Historia studium umysłu

Rebecca Saxe chce wiedzieć, jak nasze mózgi uczą się bycia społecznym.

Mówiąc dokładniej, Saxe, profesor nadzwyczajny neuronauki kognitywnej na Wydziale Nauk o Mózgu i Kognitywizmie MIT, zbudowała swoją karierę, próbując zrozumieć, w jaki sposób dokonujemy osądów na temat myśli innych ludzi, co nazywa się Teorią Umysłu (ToM).

Nasze mózgi wykonują czynności poznawcze ToM, aby rozszyfrować, co kryje się za uśmiechem, grymasem, chwytem w czyimś głosie. Jak pisze Saxe, ToM to mechanizm, którego ludzie używają do wnioskowania i wnioskowania o stanie umysłu innej osoby. Aby śledzić ToM, musiała opanować sztukę funkcjonalnego obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (fMRI). Skanery fMRI są nieporęczne i trudne w użyciu, a ich wyniki są trudne do interpretacji. Ale Saxe stała się wirtuozem maszyny, zaczynając, gdy jako doktorantka zaczęła zmagać się z problemem, który, jak twierdzi, wciąż rozwala jej umysł.

Wyjaśnia, że ​​na wczesnym etapie rozwoju ludzkie mózgi wydają się być zbiorem neuronów bardzo podobnych do tych, które tworzą mózgi wielu innych stworzeń. Ale wtedy zyskujemy zdolności, które nie mają odpowiednika w królestwie zwierząt. W jaki sposób? Co dzieje się w dojrzewających mózgach, aby stworzyć życie umysłu, które wyróżnia nas jako istoty ludzkie?

To ogromne pytanie, dzieło życia. Jednak bliższe przyjrzenie się tylko jednemu z eksperymentów Saxe wskazuje, jak wydobyć znaczenie z pomiarów — i daje wgląd w życie zawodowe naukowca na szczycie swojej kariery.

Saxe, 33-letni Kanadyjczyk, zmaga się z mózgiem od lat 90., zaczynając od studiów licencjackich w Oksfordzie. Zaczęła koncentrować się na koncepcji ToM na studiach podyplomowych na MIT, pracując w laboratorium Nancy Kanwisher ’80, PhD ’86, gdzie zidentyfikowała systemy mózgowe, które są aktywowane, gdy ktoś myśli o czyimś stanie umysłu. Neurobiolog kognitywny Jon Simons z University of Cambridge, który specjalizuje się w badaniu pamięci, mówi, że Saxe zaprojektował przemyślane eksperymenty, które dostarczyły interesujących i wiarygodnych danych. Kuszące jest myślenie, że wielka nauka to te wielkie przełomy, mówi. [Ale] w ten sposób robi się dobrą naukę. To przeprowadzanie bardzo szczegółowych badań, które dają trwałe rezultaty.

Saxe zrobiła ważny krok w 2005 roku, kiedy zaczęła się zastanawiać, czy mogłaby badać dzieci w wieku pięciu lat, aby zobaczyć, jak system ToM rozwija się w czasie. Blokada drogowa? W tamtym czasie bardzo niewielu badaczy na świecie próbowało umieścić dzieci w aparacie fMRI, który wymaga od ludzi siedzenia nieruchomo przez 40 minut lub dłużej. Ale jednym z takich badaczy był Kevin Pelphrey, wówczas na Duke University. Saxe napisała do niego w październiku 2005 roku — jak mówi — na ślepo — z propozycją eksperymentu, który miałby przeskanować mózgi dzieci podczas przetwarzania historii skoncentrowanych na ludzkich myślach. Powiedziałam mu, że napiszę eksperyment, a skany można zrobić w Duke – wspomina. Pelphrey, którego Saxe uważa za jednego z najbardziej hojnych współpracowników, powiedział, że zejdzie, ale do lutego. Tak więc Saxe miała zaledwie kilka tygodni, aby wykorzystać swój zalążek pomysłu i przekształcić go w działający protokół.

Ja i mój chłopak siedzieliśmy przy kuchennym stole, mówi, i pisałam krótkie historie, które zawierały ludzkie myśli. Stworzyła kilkanaście narracji, dodając do nich rysunki. Badani byliby wystawiani na trzy segmenty na narrację przez 20 sekund każdy: opis fizycznego otoczenia z ręcznie rysowanym obrazkiem, aby to zilustrować; opis ludzkich charakterów; oraz segment mentalny, który oferował informacje o tym, co działo się w ich umysłach. Aby upewnić się, że na wyniki nie wpłynęłaby reakcja badanego na kolejność segmentów, każde dziecko w badaniu usłyszało te same historie, ale z segmentami ułożonymi w innej kolejności. Po wysłuchaniu każdej historii dzieciom zadano pytanie „tak lub nie”, które wymagało od nich wywnioskowania, co główny bohater może zrobić dalej. Następnie, po krótkiej przerwie, zaczynała się kolejna historia i tak dalej, aż podmiot przeszedł pełny protokół 12 oddzielnych narracji w sesjach skanowania, które trwały około 40 minut.

