Datorsimuleringar förklarar arbetsminnets begränsningar

Publicerat 2012-01-11 00:00. Uppdaterat 2013-11-26 10:22

[PRESSMEDDELANDE 2009-03-31] Forskare vid Karolinska Institutet har på matematisk väg konstruerat en aktivitetsmodell av hjärnans främre och övre delar, för att öka kunskapen om arbetsminnets kapacitet och hur de miljarder nervcellerna i hjärnan samverkar. Med hjälp av "modellhjärnan" har de bland annat hittat en mekanism i hjärnans nätverk av nervceller som gör att vi normalt inte klarar att hålla kvar fler än sju minnesbilder åt gången.

Fredrik Edin
Fredrik Edinfoto: Privat

- Det är som när man bygger ett flygplan och matar in en massa information om material och aerodynamik i ett dataprogram för att göra beräkningar innan man testar konstruktionen på riktigt. Vi vet mycket om de kemiska processerna i hjärnan och vilka delar som är aktiverade i olika situationer, men exakt vad som händer i dessa områden är för komplext för att överblicka utan en matematisk modell, säger Jesper Tegnér, professor i beräkningsbiolog och en av forskarna bakom studien.

Arbetsminnet, vår förmåga att hålla och behandla information över tiden, är centralt för de flesta kognitiva processer som tänkande, språk och planering av handlingar. Det är känt sedan tidigare att arbetsminnet är begränsat, eftersom vi bara klarar att hålla ett visst antal "bollar i luften" samtidigt. Med hjälp av så kallad funktionell magnetresonansavbildning (fMRI) har man också kunnat se att både pannloberna och parietalloben (hjässloben) är aktiverade när en sekvens av två bilder ska hållas i det visuella arbetsminnet under kort tid. Däremot har det varit okänt hur nervcellerna samverkar för att klara av uppgiften.

Studien som nu publiceras i PNAS bygger på ett tvärvetenskapligt samarbete mellan två forskargrupper vid Karolinska Institutet som leds av Torkel Klingberg och Jesper Tegnér. I projektet har forskarna utnyttjat tekniker från olika forskningsområden och applicerat dem på tidigare kända data kring hur nervcellerna och deras kopplingar - synapserna - fungerar biokemiskt och elektrofysiologiskt. På så sätt har man på matematisk väg arbetat fram en form av virtuell eller datorsimulerad modellhjärna. De beräkningar som utförts med "modellhjärnan" har testats med hjälp av fMRI-experiment. På så sätt har man kunnat bekräfta att beräkningarna verkligen ger svar på de frågor som forskarna ställt.

Med hjälp av dessa tekniker har forskarlaget bland annat kunnat förstå varför arbetsminnet bara klarar att hålla kvar mellan två och sju olika bilder samtidigt. Allteftersom ökade krav ställs på arbetsminnet kommer de aktiva nervcellerna i parietalloben i allt större utsträckning att hämma aktivitet omgivande celler. De hämmande impulserna mellan nervcellerna blir till slut så starka att den motverkar inlagring av ytterligare inkommande visuella stimuli. Hämningen kan dock till viss del motverkas genom ökad stimulering från pannloberna. Forskarna föreslår därför i sin artikel att pannloberna kan reglera minneskapaciteten hos parietalloben.

- Modellen förutsäger bland annat att stark aktivering av frontalloberna ger ett bättre arbetsminne. Detta fynd kunde också visas i uppföljande experiment på människor. Arbetsminnet är en flaskhals för den mänskliga hjärnans förmåga att bearbeta information. Resultaten ger oss en ny förståelse för vad den här begränsningen består av, säger Fredrik Edin, doktor i beräkningsneurovetenskap.

Samarbetet mellan de båda forskargrupperna har skett inom ramen för Stockholm Brain Institute. Huvuddelen av arbetet med studien har utförts av Fredrik Edin och gästprofessor Albert Compte, numera verksam som forskningsledare vid det spanska forskningsinstitutet IDIBAPS i Barcelona. Jesper Tegnér är även verksam vid Tekniska Högskolan i Linköping.

Publikation

Fredrik Edin, Torkel Klingberg, Pär Johansson, Fiona McNab, Jesper Tegnér och Albert Compte

Mechanism for top-down control of working memory capacity

PNAS, online early edition 30 mars - 3 april 2009

För mer information, kontakta: