Codziennie nasz mózg mierzy się z setkami zadań. Kiedy napotyka na problem, na przykład matematyczny, uruchamia całą rzeszę procesów, mających na celu odpowiednie zapisanie potrzebnych informacji, utworzenie schematu poszczególnych kroków, jakie będziemy musieli przeprowadzić oraz, wreszcie, również ich wykonanie. Zagadką, nad którą trudzi się wiele tęgich głów, jest to, jakie mechanizmy oraz obszary mózgu zaangażowane są w te działania.

Nadja Tschentscher z niemieckiego Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences w Lipzig oraz Olaf Hauk, będący członkiem Medical Research Council w Londynie, przeprowadzili badanie mające na celu wyjaśnienie udziału bocznego obszaru kory czołowej w początkowej fazie rozwiązywania problemów abstrakcyjnych (w tej roli wystąpiły proste działania matematyczne).

Kora nowa jest najmłodszą, z ewolucyjnego punktu widzenia, częścią mózgu. Tworzą ją ciała komórek nerwowych i to ona odpowiada za wyższe funkcje poznawcze, takie jak analiza bodźców, planowanie czy rozwiązywanie problemów. Kora czołowa, jak wskazuje jej nazwa, znajduje się w przednim rejonie mózgu. Poprzez bruzdę boczną graniczy z korą skroniową, bruzda środkowa zaś oddziela ją od kory ciemieniowej.

W swoim poprzednim badaniu (Tschentscher i Hauk, Marzec 2016), badacze zaobserwowali, że jest ona aktywna podczas początkowego etapu rozwiązywania działań arytmetycznych, dokładniej – w okolicach 300 milisekundy nagrań EEG-MEG. Zaproponowali dwie koncepcje, mogące tłumaczyć jej rolę. Pierwsza wiąże aktywność wymienionego wyżej obszaru z zaplanowaniem schematu działań, jakie należy podjąć w celu uzyskania rozwiązania. Druga – z bardziej ogólnym procesem przetwarzania opracowywanych danych. Zaprojektowali więc badanie, mające dać odpowiedź na pytanie, która z tych dwóch teorii odpowiada faktycznej funkcji kory czołowej.

Badanie

Dwudziestu trzech uczestników badania postawiono przez zadaniem rozwiązania prostych działań matematycznych. Uczestnikom za każdym razem sygnalizowany był rodzaj wymaganego działania, następnie wyświetlane były, jedna po drugiej, dwie liczby. W tym czasie mierzona była aktywność ich kory mózgowej, w formie zapisów EEG oraz MEG. Uczestnicy wykonywali polecenie polegające na pomnożeniu przez siebie obu liczb („mnożenie”), albo nieco bardziej skomplikowane, składające się z dwóch działań: dodania liczb do siebie, a następnie pomnożenia wyniku przez mniejszą z nich („sekwencja”). Liczby mogły być jedno- („łatwe”) bądź dwucyfrowe („złożone”). Tym sposobem Tschentscher i Hauk uzyskali cztery kategorie zadań: „łatwe mnożenie”, „złożone mnożenie” oraz „łatwa sekwencja” i „złożona sekwencja”. Dla przykładu, zadanie należące do tej pierwszej polegało na pomnożeniu 3x7; do drugiej 2x34; w kategorii trzeciej mieściłaby się operacja (3+4)x3; dla czwartej należało wykonać np. działanie (32+2)x2.

Jak łatwo dostrzec, tylko na pierwsze potrafimy bez zastanowienia udzielić odpowiedzi – w większości przypadków nie musimy nawet wykonywać obliczeń, a po prostu przypomnieć sobie wynik, zapamiętany w czasach, kiedy trzeba było „wykuć na pamięć” tabliczkę mnożenia. Wszystkie pozostałe operacje wymagają od nas zaplanowania i wykonania przynajmniej dwóch kroków. Podążając tym tokiem rozumowania, badacze oczekiwali, że jeśli działanie kory czołowej odpowiada za planowanie poszczególnych ogniw działania, przełoży się to na większą jej aktywność w czasie tych obliczeń, które składają się z kilku kroków. Czyli, że jedynie w czasie rozwiązywania zadań należących do kategorii „łatwe mnożenie”, zarejestrowana aktywność będzie mniejsza w porównaniu do wszystkich pozostałych.