Kilka dni po ukończeniu eksperymentalnego projektu Saxe udała się do Duke'a. Pierwsza badana, dziewczynka w wieku około 10 lat, przybyła około południa i zespół umieścił ją w skanerze. W pomieszczeniu kontrolnym Saxe widział dwie małe stopy dziecka wystające z ust maszyny. Gdy skaner zaczął wydawać swój zwykły buczenie i klik-klik-klik, Saxe był zdenerwowany. Dobrze świadoma, że ​​każdy nowy eksperyment prowadzi do niepowodzenia na wiele sposobów, wiedziała, że ​​stoi w obliczu bardziej fundamentalnego ryzyka. Niektóre badania sugerowały, że dzieci poniżej piątego roku życia mogą już wyciągać wnioski z ToM. Była więc duża szansa, że ​​ona i jej współpracownicy w ogóle niczego nie znajdą — regiony ToM u tych dzieciaków mogą wyglądać tak samo jak u osób starszych.

Co najgorsze, gdy wykonała swój pierwszy skan, Saxe nie miała możliwości sprawdzenia, czy znajdzie coś interesującego. Chociaż technologia fMRI jest powszechnie wyobrażana (lub obawiana) jako rodzaj sondy, której można użyć do prostego odczytania treści ludzkich myśli, rzeczywistość jest znacznie mniej dramatyczna i znacznie bardziej wymagająca od badacza.

Niektóre problemy mają charakter czysto techniczny. Urządzenia fMRI mierzą aktywność mózgu tylko pośrednio. Kiedy neurony odpalają, zasysają tlen, aby przygotować się do ponownego odpalenia. To wywołuje zapotrzebowanie na więcej tlenu – dostarczanego przez krew. Kiedy jakiś obszar mózgu potrzebuje więcej paliwa, lokalny stosunek krwi natlenionej do odtlenionej zmienia się o ułamek. Natleniona krew ma inne właściwości magnetyczne niż odtleniona, a urządzenia fMRI mierzą wynikające z tego niewielkie zmiany w lokalnych polach magnetycznych.

Ale to nie lada wyczyn. Mózg przesuwa się nieznacznie w czaszce z każdym oddechem i uderzeniem serca, a ludzie – zwłaszcza dzieci! – nie leżą idealnie nieruchomo przez godzinę. „Mamy poruszającą się, pulsującą, chybotającą się maszynę, która z wielu powodów zużywa ogromne ilości tlenu, a dodatkowo próbujemy zmierzyć niewielki sygnał”, mówi Saxe. Następnie pojawia się problem z synchronizacją: aktywacja neuronalna zajmuje ułamki sekundy, ale zmiany w poziomie tlenu we krwi pojawiają się w ciągu sześciu sekund lub dłużej – a poziomy nie zawsze wracają do tej samej liczby podstawowej, zwiększając bałagan. Dlatego, mówi Saxe, wykonujemy korekcję ruchu. Wykonujemy wygładzanie przestrzenne, aby pozbyć się niektórych szumów. Czasowo filtrujemy wszystko, co dzieje się w ciągu 10 minut lub dłużej — w skali czasu, w której w danych pojawiałyby się artefakty, takie jak nagrzewanie się skanera. Zlokalizowanie sygnału wymaga wielu godzin analizy — wszystko po to, aby dowiedzieć się, co może oznaczać dowolny pomiar.

Późnym rankiem pierwsze dziecko ukończyło swoją listę opowiadań, a następnie zespół powtórzył sekwencję z drugim i ostatnim obiektem tego dnia, dziewięcioletnim chłopcem. Kiedy zszedł ze skanera, większość grupy planowała udać się na kolację.

Saxe został. Teraz rozpoczęła się faza pracy pogrzebowej eksperymentu: przekształcenie nieprzetworzonych liczb ze skanu w formę, którą można przeanalizować. Minęły godziny. Koledzy Saxe'a zjedli i wrócili. Została przy komputerze. Późnym wieczorem zakończyła przetwarzanie pierwszego przejścia. Artefakty ruchu — zniknęły; hałas maszyny – pod kontrolą; dopasowywana klatka po klatce monit o akcję neuronową.

