A pszichofizika áttörése bemutatja a választ a 200 éves idegtudományi rejtélyre

Az idő tartja a kulcsot Weber törvényének magyarázatához. Hitel: Diogo Matias, Champalimaud Alapítvány

Évszázadokig az elme mentális világát és a fizikai világot teljesen különállóként kezelték. Míg az élettelen tárgyak mozgását a matematika segítségével meg lehetett mérni és végsõ soron megjósolni, az organizmusok mozgását - viselkedésüket - különbözõ erõk alakították ki, az akarat irányítása alatt.

Körülbelül 200 évvel ezelőtt Ernst Heinrich Weber német orvos ártalmatlannak tűnő megfigyelést tett, amely a pszichofizika tudományágának - a világ fizikai ingereivel kapcsolatos tudománynak és azoknak az érzéseknek a megszületéséhez vezetett. Weber arra kérte az alanyokat, hogy mondják meg, melyik két kissé eltérő súly közül a nagyobb. Ezekből a kísérletekből fedezte fel, hogy annak valószínűsége, hogy az alany jól választ, csak a súlyok arányától függ.

Például, ha az alany az idő 75% -ának megfelelő, amikor összehasonlítja az 1 kg-os és az 1,1 kg-os súlyt, akkor az idő 75% -ának is megfelelő lesz, ha összehasonlítja a két 2 és 2,2 kg-os súlyt - vagy általában bármilyen súlypár, ahol az egyik 10% -kal nehezebb, mint a másik. Ez az egyszerű, de pontos szabály megnyitotta a kaput a viselkedés számszerűsítésére a matematikai „törvények” szempontjából.

Weber megfigyeléseit azóta számos állatfaj összes érzékszervi módjára általánosították, ami az úgynevezett Weber-törvényhez vezetett. Ez a legrégebbi és legszilárdabban megalapozott törvény a pszichofizikában. A pszichofizikai törvények az érzékelés pontos szabályait írják le, és azért fontosak, mert felhasználhatók matematikai magyarázatra a viselkedésről az agyi folyamatok szempontjából, mint ahogy az égbolygók pontos mozgási mintái is hasznosak voltak a gravitáció megértéséhez.

Az évek során számos magyarázatot javasoltak Weber törvényére. Bár mindannyian elszámolhatják Weber eredményeit, nem találtak kísérleti tesztet annak megállapítására, hogy melyik modell volt helyes. Így a weberi törvény matematikai magyarázatának rejtvénye nyitva maradt.

A kutatók egy csoportja a portugál Lisszabonban, a Champalimaud Ismeretlen Központban felfedezte, hogy Weber törvénye egy új pszichofizikai szabály következményeként írható le, amely magában foglalja a választáshoz szükséges időt, nem csak a választás eredményét. a döntés. A csapat kimutatta, hogy ez az új szabály elegendő egy egyedi és pontos matematikai modell levezetéséhez, amely leírja a Weber-törvény alapját képező kognitív folyamatot. Eredményeiket a Nature Neuroscience tudományos folyóiratban megjelent cikk ismerteti.

Az idő kulcsfontosságú

Ebben az új tanulmányban Alfonso Renart, a vizsgálatot vezető kutató és csapata kiképezte a patkányokat két, kissé eltérő intenzitású hang megkülönböztetésére. Kifejezetten a patkányok fejéhez igazított, miniszkuláris fejhallgatókat készítettek, és ezeket mindkét fülbe egyszerre juttatták el.

Minden kísérletben a két hangszóró egyikén valamivel erősebb volt a hang, és a patkány feladata az volt, hogy jelentse, melyik hangszóró hallja a hangosabb hangot a megfelelő oldal felé orientálódva. "Ez a viselkedés a patkányok számára természetes, mert a hangforrás felé irányítják a fejüket, csakúgy, mint mi" - magyarázza José Pardo-Vazquez, a cikk egyik társszerzője. A patkányok mindaddig megtapasztalhatták a hangot, ameddig csak kellett, hogy elhatározzák magukat. Így minden kísérlet választási lehetőséget és döntési időt biztosított.

"Kísérleteink megerősítették, hogy az állatok viselkedése megegyezett Weber törvényével" - mondja Pardo-Vazquez. "Az a képességük, hogy megmondják, melyik hang a két hangosabb, csak a hangok intenzitásának arányától függ. Ha a patkánynak két halkan lejátszott hang intenzitását kellett összehasonlítania, akkor pontossága ugyanolyan jó volt, mint egy pár hanggal. hangosan lejátszott hangok, amennyiben mindkét párnak ugyanaz az intenzitási aránya. "

Ezután a csapat elkezdte részletesen elemezni, hogy a patkányok mennyi idő alatt döntöttek, ami kritikusnak bizonyult. "A Weber-törvény tanulmányai általában a diszkrimináció pontosságára összpontosítottak, ezt Weber maga írta le" - magyarázza Pardo-Vazquez. "Meglepő, hogy a döntéshez szükséges idő kevés figyelmet kapott." A csapat felismerte a döntési időket, és a hangpár hangossága összekapcsolódott - minél erősebbek a hangok, annál rövidebb a döntési idő. Valójában megmutatták, hogy ennek a kapcsolatnak a jellege egyedi és matematikailag pontos, így a megfigyelt döntési idők például két csendes hang megkülönböztetésében következnek be, pontosan arányosak a mért döntési időkkel, amikor az alany megkülönböztette két hangos hangot - - mindaddig, amíg relatív intenzitásuk állandó volt.

