Гипотеза нейронной рециркуляции
Визуально разные представления, но как мы читаем оба как «А»?

Гипотеза нейронной переработки была предложена Станисласом Дехане в области когнитивной нейронауки [1] в попытке объяснить основные нейронные процессы, которые позволяют людям приобретать недавно изобретенные когнитивные способности. [2] Эта гипотеза была сформулирована в ответ на «парадокс чтения» [2] , который утверждает, что эти когнитивные процессы являются культурными изобретениями, слишком современными, чтобы быть продуктами эволюции . Парадокс заключается в том, что кросс-культурные данные свидетельствуют о том, что определенные области мозга связаны с этими функциями. [1] Концепция нейронной переработки разрешает этот парадокс, предполагая, что новые функции на самом деле используют и «перерабатывают» существующие мозговые схемы. Как только эти когнитивные функции находят кортикальную область, посвященную аналогичной цели, они могут вторгнуться в существующую схему. Благодаря пластичности (постоянной характеристике кортикальной структуры мозга изменяться и реорганизовываться посредством обучения) [3] кора может адаптироваться, чтобы приспособиться к этим новым функциям. [2]

История

До недавнего времени социологи не считали, что биология мозга имеет отношение к их области, и поэтому никогда не пытались исследовать биологические механизмы таких культурных приобретений, как чтение и арифметика. [4] Многие ранние социологи придерживались взглядов tabula rasa (чистый лист), которые представляли собой представление о том, что люди рождаются без какого-либо ментального содержания, и что организация и функционирование мозга происходят исключительно из жизненного опыта. [5] Стандартная модель социальной науки рассматривает мозг просто как большую общую структуру, функции которой постепенно развивались под воздействием культуры. [4] Сегодня многие ученые продолжают рассматривать мозг как черный ящик , в котором можно измерить только его входы и выходы, но их внутренние механизмы никогда не будут известны. [6]

Одно из первых открытий, имеющих отношение к этой гипотезе, было сделано французским неврологом Жозефом Жюлем Дежерином . Он обнаружил, что инсульт, поражающий небольшую область левой зрительной системы мозга, оставляет у пациентов выборочные нарушения чтения. «Вербальная слепота», потеря визуального распознавания только букв и слов, была первым диагнозом, который он поставил пациенту, и одновременно первым выводом относительно корковой основы чтения в мозге. Пациент Дежерина все еще мог распознавать цифры, что еще больше подразумевало существование отдельных областей мозга, отвечающих за распознавание букв и слов. При дальнейшем исследовании французский невролог обнаружил поражения, затрагивающие заднюю часть левого полушария, около веретенообразных долек у своего пациента. В настоящее время многие пациенты испытывают те же симптомы вербальной слепоты, но термин был изменен на чистую алексию . Теперь известно, что это является результатом поражения затылочно-височной борозды . [4]

Соответствующей этой гипотезе теорией является концепция экзаптаций из эволюционной теории , которая утверждает, что несколько эволюционировавших характеристик были изначально отобраны для других функций, но позже адаптированы к их текущей роли. По сути, эволюционное давление действовало на существующие механизмы, чтобы приспособить новые функции, которые могут быть более культурно значимыми. [7]

Гипотеза нейронной рециркуляции Дехана

Нейронная рециркуляция — это идея о том, что новые культурные когнитивные процессы вторгаются в корковые области, изначально предназначенные для разных, но схожих функций. [4] Эта корковая архитектура представляет предубеждения до обучения, но посредством нейронной рециркуляции могут быть приобретены новые функции, если они находят подходящую корковую область в мозге для ее размещения. [2] Эта область относится к «нейронной нише» когнитивной функции, что аналогично биологической концепции экологической ниши . [2] Новая культурная функция должна найти корковую область, чья предшествующая функция похожа и достаточно пластична, чтобы ее разместить. [2]

Концепция нейронной переработки похожа на экзаптации в эволюционной теории, которая утверждает, что несколько эволюционировавших функций являются просто побочными продуктами древнего биологического механизма. [1] Однако этот процесс представляет собой повторное использование биологических механизмов, которое происходит в результате пластичности мозга, а не эволюционного давления на популяцию. [1] Нейронная переработка производит изменения в течение нескольких недель или лет, которые не требуют изменения генома, как это делают эволюционные экзаптации. [2]