Jakiego wyniku oczekiwaliby badacze, dla potwierdzenia koncepcji przetwarzania danych? Zgodnie z tą teorią, spodziewalibyśmy się, że tym większą aktywność zarejestrujemy w badaniach EEG oraz MEG, im większymi liczbami operują badani. Zatem różnice w aktywności omawianego obszaru mózgu powinny być widoczne w analizach porównujących wyniki zarejestrowane w czasie „łatwego mnożenia” oraz „łatwej sekwencji” z wynikami pochodzącymi ze „złożonego mnożenia” oraz „złożonej sekwencji”, podczas gdy obrazy „łatwego mnożenia” i „łatwej sekwencji” nie powinny od siebie znacząco odbiegać, jako że w obu tych kategoriach badani operują liczbami o tym samym rzędzie wielkości – tak samo w przypadku „złożonego mnożenia” i „złożonej sekwencji”.

Wyniki

Która zatem z tych dwóch teorii znalazła potwierdzenie w wynikach badania?

Analiza uzyskanych obrazów EEG oraz MEG pokryła się z przewidywaniami nakreślonymi przez badaczy dla tezy planowania kroków.  Tschentscher i Hauk zlokalizowali w zakresie czasowym 300-450 msec. pobudzenia kory czołowej, których schemat odpowiada założeniom pierwszej koncepcji. Kora czołowa swoją funkcją przypomina zatem generała, planującego ruchy oddziału przed bitwą. Co więcej, udało im się potwierdzić zaobserwowany w swoim poprzednim badaniu (opublikowanym w marcu 2016), efekt lateralizacji omawianej aktywności: aktywność kory czołowej nie była symetryczna w obu półkulach, skupiając się zamiast tego w prawej półkuli mózgowej. Wszyscy uczestnicy badania byli praworęczni, co sugeruje iż obserwowana aktywność ma miejsce w ich niedominującej półkuli; badacze spekulują, że taka lokalizacja pobudzeń może mieć związek z formą testu – jako że półkulę niedominującą przyjęło się wiązać z formami nielingwistycznymi, jak np. muzyka (Jeon 2014, za: Tschentscher i Hauk), do których bliżej jest działaniom arytmetycznym, podczas gdy aktywności w półkuli dominującej spodziewalibyśmy się gdyby zadanie badanych miało postać bardziej werbalną.

To jednak nie koniec doniesień. Godnym odnotowania wydał się badaczom fakt, że udało im się zaobserwować również inny typ aktywności kory mózgowej – występujące około 100 msec. pobudzenie kory ciemieniowej – odpowiadający założeniom przedstawionym dla drugiej z rozważanej koncepcji. Sugeruje to udział tego obszaru w procesie przetwarzania informacji, niezbędnych dla rozwiązania zadania.

Przeprowadzone badanie dostarcza świeżych danych dla zrozumienia roli poszczególnych obszarów kory mózgowej w procesach kognitywnych, do jakich należy rozwiązywanie abstrakcyjnych problemów. Jego wyniki rzucają nowe światło na funkcjonowanie sieci czołowo-ciemieniowej aktywności kory oraz funkcji jej elementów. Niestety, czułość metody nie pozwoliła na dokładniejsze określenie granic aktywnego w przedstawionym zadaniu obszaru kory.

Na podstawie:

Tschentscher, N., Hauk, O., Frontal Cortex Supports the Early Structuring of Multiple Solution Steps in Symbolic Problem-solving (2016). Journal of Cognitive Neuroscience 29(1), 114-124, doi:10.1162/jocn_a_01027