I nesten et tiår har et team av forskere fra MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) forsøkt å avdekke hvorfor visse bilder vedvarer i folks sinn, mens mange andre blekner. For å gjøre dette satte de seg for å kartlegge den romlige og tidsmessige hjernedynamikken som er involvert i å gjenkjenne et visuelt bilde. Og nå for første gang utnyttet forskere de kombinerte styrkene til magnetoencefalografi (MEG), som fanger opp tidspunktet for hjerneaktivitet, og funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI), som identifiserer aktive hjerneregioner, for nøyaktig å bestemme når og hvor hjernen behandler et minneverdig bilde.

Deres studie med åpen tilgang, publisert denne måneden i PLOS Biology, brukte 78 bildepar matchet for det samme konseptet, men forskjellig i deres minnescore – det ene var svært minneverdig og det andre var lett å glemme. Disse bildene ble vist til 15 personer, med scener av skateboarding, dyr i ulike miljøer, hverdagslige gjenstander som kopper og stoler, naturlandskap som skog og strender, urbane scener av gater og bygninger, og ansikter som viser ulike uttrykk. Det de fant var at et mer distribuert nettverk av hjerneregioner enn tidligere antatt er aktivt involvert i kodings- og retensjonsprosessene som underbygger minneverdighet.

“Folk har en tendens til å huske noen bilder bedre enn andre, selv når de er konseptuelt like, som forskjellige scener av en person som kjører skateboard,” sier Benjamin Lahner, en MIT PhD-student i elektroteknikk og informatikk, CSAIL-tilknyttet, og førsteforfatter av studere. “Vi har identifisert en hjernesignatur av visuell minnebarhet som dukker opp rundt 300 millisekunder etter å ha sett et bilde, som involverer områder på tvers av den ventrale occipitale cortex og temporale cortex, som behandler informasjon som fargepersepsjon og gjenkjenning av objekter. Denne signaturen indikerer at svært minneverdige bilder gir sterkere og mer vedvarende hjerneresponser, spesielt i regioner som den tidlige visuelle cortex, som vi tidligere har undervurdert i minneprosessering.»

Mens svært minneverdige bilder opprettholder en høyere og mer vedvarende respons i omtrent et halvt sekund, reduseres responsen på mindre minneverdige bilder raskt. Denne innsikten, utdypet Lahner, kan redefinere vår forståelse av hvordan minner dannes og vedvarer. Teamet ser for seg at denne forskningen har potensiale for fremtidige kliniske anvendelser, spesielt innen tidlig diagnose og behandling av hukommelsesrelaterte lidelser.

MEG/fMRI-fusjonsmetoden, utviklet i laboratoriet til CSAIL seniorforsker Aude Oliva, fanger på en dyktig måte hjernens romlige og tidsmessige dynamikk, og overvinner de tradisjonelle begrensningene for enten romlig eller tidsmessig spesifisitet. Fusjonsmetoden hadde litt hjelp fra sin maskinlærende venn, for å bedre undersøke og sammenligne hjernens aktivitet når man ser på ulike bilder. De laget en “representasjonsmatrise”, som er som et detaljert diagram, som viser hvor like nevrale responser er i forskjellige hjerneregioner. Dette diagrammet hjalp dem med å identifisere mønstrene for hvor og når hjernen behandler det vi ser.

Å velge de konseptuelt like bildeparene med høy og lav minnescore var den avgjørende ingrediensen for å låse opp denne innsikten om minneverdighet. Lahner forklarte prosessen med å samle atferdsdata for å tilordne minnescore til bilder, der de kuraterte et mangfoldig sett med bilder med høy og lav minneverdighet med balansert representasjon på tvers av forskjellige visuelle kategorier.

Til tross for fremskritt, bemerker teamet noen få begrensninger. Selv om dette arbeidet kan identifisere hjerneregioner som viser betydelige minneeffekter, kan det ikke belyse regionens funksjon i hvordan det bidrar til bedre koding/henting fra minnet.

“Å forstå den nevrale grunnen til minneverdighet åpner spennende veier for kliniske fremskritt, spesielt i diagnostisering og behandling av hukommelsesrelaterte lidelser tidlig,” sier Oliva. «De spesifikke hjernesignaturene vi har identifisert for minneverdighet, kan føre til tidlige biomarkører for Alzheimers sykdom og andre demenssykdommer. Denne forskningen baner vei for nye intervensjonsstrategier som er finjustert til individets nevrale profil, som potensielt kan transformere det terapeutiske landskapet for hukommelsessvekkelser og betydelig forbedre pasientresultatene.”

“Disse funnene er spennende fordi de gir oss innsikt i hva som skjer i hjernen mellom å se noe og lagre det i minnet,” sier Wilma Bainbridge, assisterende professor i psykologi ved University of Chicago, som ikke var involvert i studien. “Forskerne her fanger opp et kortikalt signal som gjenspeiler hva som er viktig å huske, og hva som kan glemmes tidlig.”

 

Lahner og Oliva, som også er direktør for strategisk industriengasjement ved MIT Schwarzman College of Computing, MIT-direktør for MIT-IBM Watson AI Lab og CSAIL-hovedetterforsker, slutter seg til Western University Assistant Professor Yalda Mohsenzadeh og York University-forsker Caitlin Mullin på papiret. Teamet anerkjenner et delt instrumentstipend fra National Institutes of Health, og deres arbeid ble finansiert av Vannevar Bush Faculty Fellowship via et Office of Naval Research-stipend, en National Science Foundation-pris, Multidisciplinary University Research Initiative-pris via en Army Research Office-stipend , og EECS MathWorks Fellowship. Papiret deres er publisert i PLOS Biology.