Weber törvényén túl

A csapat valójában felfedezett egy új "pszichofizikai törvényt", amelyet "időintenzitás-egyenértékűség a diszkriminációban" (TIED) néven emlegettek, mivel összekapcsolta egy hangpár teljes intenzitását és a megkülönböztetéshez szükséges időt. közöttük. A TIED szigorúbb, mint a Weber-törvény, mert nemcsak a diszkriminációs párok pontosságát köti össze, hanem a hozzájuk kapcsolódó döntési időket is. "Kísérleteinkben elképesztő a kapcsolati pontosság a döntési idők között" - mondja Pardo-Vazquez. "Szokatlan, hogy az állatok viselkedését ilyen matematikai pontossággal lehet leírni".

Annak megvizsgálására, hogy a TIED különböző körülmények között is zajlik-e, a csapat ugyanolyan kísérletet folytatott emberi alanyokkal, hasonló eredményeket kapva. Elemezték a mások által elvégzett kísérleteket is, amelyek során a patkányok szagkeverékeket szaglóan különböztetnek meg, ugyanazzal az eredménnyel. "Még korai megmondani, hogy a TIED ugyanolyan általános-e, mint Weber törvénye, de az a tény, hogy két fajban és két érzékszervi módban ugyanazokat az eredményeket kaptuk, bátorító első lépés" - zárta szavait Pardo-Vazquez.

Zárás a megfelelő modellen

Az évek során több tucat matematikai modellt javasoltak Weber törvényének megmagyarázására, de ezek megkülönböztetésére nem volt egyértelmű kísérleti teszt. A kutatók úgy vélték, hogy a TIED felajánlotta a továbblépést. Elemzésükből kiderült, hogy a TIED-szel való összhang érdekében a diszkriminációs feladat matematikai modelljének szigorú feltételeknek kell megfelelnie. "Ez fantasztikus volt" - mondja Juan Castiñeiras, a tanulmány másik társszerzője. "A TIED korlátozta a lehetséges magyarázatok világát, és ezzel megoldotta a kétértelműséget a Weber-törvény számos javasolt modellje között." Stephen Link pszichológus által a 80-as évek végén korábban javasolt modell közel került a megoldáshoz, de elmulasztott egy fontos feltételt, amely leírta, hogy a szenzoros ingerek intenzitását hogyan kódolja a szenzoros neuronok aktivitása.

Az utolsó lépés az volt, hogy megadjuk ezt a feltételrendszert, és elkészítsünk egy modellt annak tesztelésére, hogy ez mennyire pontosan számolt a patkányok viselkedésével. "A lehető legegyszerűbb modellt elemeztük a lehető legkevesebb paraméterrel" - magyarázza Castiñeiras. Amikor ezeknek a paramétereknek az értékeit úgy választották meg, hogy maximalizálják a hasonlóságot a patkányok viselkedésével, felfedezték, hogy a modell illeszkedése figyelemre méltó. "Még a legegyszerűbb modell is hatékonyan rögzített mindent, amit meg tudtunk mérni, szinte hiba nélkül. Ez nagyban megerősítette a bizalmunkat abban, hogy a modell valami igazat ír le az észlelés működéséről" - mondja Renart.

A pontos kísérletek és elméletek határozott haladáshoz vezetnek

Ezek az eredmények a saját területükön kiemelkednek mind az új pszichofizikai szabály, mind a kísérleti adatokat leíró matematikai modell pontossága miatt. "Bár a biológiában és a viselkedés tanulmányozásában - mint a fizikában - ritkábban figyelhető meg, a pontos kísérleti eredmények pontos magyarázatokat tesznek lehetővé, amelyek megoldják a korábbi kétértelműségeket, és ezért haladást jelentenek" - mondja Renart. Eredményeik szerint például a pszichofizika egyik fő elmélete nem volt megfelelő a TIED leírására. "Az egymással versengő elméleteket kizáró matematikai magyarázatok előállítása nagyon ritka az idegtudományban, mert mindig van lehetőség egy modell enyhe módosítására, hogy kompatibilis legyen a kísérleti adatokkal" - mutat rá Castiñeiras. "Megmutattuk, hogy a pszichofizikában egy nagyon befolyásos elmélet (az úgynevezett jelfelismerési elmélet) nem modellezte a döntési időket, és ezért nem tudta leírni a TIED-t. Hiányolta a Weber-törvény magyarázatának lényegét".

A csapat egyik következő célja annak megértése, hogy az agy hogyan valósítja meg az általuk azonosított matematikai modellt: "Meg akarjuk határozni, hogy mely agyterületek fontosak a feladatunk során, és ezekben az áramkörökben található neuronok hogyan hajtják végre a különböző számítási elemeket a modell "- vonja le a következtetést Renart.

Referencia: Jose L. Pardo-Vazquez, Juan R. Castiñeiras-de Saa, Mafalda Valente, Iris Damião, Tiago Costa, M. Inês Vicente, André G. Mendonça, Zachary F. Mainen és Alfonso Renart. Weber törvényének mechanisztikus alapja. Természet idegtudomány. DOI: 10.1038/s41593-019-0439-7.

Ezt a cikket a következő anyagokból publikálták újra. Megjegyzés: Lehetséges, hogy az anyag hosszát és tartalmát szerkesztették. További információkért kérjük, forduljon az idézett forráshoz.