Neuronální recyklační hypotéza - Neuronal recycling hypothesis - Wikipedia

Vizuálně odlišná reprezentace, ale jak čteme obě jako „A“?

The hypotéza recyklace neuronů byl navržen uživatelem Stanislas Dehaene v oblasti kognitivní neurovědy[1] ve snaze vysvětlit základní neurální procesy, které lidem umožňují získat nedávno vynalezené kognitivní schopnosti.[2] Tato hypotéza byla formulována v reakci na „paradox čtení“,[2] což uvádí, že tyto kognitivní procesy jsou kulturní vynálezy příliš moderní na to, aby byly produkty vývoj. Paradox spočívá ve skutečnosti, že mezikulturní důkazy naznačují, že s těmito funkcemi jsou spojeny specifické oblasti mozku.[1] Koncept neuronové recyklace tento paradox řeší tím, že naznačuje, že nové funkce skutečně využívají a „recyklují“ stávající mozkové obvody. Jakmile tyto kognitivní funkce najdou a kortikální oblast věnovaný podobnému účelu, mohou napadnout stávající okruh. Přes plasticita (pokračující charakteristika mozkové kortikální struktury, která se mění a reorganizuje učením),[3] kůra se může přizpůsobit, aby se přizpůsobila těmto novým funkcím.[2]

Dějiny

Až donedávna sociální vědci nevěřil, že biologie mozku je relevantní pro jejich obor, a tak se nikdy nepokusil prozkoumat biologické mechanismy takových kulturních akvizic, jako je čtení a aritmetika.[4] Mnoho raných sociálních vědců drželo tabula rasa (prázdná břidlice), což byla představa, že se jednotlivci rodí bez duševního obsahu a že organizace a funkce mozku vychází výhradně ze životních zkušeností.[5] The standardní model společenských věd pohlíží na mozek jednoduše jako na velkou doménovou obecnou strukturu, jejíž funkce se postupně vyvíjely prostřednictvím kulturního vstupu.[4] Dnes mnoho vědců nadále považuje mozek za Černá skříňka, kde lze měřit pouze jeho vstupy a výstupy, ale jejich vnitřní mechanismy nebudou nikdy známy.[6]

Jeden z prvních objevů souvisejících s touto hypotézou přišel od francouzského neurologa, Joseph Jules Dejerine. Zjistil, že a mrtvice ovlivňující malou oblast levé mozkové oblasti vizuální systém ponechali pacienty se selektivními poruchami čtení. „Verbální slepota“, ztráta vizuálního rozpoznávání pouze písmen a slov, byla první diagnóza, kterou pacient udělal, a zároveň první závěr týkající se kortikálního základu čtení v mozku. Dejerinův pacient byl stále schopen rozpoznat čísla, což dále naznačovalo existenci samostatných oblastí mozku, které byly odpovědné za rozpoznávání písmen a slov. Po další studii nalezl francouzský neurolog léze postihující zadní část levé hemisféry poblíž fusiformní lalůčky u jeho pacienta. V současné době mnoho pacientů zažilo stejné příznaky verbální slepoty, ale termín byl změněn na čistá alexie. Nyní je známo, že je výsledkem lézí okcipitotemporální sulcus.[4]

Relevantní teorií pro tuto hypotézu je koncept exaptations z evoluční teorie, který uvádí, že několik vyvinutých charakteristik bylo původně vybráno pro jiné funkce, ale později se přizpůsobilo jejich současné roli. Evoluční tlaky v podstatě působily na stávající mechanismy, aby vyhověly novým funkcím, které mohou být kulturně relevantnější.[7]

Dehaeneova hypotéza recyklace neuronů

Neuronální recyklace je myšlenka, že napadají nové kulturní kognitivní procesy kortikální oblasti původně věnovaný různým, ale podobným funkcím.[4] Tato kortikální architektura představuje předsudky před učením, ale prostřednictvím neuronové recyklace lze získat nové funkce, pokud najdou v mozku vhodnou kortikální oblast, která se jí přizpůsobí.[2] Tato oblast je označována jako „neuronální výklenek“ kognitivní funkce, který je analogický s biologickým konceptem ekologický výklenek.[2] Nová kulturní funkce musí najít kortikální oblast, jejíž předchozí funkce je podobná a dostatečně plastická, aby se do ní vešla.[2]

