Zacznijmy od małego eksperymentu. Przewińcie stronę na koniec artykułu i przyjrzyjcie się obrazkowi załączonemu tuż nad bibliografią. Następnie postarajcie się zapamiętać kolejność liczb wpisanych w kwadraty – możecie to robić dowolnie długo. Gdy już uznacie, że wystarczająco dobrze pamiętacie ustawienie liczb, wróćcie do tego miejsca i spróbujcie je wypowiedzieć po kolei, jednocześnie wskazując palcem odpowiadające im puste kwadraty z poniższego obrazka.

Nieważne, czy udało wam się prawidłowo zrobić zadanie, czy nie. Istotne jest tu, że aby w ogóle je zacząć, konieczne było intensywne skupienie oraz wysiłek intelektualny, podczas którego zaangażowana została wasza pamięć operacyjna. To właśnie ona was zawiodła, bo nie ukrywajmy – najprawdopodobniej nie dopasowaliście poprawnie liczb do kwadratów.

Wyróżnia się kilka rodzajów pamięci, jaką dysponuje człowiek: pamięć długoterminową (trwającą latami; dzieli się ją na epizodyczną – odnoszącą się do zdarzeń, oraz semantyczną – odnoszącą się do znaczeń), pamięć krótkoterminową (w ramach której informacje przetrzymywane są kilkadziesiąt sekund) oraz pamięć sensoryczną (zmysłową, znikającą po kilkuset milisekundach). Pojęciem rozbudowującym ideę pamięci krótkotrwałej jest właśnie pamięć operacyjna (robocza, ang. working memory). Odpowiada ona za przechowywanie informacji, które są konieczne do wykonania bieżącego zadania. Dzięki niej zatem możemy w zaawansowany sposób myśleć, rozumować, planować, decydować o zapamiętaniu informacji na dłużej, czy przygotowywać skomplikowane ruchy. Bez pamięci operacyjnej niemożliwe byłyby czynności takie jak wykonywanie zaawansowanych operacji matematycznych, planowanie improwizacji tanecznej, tworzenie skomplikowanych argumentów w toku dyskusji, czy improwizowanie na instrumencie; wszystkie one bowiem wymagają stałej dostępności pewnych konkretnych informacji (np. liczb, czy kolejnych kroków tanecznych).

Do tej pory uważano, że przechowywanie danych w pamięci operacyjnej zapewniane jest przez podtrzymywanie aktywności neuronów odpowiedzialnych za przetwarzanie właściwej informacji. Według tej koncepcji informacja znika z naszego układu nerwowego w momencie, gdy aktywność neuronalna przestaje być wzmacniana, np. gdy osoba skupia swoją uwagę na czymś innym. I faktycznie, reprezentację neuronalną danego bodźca przetrzymywanego w pamięci operacyjnej można odczytać używając narzędzi do neuroobrazowania, takich jak funkcjonalny rezonans magnetyczny. W momencie gdy bodziec przestaje być istotny, jego reprezentacja widoczna wcześniej w fMRI ginie. Okazuje się jednak, że sytuacja jest nieco bardziej skomplikowana. Nathan Rose i współpracownicy (2016) przeprowadzili serię eksperymentów, które podważyły przedstawioną wyżej wizję, a raczej rozbudowały ją o dodatkowy mechanizm przechowywania informacji w pamięci operacyjnej.

Na początku naukowcy przedstawili badanym w eksperymencie uczestnikom trzy rodzaje bodźców dobranych tak, by łatwo było odróżnić ich reprezentacje neuronalne w rezonansie magnetycznym, mianowicie: słowa, twarze oraz bodźce ruchome (których przetwarzanie odbywa się np. w wyraźnie różnych obszarach płata skroniowego). Badacze przygotowali procedurę, w trakcie której patrzący na monitor uczestnicy musieli utrzymywać w pamięci jeden typ bodźca, by wykorzystać go w prostym zadaniu polegającym na rozpoznawaniu obiektów. Na ekranie prezentowane były więc jednocześnie twarz i słowo, po czym znikały na kilka sekund. Następnie program wyświetlał wskazówkę podpowiadającą, która z dwóch informacji jest istotna. W czasie kilku sekund przed pojawieniem się wskazówki badani musieli pamiętać oba bodźce, potem jednak, gdy wiadome już było, że np. do zadania potrzebne będzie tylko słowo, aktywność neuronalna związana z utrzymywaniem w pamięci operacyjnej twarzy znikała (spadała do poziomu losowego szumu). Jak widać, na tym etapie eksperymentu Rose'a i współpracowników potwierdzona została teoria opisana wyżej.

