MOŽGANSKE ELEKTRIČNE OSCILACIJE IN SPOMIN SIMON BREŽAN Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani Inštitut za klinično nevrofiziologijo Klinični center Ljubljana MULTIKONFERENCA INFORMACIJSKA DRUŽBA 2006 KOGNITIVNE ZNANOSTI INŠTITUT JOŽEF STEFAN OKTOBER 2006

Kognitivna nevroznanost “nevrobiologija duševnih procesov” (Gazzaniga) “cilj je razumeti zavest” (Kandel) možganski oz. nevronski korelati (kodi, notranje reprezentacije) mentalnih funkcij, npr. spomina? “Ultimativni cilj kognitivne nevroznanosti je razumevanje delovanja in interakcij funkcijskih in strukturnih komponent možganov tako dobro, da bi lahko sestavili mehanični model možganov oz. napisali računalniški program, ki bi simuliral možgane do potankosti.” (Kosslyn, 1996)

Raziskovanje možganov: elektrofiziološke metode elektroencefalografija (EEG), magnetoencefalografija (MEG), metode izvabljenih “poznih” potencialov (ERP) invazivno: znotrajcelična in zunajcelična detekcija električnih potencialov (single/multiple cell recording) časovni potek možganske električne aktivnosti dobra časovna ločljivost (ms) > procesi in mehanizmi obdelovanja informacij, operacijski sistem možganov novejše metode analize (EEG) signalov: npr. močnostni spektri, koherenca, analiza izvora

SNEMANJE EEG Elektroencefalografsko snemanje: EEG aparat na Inštitutu za klinično nevrofiziologijo, Klinični center Ljubljana (vir: osebni arhiv avtorjev) Električno aktivnost možganov v obliki EEG-signala odjemamo z elektrodami, nameščenimi na površini glave Merimo potencialne razlike med pari elektrod v času (razlike aktivnosti med različnimi prostorskimi regijami) oz. glede na referenčno elektrodo Slabša prostorska ločljivost (10cm2), nedostopnost določenih predelov možganske skorje in globine sumiranost signala- postsinaptični potenciali, nezmožnost identifikacije vrste sinaptičnega dogodka (aktiv. vs. inhib.) Dodatni izvori električne aktivnosti EOG (očesni gibi), EMG (mišična aktivnost) …, izvori napetosti v okolici izločanje artefaktov

TOKOVNE ZANKE in ELEKTRIČNA NAPETOST NA SKALPU zunajcelični tokovi – TOKOVNE ZANKE in “potencial polja” stalna fluktuacija napetosti v času Akcijski potenciali: neposredno ne prispevajo k EEG-signalu

ZNAČILNOSTI POSAMEZNIH MOŽGANSKIH RITMOV Hitri ritmi alfa (8-13Hz, 50 uV): budno stanje mentalne in fizične sproščenosti (zavre ga pozornost, fizični/mentalni napor); zadajšnji predeli glave beta (13-30Hz, 30uV): mentalna aktivnost, kognitivni procesi, motorika; čelno, centralno, difuzno gama (30-50Hz): kognitivni procesi, zaznavanje, pozornost Počasni ritmi theta (4-7Hz): spanje, otroci, emocionalni in spominski procesi, bolezenska stanja. delta (0,5-4Hz): globoko spanje, dojenčki, organske bolezni možganov. Reaktivnost Ritem alfa – odpiranje oči, mentalni napor: desinhronizacija v EEG-ju

EEG: BUDNOST (“ZAVEST”) vs. SPANJE Budnost: velika splošna aktivnost možganov- bolj iregularen in desinhroniziran signal, nižje amplitude, višje frekvence (sinaptični inputi v korteks = izven faze, iregularni, odraža senzorični dotok v skorjo+ kompleksne interakcije nevronskih omrežij) Spanje: majhna splošna aktivnost, sinhroniziran signal, velike amplitude, počasne frekvence  Negativna korelacija med velikostjo (amplitudo) EEG-signala in nivojem aktivnosti procesiranja v možganih

Dileme POMEN MOŽGANSKIH RITMOV?- aktualne raziskave OSCILACIJE: RITEM, AMPLITUDA, FREKVENCA IZVOR MOŽGANSKIH RITMOV? Talamokortikalni izvor, povratne zanke; sinhronizacija taka, da tvori ritmično aktivnosti Kortikokortikalni nevroni- možganska skorja kot generator oscilacij Razširitev vzpodbude? POMEN MOŽGANSKIH RITMOV?- aktualne raziskave intrinzično spontano stanje naših možganov (Buzsaki, Basar, Nunez, Lopes da Silva); vsak svoj prostorski vzorec in vedenjski kontekst, ki jih vzbudi/ modulira ne gre za epifenomen, šum ozadja? preklopi med različnimi funkcijskimi stanji celic možganske skorje in posredovali aktivacijo ali inhibicijo odgovarjajočih nevronskih mrežij. Hitri ritmi: lokalno procesiranje vs. počasni ritmi: top-down modulacija

