάθεση βαθμολογιών απομνημόνευσης σε εικόνες, όπου επιμελήθηκαν ένα ποικίλο σύνολο εικόνων υψηλής και χαμηλής απομνημόνευσης με ισορροπημένη εκπροσώπηση σε διάφορες οπτικές κατηγορίες.

Παρά τα βήματα που έγιναν, η ομάδα σημειώνει ορισμένους περιορισμούς. Ενώ η εργασία αυτή μπορεί να εντοπίσει περιοχές του εγκεφάλου που παρουσιάζουν σημαντικές επιδράσεις στην απομνημόνευση, δεν μπορεί να διευκρινίσει τη λειτουργία των περιοχών ως προς τον τρόπο με τον οποίο συμβάλλει στην καλύτερη κωδικοποίηση/ανάκτηση από τη μνήμη.

«Η κατανόηση των νευρωνικών υποστρωμάτων της απομνημόνευσης ανοίγει συναρπαστικούς δρόμους για κλινικές εξελίξεις, ιδίως στη διάγνωση και τη θεραπεία διαταραχών που σχετίζονται με τη μνήμη σε πρώιμο στάδιο», λέει η Oliva. «Οι συγκεκριμένες εγκεφαλικές υπογραφές που έχουμε εντοπίσει για την απομνημόνευση θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πρώιμους βιοδείκτες για τη νόσο Αλτσχάιμερ και άλλες άνοσες. Αυτή η έρευνα ανοίγει το δρόμο για νέες στρατηγικές παρέμβασης που θα είναι λεπτομερώς προσαρμοσμένες στο νευρωνικό προφίλ του ατόμου, μεταμορφώνοντας ενδεχομένως το θεραπευτικό τοπίο για τις διαταραχές της μνήμης και βελτιώνοντας σημαντικά τα αποτελέσματα των ασθενών».

«Τα ευρήματα αυτά είναι συναρπαστικά, διότι μας δίνουν μια εικόνα για το τι συμβαίνει στον εγκέφαλο μεταξύ του να δει κάτι και να το αποθηκεύσει στη μνήμη», λέει η Wilma Bainbridge, επίκουρη καθηγήτρια ψυχολογίας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Οι ερευνητές εδώ πιάνουν ένα φλοιώδες σήμα που αντανακλά τι είναι σημαντικό να θυμόμαστε και τι μπορεί να ξεχαστεί νωρίς».

Ο Lahner και ο Oliva, ο οποίος είναι επίσης διευθυντής στρατηγικής δέσμευσης της βιομηχανίας στο MIT Schwarzman College of Computing, διευθυντής του MIT-IBM Watson AI Lab και κύριος ερευνητής του CSAIL, συμμετέχουν στην εργασία μαζί με την επίκουρη καθηγήτρια Yalda Mohsenzadeh του Western University και την ερευνήτρια Caitlin Mullin του York University. Η ομάδα αναγνωρίζει την επιχορήγηση κοινού οργάνου από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, ενώ το έργο τους χρηματοδοτήθηκε από την υποτροφία του Vannevar Bush Faculty Fellowship μέσω επιχορήγησης του Office of Naval Research, από βραβείο του National Science Foundation, από το βραβείο Multidisciplinary University Research Initiative μέσω επιχορήγησης του Army Research Office και από την υποτροφία EECS MathWorks Fellowship. Η εργασία τους δημοσιεύεται στο PLOS Biology.

Πηγή: Mapping the brain pathways of visual memorability