Naukowcy poszli jednak o krok dalej i po pierwszej wskazówce, kiedy badane osoby przypomniały już sobie właściwy bodziec (np. słowo), dostarczyli im drugą wskazówkę, oznaczającą konieczność przypomnienia sobie drugiego z bodźców (np. twarzy). Okazało się, że aktywność neuronalna, która odpowiadała percepcji twarzy, „wynurzała” się z chaotycznego szumu. Autorzy eksperymentu nazwali to zjawisko efektem Frankensteina, drugi bodziec bowiem, pomimo tego, że początkowo znikał z obrazu skanera, wracał do pamięci operacyjnej niczym wskrzeszony. Co więcej, badacze zastosowali urządzenie do przezczaszkowej stymulacji magnetycznej (TMS), umożliwiające nieinwazyjne wzbudzenie obszarów mózgu poprzez indukcję magnetyczną. Stymulując fragmenty kory związane z analizą twarzy lub słów naukowcy dostrzegli, że po wzbudzeniu możliwe było wykrycie reprezentacji neuronalnej odpowiedzialnej za bodziec, którego nie dotyczyła wcześniejsza wskazówka (np. za twarz, gdy wskazówka dotyczyła słowa), a więc niepotrzebny do wykonania zadania, czyli teoretycznie nieznajdujący się w pamięci operacyjnej. Znowu więc zgubiona w szumie aktywność neuronów odpowiadająca bodźcowi niepotrzebnemu nagle odradzała się. Co ciekawe, takie odrodzenie nie było możliwe, gdy badani dostawali informację, że nie muszą już pamiętać żadnego z bodźców – wtedy ukryta reprezentacja neuronalna znikała bezpowrotnie.

Wynika z tego, że pamięć operacyjna jest bardziej złożonym procesem niż myśleliśmy – oprócz mechanizmu podtrzymywania aktywności sieci reprezentującej dany bodziec istnieje także drugi mechanizm, niewidoczny dla naszych technik neuroobrazowania. Autorzy twierdzą, że najlepszym wyjaśnieniem tego ukrytego mechanizmu przechowywania informacji w pamięci roboczej jest hipoteza synaptyczna, wedle której użyteczne dane mogą być zapisywane dzięki krótkotrwałemu przebudowaniu struktury synaps, tj. dzięki zmianom połączeń między neuronami, lub zmianom znaczenia poszczególnych neuronów w sieci.

Badacze przedstawili więc nowy, dwupoziomowy model pamięci operacyjnej. Możliwe, że dzięki temu odkryciu w przyszłości, wraz z rozwojem technik takich jak TMS, będzie można pomagać ludziom w odzyskiwaniu utraconych wspomnień. Jedną z ważniejszych lekcji z tego odkrycia jest jednak dostrzeżenie, jak bardzo jesteśmy ograniczeni naszymi technikami badania mózgu i jak ważne procesy mogą nam umykać tylko dlatego, że nie mamy urządzeń zdolnych do analizy pełni złożoności najcenniejszego narządu, jaki posiadamy.

Na podstawie:

Rose, N. S., LaRocque, J. J., Riggall, A. C., Gosseries, G., Starrett, M. J., Meyering, E. E., Postle, B. R. (2016). Reactivation of latent working memories with transcranial magnetic stimulation. Science, 354(6316), s. 1136-1139.

Dla ciekawych, jak z podobnym zadaniem do naszego poradził sobie szympans: https://youtu.be/zsXP8qeFF6A?t=1m34s