Гипотеза нейронной рециркуляции основана на следующих предположениях: [2]

  • Организация человеческого мозга подвержена анатомическим ограничениям, наложенным эволюцией, и поэтому не является бесконечно пластичной . Нейронные карты присутствуют в младенчестве, что искажает последующее обучение.
  • Такие культурные инструменты, как чтение и письмо, не присутствуют в мозге при рождении, а должны найти нейронную нишу в мозге, схема которой настроена на выполнение аналогичной функции и достаточно пластична, чтобы переориентироваться в соответствии с этим новым использованием.
  • Первоначальная организация коры головного мозга никогда не стирается полностью, как только эти культурные инструменты вторгаются в корковые области. Вместо этого эти начальные нейронные ограничения оказывают мощное влияние на то, что может быть изучено.

Основываясь на этих предположениях, эта гипотеза предсказывает следующее: [2]

  • Каждый культурный инструмент должен быть связан с определенными областями коры головного мозга, одинаковыми для всех людей и культур.
  • Культурная изменчивость в отношении приобретенных когнитивных процессов должна быть ограничена из-за нейронных ограничений.
  • Скорость и простота приобретения культурных ценностей должны быть предсказуемы в зависимости от объема и сложности необходимой переработки.

Чтение

Чтение стало частью человеческой культуры всего лишь около 5400 лет назад, и поэтому многие приходят к выводу [2] [8] , что оно слишком современно, чтобы быть результатом эволюции. Гипотеза нейронной переработки предполагает, что визуальное распознавание слов является результатом переработки корковых структур, первоначальные функции которых заключались в распознавании объектов . Визуальная область формы слова расположена рядом с рядом корковых областей, активируемых изображениями объектов, что предполагает, что ранее она была предвзята, чтобы играть роль в распознавании объектов. Кроме того, переработанные структуры приобретают новые функции, такие как способность распознавать буквы независимо от их размера, формы или регистра. [8]

Как было заявлено в гипотезе нейронной рециркуляции, мозговые цепи предопределяют то, что мы способны выучить. Одно выявленное предубеждение касается предпочтения центральных и периферических изображений в разных точках вдоль коры головного мозга. Было замечено, что у всех людей область визуальной формы слова попадала в область коры с огромным предпочтением мелкозернистых центральных изображений. Эта область наиболее подходит для размещения способности к чтению из-за высокой степени визуальной точности, необходимой для эффективного выполнения этой функции. Другое корковое предубеждение, относящееся к чтению, происходит из-за латерализации полушарий головного мозга . Чтение последовательно активирует левое полушарие, которое связано с языковыми способностями [9] и различением мелких форм, показывая явный предубеждение в пользу функций чтения. Существует преадаптация нижней височной коры, которую мы используем при обучении чтению. Это область, активируемая во время инвариантного распознавания объектов, и ее достаточная пластичность позволяет ей приспосабливаться к новым формам и символам, необходимым для чтения. [4]

Синаптическая пластичность у детей намного выше, [4] что объясняет, почему они легче усваивают язык, чем взрослые. [6] Знакомство детей с чтением приводит к масштабной переориентации человеческого познания в нижней височной коре. [4] По мере того, как дети повышают свой уровень чтения, затылочно-височная борозда должна укрепляться, в конечном итоге также специализируясь на письме. [4]

Область визуальной формы слова

Затылочно-височная борозда

Визуальная область формы слова (VWFA) расположена в левой боковой затылочно-височной борозде. [10] Эта область перекрывается с частью вентральной зрительной коры , которая обнаруживает наличие соединений линий, и, таким образом, считается, что она предоставила VWFA свою нейронную нишу. [10] Бидерман (1987) обнаружил, что вершины линий более важны для распознавания объектов, чем сегменты линий. [11] В кросс-культурном отношении буквы/символы, используемые в письменной речи, все состоят из небольшого количества линий, которые встречаются в вершинах. [8] Это говорит о том, что церебральные ограничения повлияли на развитие систем письма и что существуют пределы того, какие культурные изобретения мы можем вместить. Кроме того, компьютерное моделирование показало, что восприятие букв в глубоких нейронных сетях облегчается путем переработки низкоуровневых визуальных признаков, изученных из естественных изображений, [12] тем самым подтверждая гипотезу о том, что структура форм букв была культурно выбрана для соответствия структуре естественной среды обитания человека.