Koncept recyklace neuronů je podobný exaptations v evoluční teorii, která uvádí, že několik vyvinutých funkcí je jednoduše vedlejším produktem starodávného biologického mechanismu.[1] Tento proces je však opětovným použitím biologických mechanismů, ke kterým dochází v důsledku plasticity mozku, spíše než evolučními tlaky na populaci.[1] Neuronální recyklace produkuje změny během několika týdnů až let, které nevyžadují změnu v genomu, jako to dělají evoluční výňatky.[2]

Hypotéza recyklace neuronů se opírá o následující předpoklady:[2]

  • Organizace lidského mozku podléhá anatomickým omezením z evoluce, a tedy není nekonečně plastický. Neuronové mapy jsou přítomny v kojeneckém věku, což ovlivňuje následné učení.
  • Kulturní nástroje, jako je čtení a psaní, nejsou v mozku přítomny při narození, ale musí najít neuronální mezeru v mozku, jejíž obvod je nastaven tak, aby vykonával podobnou funkci, a je dostatečně plastický, aby se mohl přeorientovat natolik, aby vyhověl tomuto novému použití.
  • Původní organizace mozková kůra jakmile tyto kulturní nástroje napadnou kortikální oblasti, nejsou nikdy zcela vymazány. Místo toho tato počáteční nervová omezení mají silný vliv na to, co se lze naučit.

Na základě těchto předpokladů tato hypotéza předpovídá následující:[2]

  • Každý kulturní nástroj by měl být spojen se specifickými kortikálními oblastmi, konzistentními napříč jednotlivci a kulturami.
  • Kulturní variabilita týkající se získaných kognitivních procesů by měla být omezena kvůli nervovým omezením.
  • Rychlost a snadnost kulturních akvizic by měla být předvídatelná na základě množství a složitosti požadované recyklace.

Čtení

Čtení je součástí lidské kultury pouze přibližně 5400 let, a proto mnoho lidí uzavírá[2][8] že je příliš moderní na to, aby bylo výsledkem evoluce. Hypotéza recyklace neuronů navrhuje, že vizuální rozpoznávání slov je výsledkem recyklace kortikálních struktur, jejichž počáteční funkce byly pro rozpoznávání objektů. Oblast vizuálního slovního tvaru je umístěna vedle řady kortikálních oblastí aktivovaných obrazy objektů, což naznačuje, že bylo dříve zaujato hrát roli v rozpoznávání objektů. Recyklované struktury také získávají nové funkce, jako je schopnost rozpoznávat písmena bez ohledu na jejich velikost, tvar nebo velikost písmen.[8]

Jak bylo uvedeno v hypotéze o recyklaci neuronů, mozkové okruhy zkreslují to, co jsme schopni se naučit. Jedno zjištěné zkreslení zahrnuje preference centrálních versus periferních obrazů v různých bodech mozkové kůry. Bylo pozorováno, že u všech jedinců oblast vizuálního slovního tvaru padla na oblast mozkové kůry s velkou preferencí jemně zrnitých centrálních obrazů. Tato oblast je nejvhodnější pro přizpůsobení schopnosti čtení, kvůli vysoké míře vizuální přesnosti nezbytné k efektivnímu provádění této funkce. Další kortikální zkreslení související se čtením pochází z lateralizace mozkových hemisfér. Čtení důsledně aktivuje levou hemisféru, která je spojena s jazykovými schopnostmi[9] a rozlišování mezi malými tvary, což ukazuje jasnou tendenci k čtecím funkcím. Existuje předběžná adaptace spodní spánkové kůry, kterou používáme, když se učíme číst. Jedná se o oblast aktivovanou během rozpoznávání invariantních objektů a její dostatečná plasticita umožňuje přizpůsobit nové tvary a symboly potřebné pro čtení.[4]

Synaptická plasticita je mnohem větší u dětí,[4] vysvětluje, proč získávají jazyk snadněji než dospělí.[6] Vystavení dětí čtení vede k masivnímu přeorientování lidského poznání v dolní spánkové kůře.[4] Jak děti zvyšují své čtenářské znalosti, měl by se posílit occipitotemporální sulcus, který by se nakonec měl také specializovat na psaní.[4]

Vizuální oblast formy slova

Occipotemporální sulcus

Oblast vizuální slovní formy (VWFA) se nachází v levém laterálním okcipitotemporálním sulku.[10] Tato oblast se překrývá s částí ventrální zraková kůra který detekuje přítomnost liniových spojů, a proto se předpokládá, že poskytl VWFA svůj neuronální výklenek.[10] Biederman (1987) zjistil, že liniové vrcholy jsou pro rozpoznávání objektů podstatnější než liniové segmenty.[11] Mezikulturně jsou písmena / symboly používané v psaném jazyce tvořeny malým počtem řádků, které se setkávají na vrcholech.[8] To naznačuje, že mozková omezení ovlivnila vývoj psacích systémů a že existují limity toho, jaké kulturní vynálezy můžeme přizpůsobit. Počítačové simulace navíc ukázaly, že vnímání písmen v hlubokých neuronových sítích usnadňuje recyklace nízkoúrovňových vizuálních prvků získaných z přírodních obrazů,[12] čímž podporuje hypotézu, že struktura tvarů písmen byla kulturně vybrána tak, aby odpovídala struktuře přirozeného prostředí člověka.

