Прорив психофізики представляє відповідь на 200-річну таємницю неврології

Час є ключем до пояснення закону Вебера. Кредит: Діого Матіас, Фонд Шампалімо

Протягом століть психічний світ розуму та фізичний світ трактувались як абсолютно різні. Хоча рух неживих предметів можна було виміряти і в кінцевому рахунку передбачити за допомогою математики, рух організмів - їх поведінка - виявлялося формується різними силами під контролем волі.

Близько 200 років тому німецький лікар Ернст Генріх Вебер зробив, здавалося б, нешкідливе спостереження, яке призвело до народження дисципліни Психофізика - науки про фізичні подразники у світі та відчуття, які вони викликають у свідомості суб'єкта. Вебер попросив випробовуваних сказати, який із двох дещо різних ваг був важчим. З цих експериментів він виявив, що ймовірність того, що суб'єкт зробить правильний вибір, залежить лише від співвідношення між вагами.

Наприклад, якщо суб'єкт правильний 75% часу при порівнянні ваги 1 кг і ваги 1,1 кг, то вона також буде правильним 75% часу при порівнянні двох ваг 2 і 2,2 кг - або, загалом, будь-яка пара ваг, де одна на 10% важча за іншу. Це просте, але точне правило відкрило двері для кількісної оцінки поведінки з точки зору математичних "законів".

З тих пір спостереження Вебера були узагальнені для всіх сенсорних модальностей у багатьох видів тварин, що призвело до того, що сьогодні відоме як Закон Вебера. Це найдавніший і найбільш твердо встановлений закон у психофізиці. Психофізичні закони описують точні правила сприйняття і важливі, оскільки їх можна використовувати для отримання математичних пояснень поведінки з точки зору мозкових процесів, як і точні закономірності руху планет в небі були корисні для розуміння гравітації.

Багато пояснень закону Вебера пропонувалося протягом багатьох років. Незважаючи на те, що всі вони можуть враховувати висновки Вебера, експериментальний тест не був знайдений, щоб визначити, яка модель була правильною. Таким чином, загадка математичного пояснення закону Вебера залишалася відкритою.

Зараз група дослідників Центру невідомих Шампалімо в Лісабоні, Португалія, виявила, що Закон Вебера можна охарактеризувати як наслідок нового психофізичного правила, що включає час, необхідний для вибору, а не лише результат рішення. Команда показала, що цього нового правила достатньо для виведення унікальної та точної математичної моделі, що описує когнітивний процес, що лежить в основі Закону Вебера. Їх результати описані в статті, опублікованій у науковому журналі Nature Neuroscience.

Час є ключовим

У цьому новому дослідженні Альфонсо Ренарт, головний дослідник, який керував дослідженням, та його команда навчали щурів, щоб розрізняти два звуки трохи різної інтенсивності. Вони сконструювали мініатюрні навушники, спеціально пристосовані до голови щурів, і використовували їх для одночасної передачі звуків на обидва вуха.

У кожному випробуванні звук на одному з двох динаміків був би трохи голоснішим, а завдання щура полягало в тому, щоб повідомляти, який динамік відтворював більш гучний звук, орієнтуючись у відповідну сторону. "Така поведінка природна для щурів, оскільки вони орієнтують голову на джерело звуку, як і ми", - пояснює Хосе Пардо-Васкес, один із співавторів статті. Щури могли відчувати звук стільки, скільки їм було потрібно, щоб вирішити. Таким чином, кожна спроба передбачала вибір та час прийняття рішення.

"Наші експерименти підтвердили, що поведінка тварин відповідає закону Вебера", - говорить Пардо-Васкес. "Їхня здатність визначити, який із двох звуків був голоснішим, залежала лише від співвідношення між інтенсивністю звуків. Якщо щур повинен був порівнювати інтенсивність двох звуків, які відтворювались тихо, його точність була такою ж хорошою, як і для пари звуки, які звучали голосно, доки обидві пари мали однаковий коефіцієнт інтенсивності ".

Потім команда почала детально аналізувати, скільки часу щурам потрібно було приймати рішення, крок, який виявився критичним. "Як правило, дослідження закону Вебера зосереджувались на точності дискримінації, що описав сам Вебер", - пояснює Пардо-Васкес. "Дивно, але часу, необхідного для прийняття рішення, приділено мало уваги". Команда зрозуміла час прийняття рішень і гучність пари звуків була пов’язана - чим голосніші звуки, тим коротший час прийняття рішення. Насправді вони показали, що природа цього зв'язку є унікальною та математично точною, завдяки чому час прийняття рішень спостерігається, наприклад, при дискримінації двох тихих звуків, точно пропорційній часом прийняття рішень, виміряних, коли суб'єкт розрізняє два гучні звуки - - поки їх відносна інтенсивність була постійною.