Было получено большое количество доказательств, подтверждающих существование области визуальной формы слова. Эта область активируется только для чтения визуальных слов, в отличие от их произношения или слушания. Повреждения в этом месте приводят к чистой алексии , дефициту распознавания слов, в то время как другие языковые способности остаются нетронутыми. [2] Область визуальной формы слова активируется при чтении реальных слов и псевдослов больше, чем случайных согласных строк, что предполагает, что она адаптировалась для включения орфографических закономерностей в язык. [1] Она также последовательно представляет визуальные слова независимо от нерелевантных вариаций, от того, на какой стороне визуального поля они представлены, или являются ли они заглавными или строчными. [2]

Арифметика

Изобретение арабских цифр произошло даже позже, чем чтение и письмо, и, таким образом, подвергается тому же процессу переработки. [1] Исследования визуализации показывают, что ментальная арифметика связана с левой и правой теменной долей . [13] Активация этой области прямо пропорциональна степени сложности данного расчета. Во время визуализации небольшая область внутри интрапариетальной борозды активируется только во время расчетных задач, когда также даются зрительно-пространственные, языковые и расчетные задачи. Эта же область активируется, когда субъекты должны обнаруживать цифры только в потоке различных стимулов, что указывает на то, что для ее активации не нужен процесс расчетов, а необходимо только распознавание цифр. Повреждения интрапариетальной борозды приводят к серьезным нарушениям расчета без нарушений в связанных процессах, таких как навыки рассуждения. [2]

Критика

Основная критика, направленная на гипотезу нейронной переработки, касается существования визуальной области формы слова. Ученые обнаружили, что левая затылочно-височная борозда активируется при чтении слов с помощью серии исследований визуализации, и что повреждения этой области ухудшают чтение слов. [1]

Критически настроенные ученые утверждают, что у пациентов с чистой алексией обычно наблюдаются обширные поражения левой затылочной доли, включающие поврежденные области, окружающие область визуальной формы слова. Поэтому невозможно сделать вывод, что возникающие нарушения являются симптомами, вызванными поражением этой конкретной области. Предлагаемым альтернативным объяснением этого явления является синдром отключения , при котором поражение затылочно-височной доли отключает область визуальной обработки от языковой обработки. Однако тот факт, что у этих пациентов наблюдаются нарушения в других формах распознавания объектов, опровергает эту теорию. [14]

Используя исследования изображений, ученые обнаружили, что визуальная область формы слова играет четкую роль в чтении. Однако они также обнаружили, что эта же область активна во время нескольких других форм распознавания объектов и задач на называние. Кроме того, активация этой области также наблюдалась, когда испытуемых просили подумать о значении произнесенных слов, услышать определения объектов и принять осмысленные решения относительно них или когда они представляли себе объект. Более того, эта же область активируется, когда слепые испытуемые читают с помощью тактильной стимуляции, что подразумевает, что визуальная область формы слова обрабатывает не только визуальные стимулы. [14]

В ответ на эту критику Коэн и Дехейн предположили, что существует функциональная специализация в области визуальной формы слова для чтения, которая воспроизводится у разных субъектов и культур. [15] Они не считают, что существует особая избирательность для распознавания слов, поскольку она активируется другими стимулами, [15] такими как вышеупомянутые задачи распознавания и называния объектов. [14] Однако это можно объяснить тем фактом, что эта область коры была повторно использована для того, чтобы приспособиться к функциям чтения, и, таким образом, она не может быть активирована в других, похожих задачах. [15]

Коэн и Дехан предлагают два возможных направления для изучения области визуальной формы слова и приходят к выводу: [15]