Existovalo velké množství důkazů podporujících existenci oblasti vizuální slovní formy. Tato oblast je aktivována pouze pro čtení vizuálních slov, na rozdíl od jejich mluvení nebo slyšení. Léze v tomto místě vedou k čistá alexie, nedostatek rozpoznávání slov, zatímco ostatní jazykové schopnosti zůstávají nedotčené.[2] Oblast vizuální podoby slov se aktivuje čtením skutečných slov a pseudoslovy spíše než řetězce náhodných souhlásek, což naznačuje, že se přizpůsobilo začlenění pravopisných pravidel do jazyka.[1] Rovněž důsledně představuje vizuální slova bez ohledu na irelevantní variace, na které straně vizuálního pole jsou prezentována, nebo zda jsou velká nebo malá.[2]

Aritmetický

Vynález Arabské číslice je ještě novější než čtení a psaní, a proto podléhá stejnému procesu recyklace.[1] Zobrazovací studie ukazují, že mentální aritmetika je spojena s levou a pravou stranou temenní lalok.[13] Aktivace této oblasti je přímo úměrná stupni obtížnosti v daném výpočtu. Během zobrazování je malá oblast uvnitř intraparietálního sulku aktivována pouze během výpočtových úkolů, když jsou také uvedeny vizuální, prostorové a výpočtové úlohy. Stejná oblast se aktivuje, když subjekty musí detekovat číslice pouze v proudu různých podnětů, což naznačuje, že pro její aktivaci není nutný proces výpočtů, ale pouze rozpoznávání číslic. Léze intraparietálního sulku mají za následek vážné narušení výpočtu, aniž by došlo k narušení souvisejících procesů, jako jsou schopnosti uvažování.[2]

Kritiky

Hlavní kritika zaměřená na hypotézu recyklace neuronů se týká existence vizuální oblasti slovní formy. Vědci zjistili, že levý occipitotemporální sulcus byl aktivován při čtení slov prostřednictvím řady zobrazovacích studií a že léze v této oblasti zhoršily čtení slov.[1]

Kritičtí vědci tvrdí, že pacienti s čistou alexií mají obvykle rozsáhlé levé týlní léze, které zahrnují poškozené oblasti obklopující oblast vizuální formy slova. Není proto možné usoudit, že výslednými poruchami jsou příznaky způsobené lézí této konkrétní oblasti. Navrhované alternativní vysvětlení tohoto jevu je syndrom odpojení, přičemž occipitotemporální léze odpojuje oblast vizuálního zpracování od zpracování jazyka. Skutečnost, že tito pacienti vykazují poruchy v jiných formách rozpoznávání objektů, však tuto teorii vyvrací.[14]

Pomocí zobrazovacích studií vědci zjistili, že oblast vizuálního slovního tvaru hrála při čtení jasnou roli. Rovněž však našli stejnou oblast jako aktivní během několika dalších forem úkolů rozpoznávání a pojmenování objektů. Kromě toho byla aktivace této oblasti také pozorována, když subjekty byly požádány, aby přemýšlely o významu mluvených slov, slyšely definice objektů a činily o nich smysluplné rozhodnutí, nebo když si objekt představí. Kromě toho se stejná oblast aktivuje, když nevidomí čtou hmatovou stimulací, což znamená, že oblast vizuálního slovního tvaru zpracovává více než jen vizuální podněty.[14]

V reakci na tyto kritiky navrhli Cohen & Deheane, že existuje funkční specializace v oblasti vizuální slovní formy pro čtení, která je reprodukovatelná napříč předměty a kulturami.[15] Nevěří, že existuje specifická selektivita pro rozpoznávání slov, protože je aktivována jinými podněty,[15] jako jsou výše uvedené úlohy rozpoznávání a pojmenování objektů.[14] To však lze vysvětlit skutečností, že tato kortikální oblast byla recyklována, aby vyhovovala čtecím funkcím, a proto je nepravděpodobné, že bude aktivována v jiných, podobných úkolech.[15]