To, co zobaczyła, pozwoliło Saxe na wydech: miała dane. Zespół wykazał, że możliwe jest uzyskanie użytecznych wyników od dzieci, które większość badaczy uważała za zbyt niespokojne, by je sobie wyobrazić. Co ważniejsze, gdy zebrali skany od osób w wieku sześciu lat, Saxe i Pelphrey znaleźli coś nowego. Starsze dzieci wyglądały jak dorośli, mówi Saxe. Ich regiony ToM zapaliły się, gdy usłyszeli fragment, który zmusił ich do zastanowienia się nad tym, co myśli ktoś inny, ale nie podczas fragmentów historii, które po prostu opisują, że ktoś coś robi. Ale skany małych dzieci były inne. Ich regiony mózgu reagowały na wszystko, co dotyczy ludzi — nie tylko anegdoty o stanach psychicznych ludzi, ale także na wszystko, co dotyczy ludzi.

Istnieje kilka sposobów na wyjaśnienie tego wyniku, ale Saxe opowiada się za szalonym pomysłem: mózg zaczyna z ogólną zdolnością myślenia o interakcjach społecznych, a następnie się specjalizuje. Jej zespół zaczął dostrzegać, że gdy dorastamy, nasze regiony mózgu porzucają niektóre prace, aby stać się ekspertem w innych.

To twierdzenie jest wciąż niepewne, ale późniejsze prace w laboratorium Saxe'a i gdzie indziej je wzmocniły. Saxe mówi, że uważamy, że mamy pewien wzorzec rozwoju. Teraz chcemy wiedzieć, jak i dlaczego ten rozwój się dzieje i co może go zmienić. Aby się tego dowiedzieć, jej laboratorium prowadzi badania nad różnymi ścieżkami do specjalizacji ToM. Jeden patrzy na dzieci ze spektrum autyzmu; innym jest badanie niewidomych dzieci, które angażują myśli innych poprzez słuch, a nie wzrok; a trzecia bada niesłyszące dzieci, z których niektóre są stosunkowo późno narażone na język, jeśli ich rodzice nie wiedzą, jak się mignąć. Żaden nie przyniósł jeszcze ostatecznych wyników.

Saxe nie jest już luźnym postdocem. Obecnie kieruje laboratorium i nadal nie jest przyzwyczajona do wszystkiego, co jest potrzebne do uprawiania nauki na coraz większą skalę. Jak mówi, w zaledwie jedno z nowych badań zaangażowanych jest kilkunastu badaczy. Jest nuta zdumienia – tak naprawdę niedowierzania – jak dodaje: Kiedyś rysowałem tylko na stole. Teraz potrzebujemy jednej osoby na 100 procent czasu tylko do śledzenia tego projektu.

Mimo to, jak to mówi, uśmiecha się. Ona i jej koledzy opublikowali wyniki badania Duke'a w 2009 roku, ale jest coś, czego nie natknęliśmy się na stronie – aspekt nauki, którego nie można uchwycić w żadnym pozbawionym wpływu zestawieniu danych. Tamtej nocy w Północnej Karolinie, tego pierwszego momentu, kiedy to zadziałało? ona mówi. To było ekscytujące.

Przykładowa historia z dziecięcego eksperymentu ToM

Segment fizyczny:
Za dużą czerwoną stodołą na skraju gaju orzechowego znajduje się najwspanialszy staw w okolicy. Jest szeroka i głęboka, ocieniona starym dębem. W tym stawie jest wiele rzeczy: ryby, stare buty, zagubione zabawki i trójkołowce i wiele innych niespodzianek.

Segment osób:
Stary pan McFeeglebee jest szarym, pomarszczonym starym farmerem, który nosi szary pomarszczony stary kombinezon i szare pomarszczone stare buty. Mieszkał na tej ziemi przez całe życie, dłużej nawet niż większość drzew. Mały Georgie jest siostrzeńcem pana McFeeglebee z miasta.

Segment mentalny:
Pan McFeeglebee nie chce, aby mali chłopcy łowili ryby w stawie. Ale mały Georgie udaje, że tego nie zauważa. Bardzo lubi łowić ryby, a poza tym wie, że potrafi biegać szybciej niż ktokolwiek w mieście. Georgie postanawia bardzo szybko uciec, jeśli pan McFeeglebee zobaczy, jak łowi ryby.

Pytanie:
Co myślisz? Czy mały Georgie łowi ryby w stawie? [pauza] Dobra robota! Czas na kolejną historię!

ukryć