KRATKOROČNI SPOMIN KOT DELOVNI SPOMIN Analiza SPOMINA: PROCESI IN STRUKTURA SPOMINSKEGA SISTEMA “POZITIVNI” (FACILITACIJA, SENZITIZACIJA SINAPTIČNIH POTI) vs. “NEGATIVNI” SPOMIN (INHIBICIJA PRENOSA ZA NEPOMEMBNE INFO  HABITUACIJA ODZIVOV): MODULACIJA LIMBIČNIH MOTIVACIJSKO-EMOCIONALNIH SISTEMOV Aktivna vloga kratkoročnega spomina: delovni spomin MIŠLJENJE DELOVNI SPOMIN: kompleks kognitivnih procesov za vzdrževanje, upravljanje in uporabo informacij (POGOJ: voljno vzdrževanje v mislih) Osnova za inteligentno, k cilju usmerjeno vedenje, mišljenje, jezik, reševanje problemov in druge višje živčne funkcije Model delovnega spomina: Baddeley in Hitch (2000) CENTRALNI IZVRŠITELJ: pozornostni nadzor podsistemov, upravljanje z informacijami, načrtovanje, izbira stategij, inhibicija odzivov. SUŽENJSKI PODSISTEMI: ločeno shranjevanje in tren.vzdrževanje informacij (npr. fonološka shramba, artikulacijski “nadzorni proces”- ponavljanje)

NEVROFIZIOLOGIJA: KRATKOROČNI SPOMIN začasno vzdrževanje informacije v vzorcih nevronskih tokokrogov, ko primarnega stimulusa ni več: kako? reverberacijske (+ feedback) zanke pre-sinaptična facilitacija ali inhibicija post-tetanična post-sinaptična facilitacija (zviš. EPSP) podaljšani elektrotonični dendritični potenciali Podaljšana, kontinuirana ekscitacija/ proženje nevronskega vzorca: presin. Ca2+, serotonin, cAMP PKA, NMDA receptorji…  podaljšano sproščanje NT podaljšano proženje postsinaptičnega nevrona (Hebb) drugi (voljni) vzburjevalni in zaviralni mehanizmi? pozornost, hoteno ponavljanje informacije v mislih?

“KJE” SO SHRANJENI SPOMINI? WEIGHT vs. RE-WIRING plasticity A) Klasična HEBBOVA TEORIJA - “CONNECTIONISM”: - synaptic weight W(AB)= W1+W2, “neurons that fire together, wire together” STP/ STD (vs.LTP/ LTD - dolgoročni spomin): short-term potentiation/ depression v sinapsah kratkoročna ELEKTROFIZIOLOŠKA sprememba v učinkovitosti (moči) sinaptičnih povezav (oz. ojačanje sinaptičnega prenosa) v spec. vzorcu povezanih nevronov kot rezultat sočasne predhodne aktivnosti 2 nevronov (vs. kemične in strukturne spremembe sinaps pri LTM) B) NOVEJŠI POGLED- “STRUKTURNA PLASTIČNOST” Kaj je osnovna enota pri procesiranju informacije v možganih? (nevron vs. dendrit) Plastičnost na nivoju dendritov > prostorske distribucije sinaps > spremembe ekscitabilnosti nevronov  vplivajo na fr. proženja AP= output - linearne in nelinearne komputacije individualnih dendritov? (2/ vec- nivojske nevronske mreže, večja kapaciteta) top-down, bottom-up procesiranje; “distribuiran” spomin v omrežjih vs. sinapsa

problem povezovanja (binding problem) GLAVNE RAZISKOVALNE DILEME: 1. “KAKO” se informacija shranjuje? preslikava >tonična ekscitacija : “delay-period activity neurons” selektivnost nevronov glede na dražljaj (npr. smer itd.) kratkoročna elektrofiziološka sprememba v učinkovitosti sinaptičnih povezav (ojačanje sinaptičnega prenosa) 2. “KAJ” je informacija, ki se shranjuje? (senzorični vs. motorični kodi) 3. procesi manipulacije: dinamične interakcije med prefrontalnimi nevroni, procesi transformacije informacij? 4. Procesi delovnega spomina: sočasna aktivacija številnih možganskih področij (predvsem čelni in temenski predeli) medsebojna integracija in koordinacija vpletenih področij? ↓ problem povezovanja (binding problem) Vzporedno in distribuirano obdelovanje informacij v možganih Funkcija pri višjih živčnih funkcijah: sinhronizirana interakcija več (definiranih) možganskih predelov Koritnik in dr., 2004 Funkcijsko magnetnoresonančno slikanje možganov (fMR) med nalogo delovnega spomina: aktivirana področja - rdeče

MOŽNA REŠITEV PROBLEMA POVEZOVANJA? “Sinhrone” oscilacije v električni aktivnosti med prostorsko ločenimi nevronskimi mrežji Študije vidnega zaznavanja (Engel in Singer, 1991) itd. POJEM “SINHRONIZACIJE”: fazna in močnostna sklopljenost EEG-signalov stopnja konsistence signalov x in y ne glede na abs. fazo in normirano na abs. moč mera podobnosti, korelacije dveh signalov Mehanizem prenos električnih signalov prek hipotetičnih anatomskih povezav? Indukcija- več načinov? Kvantifikacija “sinhronosti” oz. integrativnega procesiranja v možganih? ↓ EEG-koherenca kot metoda analize EEG-signala za določanje interregionalne sinhronizacije