Cohen a Dehaene navrhují dva možné směry, jak studovat oblast vizuální slovní formy a dospět k závěru:[15]

Prostorová lokalizace
Pomocí zobrazování s vysokým prostorovým rozlišením se zaměřte na zkoumání míry reprodukovatelné lokalizace ve VWFA. To určí, zda jsou malé oblasti v tomto místě specializované na rozpoznávání slov, protože studie ukazují, že celá oblast není.
Funkční specializace
K tomu lze použít hrubší zobrazovací metody. Skládá se z prozkoumání funkční specializace procesů čtení v oblasti vizuálního slovního formuláře, aby se zjistilo, zda jsou nějaké procesy spojené se čtením specifické pro tuto oblast.

Související teorie

Model sdílených obvodůHypotéza masivního přesunu
AutorSusan HurleyMichael Anderson
ÚvodTento model naznačuje, že vnímání a akce sdílejí jeden společný obvod, na rozdíl od často zastávaného názoru, že kognitivní funkce se zpracovávají svisle. Tento model považuje mysl za organizovanou v „... horizontálně modulární architektuře“,[16] a vysvětluje, že vnímání a akce dynamicky interagují v jednom sdíleném prostoru.Tato hypotéza navrhuje, aby evoluce upřednostňovala mozek opětovné použití stávajících obvodů pro nové úkoly, na rozdíl od vývoje zcela nových obvodů. Předpovídá, že novější kognitivní funkce aktivují více rozptýlené oblasti mozku.
Srovnání s hypotézou o recyklaci neuronůStejně jako hypotéza recyklace neuronů i tento model odporuje standardnímu společenskovědnímu názoru, že mysl je tvořena velkými procesory věnovanými širokým oblastem funkce. Rovněž vnímá mysl jako modulární a toto vnímání a jednání sdílejí již existující informační prostor. Na tomto prostoru jsou postaveny vyšší funkce, které jsou v zásadě opětovně použity a přidány k již existující architektuře.[16]Rozdíl mezi touto hypotézou a hypotézou recyklace neuronů lze identifikovat podle jejich jmen. Masivní přesun se zaměřuje na opětovné použití stávajících komponent a navrhuje, aby se nízkoúrovňové obvody kombinovaly a vytvářely složitější kognitivní funkce.[17] Naproti tomu recyklace neuronů naznačuje, že nové funkce znovu používají obvody tím, že skutečně napadají stávající kortikální oblasti a využívají plasticitu mozku jako mechanismus k usnadnění těchto kortikálních změn.[18]

Budoucí výzkum

Nové studie tuto hypotézu přizpůsobily k vysvětlení křížová modální plasticita což se zdá nastat u nevidomých lidí. To je skutečnost, že ostatní smysly u nevidomých se zdají být zvýšeny v důsledku ztráty zraku. Protože nevidomí pacienti nejsou vystaveni nové funkci vizuálního čtení, bude kortikální oblast normálně věnovaná této funkci použita pro jinou funkci. Vědci například zjistili, že neuronové sítě určené k detekci pohyblivých zvuků u nevidomých se zdají být získávány oblastí zrakové kůry odpovědnou za vizuální pohyb zrakově postižených. To podporuje teorii, že nové funkce musí najít neuronální mezeru se stávajícími kortikálními oblastmi schopnými podporovat tuto funkci.[19] Tuto myšlenku lze také použít k vysvětlení křížové modality u neslyšících pacientů a dalších křížových modálních jevů, jako je synethesia a McGurkův efekt.

Tato hypotéza poskytuje porozumění nervovým procesům nezbytným pro získání nových funkcí. Po zavedení tohoto rámce může budoucí výzkum rozšířit tyto myšlenky o studium účinků vzdělávání na tyto konkrétní oblasti mozku nebo o tom, jak je omezená expozice čtení a aritmetice v raném věku ovlivňuje. Znalosti o tom, jak plasticita mozku funguje, pokud jde o takové základní dovednosti, jako je čtení, psaní a aritmetika, mají jasnou aplikaci ve vzdělávacích technikách.