Поза законом Вебера

Фактично команда відкрила новий "психофізичний закон", який вони називали "еквівалентністю інтенсивності в часі при дискримінації" (TIED), оскільки він пов'язував загальну інтенсивність пари звуків і час, необхідний для дискримінації між ними. TIED є більш суворим, ніж Закон Вебера, оскільки він не тільки пов'язує точність пар дискримінації, але також пов'язує пов'язаний з ними час прийняття рішень. "Точність цього співвідношення між часом прийняття рішень у наших експериментах вражає", - говорить Пардо-Васкес, "незвично, що поведінку тварин можна описати з такою математичною точністю".

Щоб дослідити, чи проводився TIED також в різних умовах, команда провела один і той же експеримент з людьми, отримуючи подібні результати. Вони також проаналізували експерименти, проведені іншими, в яких щури проводили нюхові розрізнення сумішей запахів, знову ж із тим самим результатом. "Ще рано сказати, чи TIED є таким загальним, як закон Вебера, але той факт, що ми отримали однакові результати у двох видів і в двох сенсорних модальностях, є обнадійливим першим кроком", - підсумував Пардо-Васкес.

Замикаючись на правильній моделі

Протягом багатьох років пропонувались десятки математичних моделей для пояснення закону Вебера, але не було чіткого експериментального тесту для їх розрізнення. Дослідники міркували, що TIED пропонує шлях уперед. Їх аналіз показав, що для узгодження з TIED математична модель завдання дискримінації повинна відповідати набору суворих умов. "Це було фантастично", - говорить Хуан Кастіньєйрас, інший співавтор дослідження. "TIED обмежив світ можливих пояснень і тим самим вирішив неоднозначність між багатьма запропонованими моделями закону Вебера". Запропонована раніше психологом Стівеном Лінком модель наприкінці 80-х наблизилася до рішення, але пропустила важливу умову, що описує, як інтенсивність сенсорних подразників кодується активністю сенсорних нейронів.

Останнім кроком було прийняти цей набір умов і побудувати модель, щоб перевірити, наскільки точно вона враховувала поведінку щурів. "Ми проаналізували найпростішу модель з якомога меншою кількістю параметрів", - пояснює Кастіньєрас. Коли значення цих параметрів були обрані, щоб максимізувати схожість з поведінкою щурів, вони виявили, що придатність моделі є надзвичайною. "Навіть найпростіша модель фактично фіксувала все, що ми могли виміряти, майже без помилок. Це значно зміцнило нашу впевненість у тому, що модель описує щось правдиве щодо того, як працює сприйняття", говорить Ренарт.

Точні експерименти та теорії ведуть до певного прогресу

Ці результати виділяються у своїй галузі завдяки точності як нового психофізичного правила, так і математичної моделі, що описує експериментальні дані. "Хоча в біології та при вивченні поведінки, як і у фізиці, спостерігаються рідше, точні експериментальні результати дозволяють отримати точні пояснення, які дозволяють усунути попередні двозначності і, отже, становлять прогрес", - говорить Ренарт. Наприклад, їх результати свідчать про те, що одна з основних теорій у психофізиці була недостатньою для опису TIED. "Виробництво математичних пояснень, що виключають конкуруючі теорії, дуже рідко зустрічається в нейронауці, оскільки завжди є можливість трохи модифікувати одну модель, щоб зробити її сумісною з експериментальними даними", - зазначає Кастіньєрас. "Ми показали, що дуже впливова теорія в психофізиці (яка називається теорією виявлення сигналів) не моделювала часів прийняття рішень і, отже, не могла описати TIED. Вона пропустила суть пояснення закону Вебера".

Однією з наступних цілей команди є розуміння того, як математична модель, яку вони визначили, реалізується мозком: "Ми хочемо визначити, які області мозку важливі для нашого завдання, і як нейрони в цих ланцюгах виконують різні обчислювальні елементи моделі ", - підсумовує Ренарт.

Довідково: Хосе Л. Пардо-Васкес, Хуан Р. Кастінейрас-де-Саа, Мафальда Валенте, Іріс Даміан, Тіаго Коста, М. Інес Вісенте, Андре Г. Мендонса, Захарі Ф. Майнен і Альфонсо Ренарт. Механістична основа закону Вебера. Нейрологія природи. DOI: 10.1038/s41593-019-0439-7.

Ця стаття була перевидана з наступних матеріалів. Примітка: матеріал може бути відредагований за довжиною та змістом. Для отримання додаткової інформації, будь ласка, зв'яжіться з цитованим джерелом.