December 18, 2012
redOrbit Staff & Wire Reports - Your Universe Online
En av de mänskliga sinnets unika egenskaper är dess förmåga att prioritera sina mål och prioriteringar när situationer förändras och ny information uppstår. Detta händer när du avbryter en planerad kryssning, eftersom du behöver pengarna för att reparera din brutna bil, eller när du avbryter din morgonjog eftersom din mobiltelefon ringer i fickan.
I en ny studie offentliggjordes i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), säger forskare från Princeton University att de har upptäckt mekanismerna som styr hur våra hjärnor använder ny information för att ändra våra befintliga prioriteringar.
Forskargruppen hos Princeton's Neuroscience Institute (PNI) använt funktionell magnetisk resonansavbildning (fMRI) för att skanna ämnen och ta reda på var och hur människans hjärna reprioriterar mål. Inte överraskande fann de att övergången av mål sker i prefrontal cortex, en region i hjärnan som är känd för att vara associerad med en mängd olika beteenden på högre nivå. De observerade också att den kraftfulla neurotransmitterdopaminen - även känd som "nöjeskemikalien" - verkar spela en viktig roll i denna process.
Med hjälp av en ofarlig magnetisk puls avbröt forskarna aktiviteten i deltagarnas prefrontala cortex medan de spelade spel och fann att de inte kunde byta till en annan uppgift i spelet.
"Vi har funnit en grundläggande mekanism som bidrar till hjärnans förmåga att koncentrera sig på en uppgift och sedan byta flexibelt till en annan uppgift" förklaras Jonathan Cohen, medordförande för PNI och universitetets Robert Bendheim och Lynn Bendheim Thoman Professor i neurovetenskap.
"Nackdelar i detta system är centrala för många kritiska störningar av kognitiv funktion, såsom de som observeras vid schizofreni och tvångssyndrom."
Tidigare forskning har redan visat att när hjärnan använder ny information för att ändra sina mål eller beteenden, läggs denna information tillfälligt bort i hjärnans arbetsminne, en typ av korttidsminneslagring. Hittills har forskare inte förstått de mekanismer som styr hur informationen uppdateras.
ANVÄNDNING AV SPEL FÖR PINPOINT BESLUTNINGSMAKNING
Tillsammans med studiens ledande författare Kimberlee D'Ardenne av Virginia Tech samt medforskare Neir Eshel, Joseph Luka, Agatha Lenartowicz och Leight Nystrom, Cohen och hans team utarbetade en studie som gjorde det möjligt för dem att skanna hjärnan hos deras ämnen medan de spelade ett spel. Spelet krävde deltagarna att trycka på specifika knappar beroende på olika visuella signaler. Om de visades bokstaven A före bokstaven X, blev de ombedda att trycka på en knapp märkt "1". Men om de såg bokstaven B före X, måste de trycka på en knapp märkt "2".
I en tidigare version av uppgiften blev deltagarna först ombedda att trycka på 1-knappen när de såg X oberoende av vilka bokstäver som föregick det. Således var A- och B-regeln som introducerades i andra omgången den "nya informationen" som deltagaren måste använda för att uppdatera sitt mål att bestämma vilken knapp som ska tryckas.
Undersökningen av fMRI efteråt fann forskarna ökad aktivitet i rätt prefrontal cortex när deltagarna slutförde den mer komplexa uppgiften som involverade fatta ett beslut mellan två knappar baserat på de visuella signalerna A och B. Det var emellertid inte fallet för den enklare versionen av uppgiften.
Cohns resultat bekräftar resultaten av sitt eget tidigare forskningsprojekt från 2010 som använde en annan skanningsmetod för att mäta timing av hjärnaktivitet.
I den aktuella studien levererade forskargruppen också korta magnetiska pulser till prefrontal cortex för att bekräfta att detta i själva verket är hjärnregionen involverat i uppdatering av arbetsminnet. Baserat pulsens tidpunkt för den föregående studien, gav forskarna den magnetiska puls vid det exakta ögonblicket då de trodde att den högra prefrontala cortexen skulle uppdatera minnet. De fann att om de levererade pulsen exakt 0.15 sekunder efter att deltagarna såg bokstäverna A eller B kunde de inte slå den rätta knappen. De kunde således använda magnetpulsen för att störa minnesuppdateringsprocessen.
"Vi förutspådde att om puls levererades till den del av rätt prefrontal cortex som observerades med hjälp av fMRI, och vid den tid då hjärnan uppdaterar sin information som avslöjad av EEG, skulle ämnet inte behålla informationen om A och B, störa hans eller hennes prestanda på den knapptryckande uppgiften, förklarar Cohen.
DOPAMIN SOM GATEKEEPER AV VÅRA ARBETSMINNE
I den sista delen av experimentet ville Cohs team testa sin teori om att neurotransmittorn dopamin är ansvarig för att märka ny information och är viktig för att uppdatera arbetsminne och mål när det kommer in i prefrontal cortex. Dopamin är en naturligt förekommande kemikalie som är känd för att spela nyckelroller i ett antal mentala processer som de som involverar motivation och belöning.
För att göra detta använde teamet igen fMRI för att skanna en region som kallas midbrainen som är tätbefolkade med specialiserade nervceller - kända som dopaminerga kärnor - som ansvarar för att producera de flesta av hjärnans dopamin-signaler. Forskarna spårade aktiviteten hos dessa dopaminutsläppande nervceller medan deltagarna utförde uppgifterna och fann en signifikant korrelation mellan hjärnaktivitet i dessa områden och i rätt prefrontal cortex.
"Den anmärkningsvärda delen var att dopamin signalerna korrelerade både med våra volontärers beteende och deras hjärnaktivitet i prefrontal cortex", förklarar Cohen.
"Denna konstellation av fynd ger starka bevis för att de dopaminerga kärnorna gör det möjligt för prefrontal cortex att hålla fast vid information som är relevant för uppdatering av beteende, men inte information som inte är".
Professor David Badre från Brown University, en specialist inom kognitiva, språkliga och psykologiska vetenskaper, anser att Cohns team representerar ett stort steg framåt i vetenskapens försök att förstå hur vår hjärna uppdaterar sitt arbetsminne.
Även om inte direkt involverad i studien skrev Badre en kommentar till den studie som publicerades online i början av november av PNAS. I det sade han att: "De mekanismer genom vilka hjärnan uppnår en adaptiv balans mellan flexibilitet och stabilitet är grunden till mycket aktuell utredning i kognitiv neurovetenskap. Dessa resultat ger grund för nya undersökningar av neurala mekanismer för flexibelt, målriktat beteende. "
;