Reference

  1. ^ A b C d E F G Dehaene, S .; Cohen, L. (2007). "Kulturní recyklace kortikálních map". Neuron. 56 (2): 384–398. doi:10.1016 / j.neuron.2007.10.004. PMID  17964253. S2CID  11364814.
  2. ^ A b C d E F G h i j k l m Dehaene, S. (2005). Od opičího mozku k lidskému: Sympozium nadace fyssen. Cambridge, MA: MIT Press.
  3. ^ Pascual-Leone, A .; Amedi, A .; Fregni, F .; Merabet, L. B. (2005). "Plastová kůra lidského mozku". Roční přehled neurovědy. 28 (1): 377–401. doi:10.1146 / annurev.neuro.27.070203.144216. PMID  16022601.
  4. ^ A b C d E F G h Dehaene, S. (2009). Čtení v mozku: Věda a vývoj lidského vynálezu. New York, NY: Penguin Group
  5. ^ Pinker, S. (2002). Prázdná břidlice: moderní popření lidské přirozenosti. New York, NY: Penguin Group
  6. ^ A b Friedenberg, J. & Silverman, G. (2012). Kognitivní věda: Úvod do studia mysli. Thousand Oaks, CA: Sage Publications
  7. ^ Gould, S. J .; Vrba, E. S. (1982). „Vykřičení - chybějící výraz ve vědě o formě“. Paleobiologie. 8 (1): 4–15. doi:10.1017 / S0094837300004310.
  8. ^ A b C Szwed, M .; Cohen, L .; Qiao, E .; Dehaene, S. (2009). "Role invariantních spojů řádků v rozpoznávání objektů a vizuálních slov". Vision Vision. 49 (7): 718–725. doi:10.1016 / j.visres.2009.01.003. PMID  19200808. S2CID  10678616.
  9. ^ Passer, M. W., Smith, R. E., Atkinson, M. L., Mitchell, J. B., & Muir, D. W. (2008). Psychology: Frontiers and application 3. kanadské vydání. Toronto, ON: McGraw-Hill Ryerson Limited
  10. ^ A b Dehaene, S .; Cohen, L. (2011). Msgstr "Jedinečná role oblasti vizuálního slovního tvaru při čtení". Trendy v kognitivních vědách. 15 (6): 254–262. doi:10.1016 / j.tics.2011.04.003. PMID  21592844. S2CID  14043432.
  11. ^ Biederman, I (duben 1987). „Recognition-by-components: The theory of human image understand“. Psychol Rev. 94 (2): 115–47. doi:10.1037 / 0033-295x.94.2.115. PMID  3575582.
  12. ^ Testolin, Alberto; Stoianov, Ivilin; Zorzi, Marco (září 2017). „Vnímání dopisů vychází z hlubokého učení a recyklace přirozených obrazových prvků bez dozoru“. Příroda lidské chování. 1 (9): 657–664. doi:10.1038 / s41562-017-0186-2. ISSN  2397-3374. PMID  31024135. S2CID  24504018.
  13. ^ Dehaene, S .; Piazza, M .; Pinel, P .; Cohen, L. (2003). "Tři temenní obvody pro zpracování čísel". Kognitivní neuropsychologie. 20 (3–6): 487–506. doi:10.1080/02643290244000239. PMID  20957581. S2CID  13458123.
  14. ^ A b C Price, C. J .; Devlin, J. T. (2002). Msgstr "Mýtus oblasti vizuální formy slov". NeuroImage. 19 (3): 473–481. doi:10.1016 / S1053-8119 (03) 00084-3. PMID  12880781. S2CID  17614709.
  15. ^ A b C d Cohen, L .; Dehaene, S. (2004). "Specializace ve ventrálním proudu: případ pro oblast vizuálního slovního tvaru". NeuroImage. 22 (10): 466–476. doi:10.1016 / j.neuroimage.2003.12.049. PMID  15110040. S2CID  10459157.
  16. ^ A b Hurley, S (2007). „Model sdílených obvodů: Jak může ovládání, zrcadlení a simulace umožnit napodobování, uvažování a čtení myšlenek“ (PDF). Behaviorální a mozková věda. 31 (1): 1–22. doi:10.1017 / S0140525X07003123. PMID  18394222.
  17. ^ Anderson, M. L. (2010). „Neurální opětovné použití: základní organizační princip mozku“. Behaviorální a mozkové vědy. 33 (4): 245–313. doi:10.1017 / S0140525X10000853. PMID  20964882.
  18. ^ Dehaene, S .; Cohen, L .; Sigman, M .; Vinckier, F. (2005). "Nervový kód pro psaná slova: Návrh". Trendy v kognitivních vědách. 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). "Cross-modální plasticita pro prostorové zpracování zvuků u zrakově postižených subjektů". Experimentální výzkum mozku. 192 (3): 343–358. doi:10.1007 / s00221-008-1553-z. PMID  18762928. S2CID  18256771.