Mózg uruchamia sieć skojarzeń jeszcze przed wypowiedzeniem słowa

Zanim człowiek wypowie słowo przywołane z pamięci, w jego mózgu aktywuje się niemal połowa obszarów kory mózgowej. Jak wyjaśnia prof. Michał Kucewicz z Politechniki Gdańskiej, proces ten rozpoczyna się na ułamki sekund przed pojawieniem się słowa w świadomości i obejmuje rozległe sieci neuronalne odpowiedzialne nie tylko za mowę, ale także za pamięć, skojarzenia i doświadczenia zmysłowe.

Badania prowadzone przez zespół Laboratorium Elektrofizjologii Mózgu i Umysłu Centrum BioTechMed Politechniki Gdańskiej, we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu oraz St. Anne’s University Hospital w Brnie, zostały opublikowane na łamach „Nature Communications”.

Badania prowadzone u pacjentów z padaczką lekooporną

Naukowcy analizowali aktywność mózgu osób chorujących na epilepsję lekooporną. To grupa pacjentów, u których standardowe leczenie farmakologiczne nie przynosi oczekiwanych rezultatów. W ramach diagnostyki przedoperacyjnej wszczepiono im elektrody umożliwiające lokalizację źródeł napadów padaczkowych. Dzięki temu badacze mogli jednocześnie rejestrować aktywność mózgu podczas wykonywania zadań pamięciowych.

Pacjenci z Polski, Czech i Stanów Zjednoczonych mieli zapamiętywać słowa pojawiające się na ekranie komputera, a następnie odtwarzać je z pamięci. Jak tłumaczył prof. Michał Kucewicz, badacze wykorzystywali proste rzeczowniki, które można łatwo przetłumaczyć między językami, takie jak „dom” czy „drzewo”.

Wyniki okazały się bardziej złożone, niż początkowo zakładano. Badacze spodziewali się aktywności głównie w obszarach odpowiedzialnych za mowę. Tymczasem rejestrowali zjawisko obejmujące wszystkie pięć płatów kory mózgowej. – „Przed powiedzeniem słowa zachodzi synchronizacja aktywności mózgu w wysokich częstotliwościach fal. Zanim słowo w ogóle pojawi się w umyśle albo zostanie wypowiedziane, prawie połowa obszarów w mózgu uaktywnia się na kilkadziesiąt milisekund” – podkreślił badacz.

Naukowcy zauważyli, że przywoływanie pojęć wymaga jednoczesnego uruchomienia rozproszonych śladów pamięciowych. Nawet proste słowa wywołują rozbudowaną sieć skojarzeń, angażującą różne obszary odpowiedzialne za zmysły, emocje czy doświadczenia ruchowe.

Prof. Kucewicz zwrócił uwagę, że pojedyncze pojęcie może aktywować wiele różnych struktur neuronalnych, zależnie od indywidualnych doświadczeń danej osoby. – „Na przykład słowo „ryba” może przywołać dużo więcej skojarzeń niż tylko obraz wzrokowy. U wielu osób uaktywni się kora smakowa, bo pomyślą o daniu rybnym. U wędkarzy – kora motoryczna, bo przypomną sobie, jak zarzuca się wędkę. Ryba to też symbol chrześcijaństwa, więc jeśli ktoś pomyśli o tym, uaktywni się obszar kojarzeniowy mózgu związany z przetwarzaniem symboli” – opowiadał naukowiec.

Badacze obserwowali synchroniczną aktywność zarówno wtedy, gdy uczestnicy widzieli słowa na ekranie i próbowali je zapamiętać, jak i podczas samodzielnego przywoływania ich z pamięci, bez zewnętrznego bodźca. – „Widzieliśmy tę synchroniczną aktywność, gdy słowa pojawiały się na ekranie, a pacjenci próbowali je zapamiętać, wyobrażając sobie pojęcia w umyśle. Aktywność pojawiała się nawet jeszcze mocniej, gdy bez żadnego bodźca z zewnątrz przywoływali sobie słowa w dowolnym momencie. Czyli słowo pojawiało się tylko w ich umyśle, a kora wzrokowa odtwarzała albo projektowała to, co im się kojarzyło” – stwierdził prof. Kucewicz.

Jednym z najważniejszych odkryć było również zarejestrowanie bardzo szybkich fal mózgowych o częstotliwości dochodzącej do 250–300 Hz. Dotychczas badacze skupiali się głównie na falach o częstotliwości około 100 Hz. – „Zaskoczyło nas, że szybkie fale mózgowe (ang. High-Frequency Oscillations, HFO) nie ograniczały się do tych, których znamy od dawna, czyli o częstotliwości ok. 100 Hz (ok. 100 cykli na sekundę). Podczas gdy pacjenci kodowali i przywoływali wspomnienia, stwierdziliśmy u nich globalnie zsynchronizowane fale aż do częstotliwości 250-300 Hz” – ocenił naukowiec.

Badanie wykazało również, że synchronizacja aktywności mózgu pojawiała się nawet 300 milisekund przed rozpoczęciem wypowiadania słowa. – „Mogliśmy więc obserwować, jak mózg przygotowuje się do wymówienia słowa, jak pod wpływem przywoływania pojęć lub wspomnień kaskadowo uruchamiały się jedna sieć neuronowa po drugiej” – opisywał rozmówca.

Kolejny etap badań nad pamięcią i świadomością

Zdaniem autorów projektu wyniki mogą pomóc lepiej zrozumieć mechanizmy powstawania pojęć, pamięci i świadomego myślenia. Badacze planują analizować aktywność mózgu również w odniesieniu do bardziej abstrakcyjnych pojęć oraz obserwować procesy pamięciowe poza warunkami laboratoryjnymi. – „Już wiemy, w jakich częstotliwościach, częściach mózgu i czasie szukać aktywności leżących u podstaw pojęć i engramów, czyli śladów pamięciowych. Możemy teraz sprawdzić na przykład, w którym momencie pojęcie pojawia się świadomie w umyśle pacjenta, a kiedy jest w sferze podświadomości, albo sprawdzić, jak wygląda aktywność w przypadku bardziej skomplikowanych, abstrakcyjnych pojęć, jak „miłość” albo „sprawiedliwość”. Chcemy też śledzić wyładowania elektryczne w mózgu nie tylko podczas półgodzinnego testu w szpitalu, ale też kiedy pacjenci później myślą o tych słowach albo śpią” – zapowiedział prof. Michał Kucewicz.

Zobacz: Neurolodzy odgrywają kluczową rolę w diagnostyce i terapii chorób rzadkich

Pytania i odpowiedzi dotyczące badań nad pamięcią i aktywnością mózgu

Na czym polegało badanie opisane przez naukowców?

Badanie polegało na analizie aktywności mózgu pacjentów z epilepsją lekooporną podczas zapamiętywania i przywoływania słów z pamięci.

Dlaczego w badaniu uczestniczyły osoby z padaczką?

Pacjenci mieli wszczepione elektrody wykorzystywane w diagnostyce padaczki, co umożliwiło bardzo precyzyjne rejestrowanie aktywności mózgu.

Co odkryli badacze?

Naukowcy wykazali, że przed wypowiedzeniem słowa aktywuje się niemal połowa kory mózgowej, a proces obejmuje rozległe sieci neuronowe związane z pamięcią i skojarzeniami.