Пространственная локализация
Используя визуализацию с высоким пространственным разрешением, сосредоточьтесь на изучении степени воспроизводимой локализации в VWFA. Это определит, являются ли небольшие области в этом месте специализированными для распознавания слов, поскольку исследования показывают, что вся область не является специализированной.
Функциональная специализация
Для изучения этого можно использовать более грубые методы визуализации. Они заключаются в изучении функциональной специализации процессов чтения в области визуальной формы слова, чтобы увидеть, являются ли какие-либо процессы, связанные с чтением, специфичными для этой области.
ВведениеСравнение с гипотезой нейронной рециркуляции
Модель общих схем Сьюзан ХерлиЭта модель предполагает, что восприятие и действие разделяют одну общую цепь, в отличие от часто встречающегося мнения, что когнитивные функции обрабатываются вертикально. Эта модель рассматривает разум как организованный в "...горизонтально модульную архитектуру", [16] и объясняет, что восприятие и действие динамически взаимодействуют в одном общем пространстве.Как и гипотеза нейронной переработки, эта модель противоречит стандартному взгляду социальных наук на то, что разум состоит из крупномасштабных процессоров, предназначенных для широких областей функций. Она также рассматривает разум как модульный, и что восприятие и действие разделяют уже существующее информационное пространство. Высшие функции строятся на этом пространстве, по сути повторно используя и добавляя к уже существующей архитектуре. [16]
Гипотеза массовой передислокации Майкл АндерсонЭта гипотеза предполагает, что эволюция благоприятствует повторному использованию мозгом существующих схем для новых задач, а не разработке совершенно новых схем. Он предсказывает, что более поздние когнитивные функции будут активировать более широко разбросанные области мозга.Разница между этой гипотезой и гипотезой нейронной переработки может быть определена по их названиям. Массовое перераспределение фокусируется на повторном использовании существующих компонентов и предполагает, что низкоуровневые схемы объединяются для создания более сложных когнитивных функций. [17] Напротив, нейронная переработка предполагает, что новые функции повторно используют схемы, фактически вторгаясь в существующие корковые области и используя пластичность мозга как механизм для облегчения этих корковых изменений. [18]

Будущие исследования

Новые исследования адаптировали эту гипотезу для объяснения кросс-модальной пластичности , которая, по-видимому, возникает у слепых людей. Это тот факт, что другие чувства у слепых людей, по-видимому, усиливаются в результате потери зрения. Поскольку слепые пациенты не подвергаются воздействию новой функции визуального чтения, область коры, обычно предназначенная для этой функции, будет использоваться для другой функции. Например, ученые обнаружили, что нейронные сети, предназначенные для обнаружения движущихся звуков у слепых людей, по-видимому, рекрутируются областью зрительной коры, отвечающей за визуальное движение у зрячих. Это подтверждает теорию о том, что новые функции должны найти нейронную нишу с существующими областями коры, способными поддерживать функцию. [19] Эта идея также может быть применена для объяснения кросс-модальной способности у глухих пациентов и других кросс-модальных явлений, таких как синетезия и эффект Мак-Гурка .

Эта гипотеза обеспечивает понимание нейронных процессов, необходимых для приобретения новых функций. При наличии этой структуры будущие исследования могут расширить эти идеи для изучения влияния образования на эти конкретные области мозга или того, как ограниченное воздействие чтения и арифметики в раннем возрасте влияет на них. Знание того, как работает пластичность мозга в отношении таких фундаментальных навыков, как чтение, письмо и арифметика, имеет четкое применение в методах образования.