EEG-KOHERENCA → POVEČANJE KOHERENCE: ODRAZ FUNKCIJSKEGA POVEZOVANJA MERA FUNKCIJSKE SKLOPLJENOSTI MED LOČENIMI MOŽGANSKIMI PODROČJI → POVEČANJE KOHERENCE: ODRAZ FUNKCIJSKEGA POVEZOVANJA KOHERENCA: normiran križno-korelacijski močnostni spekter med signaloma x in y: Cxy(ω) – vrednost koherence med signaloma x(k) in y(k) Φxy(ω) – vrednost križno-korelacijskega močnostnega spektra signalov x(k) in y(k) Φxx(ω) – vrednost avto-korelacijskega močnostnega spektra signala x(k) Φyy(ω) – vrednost avto-korelacijskega močnostnega spektra signala y(k)

NEVROFIZIOLOŠKA TEORIJA SPOMINA/ MENTALNIH FUNKCIJ Delovni spomin morda posredujejo multiple sinhronizirane (koherentne) oscilacije v električni aktivnosti v različnih frekvenčnih pasovih z različnimi prostorskimi vzorci in funkcijami. Primer: sinhronizacija oz. povečanje koherence v theta frekvenčnem pasu med procesi delovnega spomina posreduje funkcijsko povezovanje (usklajevanje) zadajšnjih predelov možganov, kjer se informacija shranjuje in čelnih predelov, kjer se relevantna informacija vzdržuje, osvežuje in se z njo upravlja (Baddeley-ev model) Procesi delovnega spomina zahtevajo funkcijsko povezanost- konektivnost obširnih anterio-posteriornih nevronskih mrežij Sinhrone koherentne oscilacije električne aktivnosti morda predstavljajo funkcijski nevronski korelat višjih mentalnih funkcij Zmanjšanja koherence: funkcijska odklopitev= zavrtje motečih interakcij, selektivna oz. usmerjena pozornost? Ritem ALFA: procesi delovnega spomina, mentalni napor Ritem THETA: procesi delovnega spomina (ponavljanje/ vzdrževanje, skeniranje informacij), pozornost Ritem GAMA: procesi senzoričnega procesiranja posameznega dražljaja, pozornost, zavest …

Je stara mama nevron? NE SPRAŠUJTE MENE!

LIJ (Lisman, Idiart, Jensen, 1998) MODEL delovnega spomina LIJ model kot model omrežja, ki deluje kot multi-kodni bufer kratkoročnega spomina. Theta in gama oscilacije igrajo glavno vlogo v modelu (theta/gamma “nesting”) z zakasnitvijo v sinapsah ADP (afterdepolarization, naraščajoč časovno razmejen depolarizacijski odklon, ionski kanalčki, receptorji) Glavna funkcija- omogoča tako obnavljanje proženja nevronov, ki hkrati ohranja tudi serijski red (»serial order«), informacijo o zaporedju različnih kodov v sekvenci. Čas ponovitve celotnega ciklusa je določen s theta oscilacijami. Gama oscilacije- kot posledica izmenjavanja med ekscitacijo in medsebojno inhibicijo različnih nevronskih kodov (celica oz. nevronski vzorec, ki ima največji depolarizacijski odklon, bo kot prva prožila ponovno)

RAZISKOVALNI INTERESI IN DISKUSIJA NEURAL EN-CODING?  DE-CODING (SPOMINSKE) VSEBINE+MENTALNIH PROCESOV zgolj na podlagi EEG ANALOGIJA DNK vs. PROTEINI, FUNKCIJA CELICE VISOKA INFORMATIVNOST EEG, MEG (npr. motor trajectory, mental/music imagery)→ do kje? RAZLIČNE ANALIZE SIGNALOV (koherenca, močnostni spektri, fazna demodulacija…) in statistične analize  “BRANJE MISLI” ? (znanstvena fantastika ali realnost, etične dileme) MODELIRANJE PROCESOV (DELOVNEGA) SPOMINA: NEVRONSKE MREŽE, BIOELEKTRICNO- RAČUNALNIŠKA VEZJA (NPR. JENSEN MODEL) VODENJE IN AVTOMATIZACIJA SISTEMOV S POMOČJO EEG-SIGNALOV, BRAIN-COMPUTER INTERFACE, ROBOTIKA

Our memory is fragile and changeable. “PLASTIČNOST” SPOMINA IN PSIHOLOŠKA KONSTRUKCIJA REALNOSTI Spomin je sposobnost možganov za interpretacijo preteklih dogodkov, izkušenj in misli Creating Memory In a way, we live in the past. We're always remembering whatwe've seen, heard, experienced. Without memory we wouldn't know who we are. But our brain doesn't store memories as a video recorder does- it creates a new version of our memories every time we recall them. Our memory is fragile and changeable. S.Dali (1931): Vztrajanje spominov

HVALA ZA POZORNOST IN SODELOVANJE!