Wyniki badania zostały opublikowane w „Nature Neuroscience”.

Modele teoretyczne opisują mózg jako „rozproszony system przetwarzania informacji”. Oznacza to, że mózg ma różne komponenty, które są ściśle połączone w sieć podobną do okablowania. Aby współdziałać ze sobą, regiony wymieniają informacje poprzez system sygnałów wejściowych i wyjściowych.

To jednak tylko niewielka część bardziej złożonego obrazu. Naukowcy udowodnili, że nie ma tylko jednego rodzaju przetwarzania informacji w mózgu. Różni się on zarówno u ludzi, jak i innych naczelnych.

„Zapożyczyliśmy koncepcje z tak zwanych matematycznych ram teorii informacji – badania pomiaru, przechowywania i przekazywania informacji cyfrowych, które są kluczowe dla technologii takich jak internet i sztuczna inteligencja – aby śledzić, w jaki sposób mózg przetwarza informacje. Odkryliśmy, że różne regiony mózgu w rzeczywistości wykorzystują różne strategie do interakcji ze sobą” – powiedział Emmanuel A Stamatakis z Uniwersytetu Cambridge, współautor badania.

Niektóre regiony mózgu wymieniają informacje z innymi w bardzo stereotypowy sposób, wykorzystując dane wejściowe i wyjściowe. Gwarantuje to, że sygnały przechodzą w sposób powtarzalny i niezawodny. Dotyczy to obszarów wyspecjalizowanych w funkcjach sensorycznych i motorycznych (takich jak przetwarzanie informacji dźwiękowych, wizualnych i ruchowych).

Dobrym przykładem są oczy, które wysyłają sygnały do tylnej części mózgu w celu przetworzenia. Większość przesyłanych informacji jest duplikatami, dostarczanymi przez każde oko. Innymi słowy, połowa tych informacji nie jest potrzebna. Dlatego ten rodzaj przetwarzania informacji wejścia-wyjścia nazywa się „redundantnym”.

„Ale nadmiarowość zapewnia odporność, siłę i niezawodność – to właśnie pozwala nam widzieć tylko jednym okiem. Ta zdolność jest niezbędna do przetrwania. Ważne jest, aby połączenia między obszarami mózgu były anatomicznie okablowane – trochę jak telefon stacjonarny” – powiedział Stamatakis.

Łączenie informacji z obu oczu ostatecznie umożliwia mózgowi przetwarzanie głębokości i odległości między obiektami. To podstawa działania okularów 3D używanych w kinie. Ten rodzaj przetwarzania informacji – kiedy złożone sygnały z różnych sieci mózgowych są zintegrowane – nazywa się „synergicznym”.

Przetwarzanie synergiczne jest najbardziej rozpowszechnione w obszarach mózgu, które obsługują szeroki zakres bardziej złożonych funkcji poznawczych, takich jak uwaga, uczenie się, pamięć robocza, rozumienie społeczne i liczbowe. Nie jest jednak okablowana w tym sensie, że może się zmieniać w odpowiedzi na ludzkie doświadczenia, łącząc różne sieci na różne sposoby.

Obszary, w których zachodzi wiele synergii – głównie w przedniej i środkowej części kory mózgowej (zewnętrzna warstwa mózgu) – integrują różne źródła informacji z całego mózgu. Są szerzej i wydajniej połączone z resztą mózgu niż regiony, które zajmują się podstawowymi informacjami sensorycznymi i ruchowymi.

Obszary o wysokiej synergii, które wspierają integrację informacji, mają zazwyczaj wiele synaps – mikroskopijnych połączeń, które umożliwiają komórkom nerwowym komunikację. Naukowcy chcieli dowiedzieć się, czy ta zdolność do gromadzenia i budowania informacji poprzez złożone sieci w mózgu różni się u ludzi i innych naczelnych, które są naszymi bliskimi krewnymi pod względem ewolucyjnym.

„Przyjrzeliśmy się danym z obrazowania mózgu i analizom genetycznym różnych gatunków. Odkryliśmy, że interakcje synergiczne odpowiadają za większą część całkowitego przepływu informacji w ludzkim mózgu niż w mózgach makaków. Jednocześnie, mózgi obu gatunków są równe pod względem tego, jak bardzo polegają na zbędnych informacjach” – powiedział prof. David Menton z Uniwersytetu Cambridge, współautor badania. Dodał, że kora przedczołowa również uległa znacznej ekspansji wraz z ewolucją.

„Kiedy przeanalizowaliśmy dane z mózgów szympansów, odkryliśmy, że im bardziej obszar ludzkiego mózgu rozszerzył się podczas ewolucji pod względem wielkości w stosunku do swojego odpowiednika u szympansa, tym bardziej ten region opierał się na synergii” – powiedział Menton.

Naukowcom udało się również ustalić, że regiony mózgu związane z przetwarzaniem informacji synergicznych, są bardziej skłonne do ekspresji genów, które są wyłącznie ludzkie i związane z na przykład z inteligencją.

„Kuszące jest spekulowanie, że zalety większej synergii mogą częściowo wyjaśniać dodatkowe zdolności poznawcze naszego gatunku. Synergia może dodać ważny element do układanki ewolucji ludzkiego mózgu, której wcześniej brakowało” – powiedział Stamatakis. I dodał: „Ostatecznie nasza praca pokazuje, w jaki sposób ludzki mózg radzi sobie z kompromisem między niezawodnością a integracją informacji – potrzebujemy obu. Co ważne, opracowana przez nas struktura daje nadzieję na nowy, krytyczny wgląd w szeroki zakres pytań z dziedziny neuronauki, od tych dotyczących ogólnego poznania po zaburzenia.

Więcej informacji w materiale źródłowym. 

Autorka: Urszula Kaczorowska

uka/ agt/