Ссылки

  1. ^ abcdefg Деэн, С.; Коэн, Л. (2007). «Культурная переработка корковых карт». Нейрон . 56 (2): 384–398 . doi : 10.1016/j.neuron.2007.10.004 . PMID  17964253. S2CID  11364814.
  2. ^ abcdefghijklm Дехаен, С. (2005). От мозга обезьяны к мозгу человека: симпозиум фонда Фиссена. Кембридж, Массачусетс: Издательство MIT.
  3. ^ Паскуаль-Леоне, А.; Амеди, А.; Фрегни, Ф.; Мерабет, Л.Б. (2005). «Пластичная кора человеческого мозга». Annual Review of Neuroscience . 28 (1): 377– 401. doi :10.1146/annurev.neuro.27.070203.144216. PMID  16022601.
  4. ^ abcdefgh Дехаен, С. (2009). Чтение в мозгу: наука и эволюция человеческого изобретения. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Penguin Group
  5. ^ Пинкер, С. (2002). Чистый лист: Современное отрицание человеческой природы. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Penguin Group
  6. ^ ab Friedenberg, J. & Silverman, G. (2012). Когнитивная наука: Введение в изучение разума. Thousand Oaks, CA: Sage Publications
  7. ^ Gould, SJ; Vrba, ES (1982). «Экзаптация — недостающий термин в науке о форме». Paleobiology . 8 (1): 4– 15. doi :10.1017/S0094837300004310. S2CID  86436132.
  8. ^ abc Szwed, M.; Cohen, L.; Qiao, E.; Dehaene, S. (2009). «Роль инвариантных линейных соединений в распознавании объектов и визуальных слов». Vision Research . 49 (7): 718– 725. doi : 10.1016/j.visres.2009.01.003 . PMID  19200808. S2CID  10678616.
  9. ^ Пассер, М. В., Смит, Р. Э., Аткинсон, М. Л., Митчелл, Дж. Б. и Мьюир, Д. В. (2008). Психология: Границы и применение, 3-е канадское издание. Торонто, Онтарио: McGraw-Hill Ryerson Limited
  10. ^ ab Dehaene, S.; Cohen, L. (2011). «Уникальная роль области визуальной формы слова при чтении». Trends in Cognitive Sciences . 15 (6): 254– 262. doi :10.1016/j.tics.2011.04.003. PMID  21592844. S2CID  14043432.
  11. ^ Бидерман, И (апрель 1987 г.). «Распознавание по компонентам: теория понимания человеческого образа». Psychol. Rev. 94 ( 2): 115– 47. doi :10.1037/0033-295x.94.2.115. PMID  3575582. S2CID  8054340.
  12. ^ Тестолин, Альберто; Стоянов, Ивилин; Зорзи, Марко (сентябрь 2017 г.). «Восприятие букв возникает из неконтролируемого глубокого обучения и переработки естественных особенностей изображения». Nature Human Behaviour . 1 (9): 657– 664. doi :10.1038/s41562-017-0186-2. ISSN  2397-3374. PMID  31024135. S2CID  24504018.
  13. ^ Дехане, С.; Пьяцца, М.; Пинель, П.; Коэн, Л. (2003). «Три теменных контура для обработки чисел». Когнитивная нейропсихология . 20 ( 3–6 ): 487–506 . doi :10.1080/02643290244000239. PMID  20957581. S2CID  13458123.
  14. ^ abc Price, CJ; Devlin, JT (2002). «Миф о визуальной области формы слова». NeuroImage . 19 (3): 473– 481. doi :10.1016/S1053-8119(03)00084-3. PMID  12880781. S2CID  17614709.
  15. ^ abcd Коэн, Л.; Дехаен, С. (2004). «Специализация в вентральном потоке: случай для области визуальной формы слова». NeuroImage . 22 (10): 466– 476. doi :10.1016/j.neuroimage.2003.12.049. PMID  15110040. S2CID  10459157.
  16. ^ ab Hurley, S (2007). «Модель общих цепей: как управление, зеркалирование и моделирование могут обеспечить имитацию, обдумывание и чтение мыслей» (PDF) . Поведенческие и мозговые науки . 31 (1): 1– 22. doi :10.1017/S0140525X07003123. PMID  18394222.
  17. ^ Андерсон, МЛ (2010). «Повторное использование нейронов: фундаментальный организационный принцип мозга». Поведенческие и мозговые науки . 33 (4): 245–313 . doi :10.1017/S0140525X10000853. PMID  20964882. S2CID  15670859.
  18. ^ Дехане, С.; Коэн, Л.; Сигман, М.; Винкиер, Ф. (2005). «Нейронный код для написанных слов: предложение». Тенденции в когнитивных науках . 9 (7): 335– 341. doi :10.1016/j.tics.2005.05.004. PMID  15951224. S2CID  17737103.
  19. ^ Collignon, O.; Voss, P.; Lassonde, M.; Lepore, F. (2009). «Кросс-модальная пластичность для пространственной обработки звуков у лиц с нарушением зрения». Experimental Brain Research . 192 (3): 343–358 . doi :10.1007/s00221-008-1553-z. PMID  18762928. S2CID  18256771.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Гипотеза_нейронной_переработки&oldid=1187484251"