Mentalna predstava prostora: Oblike in mehanizmi kratkoročnega beleženja in vzdrževanja prostorskih informacij

Prostorske informacije predstavljajo pomemben del našega zaznavanja in interakcije s svetom okrog nas. Sposobnost naših možganov, da shranjujejo in vzdržujejo prostorske informacije, ki so pomembne za izvedbo tekoče naloge, se imenuje prostorski delovni spomin. Za prostorski delovni spomin je značilna vzdrževana aktivnost v frontalnih in parietalnih možganskih področjih, ki naj bi odražala vključenost teh področij v aktivno vzdrževanje prostorskih predstav. Vendar ostaja vprašanje, kakšna je narava vzdrževanih prostorskih predstav in kako se le-te spreminjajo glede na zahteve naloge ali v povezavi z individualnimi razlikami.

Ključni cilj predlaganega projekta je razširiti znanje o vedenjskih in živčnih mehanizmih kodiranja, vzdrževanja in uporabe prostorskih predstav v delovnem spominu. Natančneje nameravamo preučiti tri specifične cilje. Naš prvi cilj je opredeliti možganska področja, ki sodelujejo pri kodiranju in shranjevanju prostorskih predstav. Drugi cilj je prepoznati in opisati različne vrste prostorskih predstav, ki jih uporabljajo naši možgani. Tretji cilj je raziskati prožnost in interakcije pri uporabi prostorskih predstav glede na zahteve trenutne naloge ali individualne razlike.

Za naslovitev teh ciljev bomo uporabili vrsto vedenjskih, fizioloških in analitičnih raziskovalnih pristopov, ki bodo zagotovili zanesljivo in učinkovito preverjanje vsebine možganske aktivnosti med prostorskim delovnim spominom. Predlagani projekt bo sestavljen iz treh študij, pri čemer bo vsaka študija obravnavala ločeno raziskovalno vprašanje. Prva študija bo raziskala razliko med polarnim in točkovnim kodiranjem lokacije dražljaja med delovnim spominom. Druga študija bo preučila razliko med alocentričnim in egocentričnim kodiranjem prostorskih položajev. Tretja študija bo raziskala retrospektivne senzorične in prospektivne motorične strategije, ki se uporabljajo med prostorskim delovnim spominom. Vse študije bodo naslovile različne vidike zastavljenih ciljev projekta. V vsaki študiji bomo vključili skupino zdravih mladih odraslih, ki bodo izvajali različne naloge prostorskega delovnega spomina, medtem ko bomo merili njihovo možgansko aktivnost s fMR. Uporabili bomo tudi različne analitične metode za preverjanje vedenjske uspešnosti, vzorcev možganske aktivnosti in funkcijske povezanosti, ter dekodiranje vsebine možganske aktivnosti.

Predlagani projekt bo pomembno prispeval k razumevanju reprezentacij in mehanizmov prostorskega delovnega spomina. Naše ugotovitve bodo pripomogle k razrešitvi več odprtih teoretičnih in metodoloških vprašanj ter izboljšale znanje o principih prostorske kognicije. Številne študije so pokazale, da je prostorski delovni spomin oškodovan pri več psihiatričnih in nevroloških motnjah, zato bi naše ugotovitve lahko pripomogle tudi k razumevanju patoloških sprememb ter tako prispevale k razvoju diagnostičnih in terapevtskih postopkov za tovrstne motnje.

Projekt bo sestavljen iz treh študij, od katerih bo vsaka obravnavala ločeno raziskovalno vprašanje. Prva študija bo raziskala razliko med polarnim in točkovnim beleženjem lokacije dražljaja med delovnim spominom. Druga študija bo obravnavala razliko med alocentričnim in egocentričnim kodiranjem prostorskih informacij. Tretja študija pa bo raziskala retrospektivne senzorične in prospektivne motorične strategije, ki se uporabljajo med prostorskim delovnim spominom. V vseh študijah bomo združili različne vedenjske in fiziološke eksperimentalne pristope za raziskovanje mehanizmov prostorskega delovnega spomina pri zdravih posameznikih. V posameznih študijah bomo uporabili izvirne vedenjske naloge, ki bodo preverjale različne načine beleženja in vzdrževanja prostorskih informacij v delovnem spominu, medtem ko bomo merili možgansko aktivnost s fMR. Za namen natančnega merjenja premikov oči, ki so ključni za izvedbo vedenjskih nalog, bomo uporabili sledilec očesnih gibov. V analizi podatkov se bomo natančneje posvetili preučevanju možganske aktivnosti in funkcijske povezanosti med izvedbo nalog prostorskega delovnega spomina na podlagi fMR podatkov, ter prepoznavanju vsebine informacij, zabeleženih v možganski aktivnosti, s pomočjo naprednih analiznih postopkov strojnega učenja.

Delo na projektu bo enakomerno razdeljeno preko dveh let. V začetnih mesecih projekta bo potekala optimizacija in preizkušanje podrobnosti vedenjskih nalog. Nato se bomo osredotočili na razvoj, pripravo in testiranje eksperimentalnih postopkov z izvedbo več pilotnih študij, kar bo predvidoma trajalo približno dva do štiri mesece, odvisno od posamezne študije. Končni eksperimentalni protokol bomo nato uporabili za zbiranje vedenjskih podatkov, podatkov o spremljanju očesnih premikov in fMR podatkov v obdobju približno enega leta. Zbiranje podatkov bo potekalo za vsako od načrtovanih študij zaporedoma. Hkrati z zbiranjem podatkov bomo začeli pripravljati in razvijati napredne analitične metode, ki temeljijo na strojnem učenju in bodo uporabljene za dekodiranje informacij, zabeleženih v možganski aktivnosti. Začetni razvoj in testiranje ustreznih metod bosta izvedena z uporabo predhodno zbranih ali prosto dostopnih fMR podatkovnih baz, povezanih z uporabo prostorskega delovnega spomina. Ocenjujemo, da bo priprava analitičnih metod trajala približno tri mesece. Zbiranje podatkov se bo deloma prekrivalo tudi z analizo podatkov. Takoj ko bomo končali zbiranje podatkov za določeno študijo, bomo opravili preprocesiranje podatkov, nato pa bodo sledile poglobljene analize vedenja, fMR aktivacije in funkcijske povezanosti. Analiza dekodiranja bo izvedena kot zadnja. Pričakujemo, da bo celotna analiza podatkov za vsako študijo trajala približno štiri mesece. Preostali čas je predviden za dokončanje analize podatkov in pisanje znanstvenih poročil.

Slana Ozimič, A., Oblak, A., Kordeš, U., Purg, N., Bon, J., in Repovš, G (2023). The diversity of strategies used in working memory for colors, orientations, and positions: A quantitative approach to a first-person inquiry. Cognitive Science, 47(8), 1-26. https://doi.org/10.1111/cogs.13333

Ji, J. L., Demšar, J., Kraljič, A., Matkovič, A., Purg, N., Repovš, G., idr. (2023). QuNex: An integrative platform for reproducible neuroimaging analytics. Frontiers in Neuroinformatics, 17, 1-18. https://doi.org/10.3389/fninf.2023.1104508

Purg, N., Demšar, J., in Repovš, G. (2022). autohrf-an R package for generating data-informed event models for general linear modeling of task-based fMRI data. Frontiers in Neuroimaging, 1:983324. https://doi.org/10.3389/fnimg.2022.983324

Kraljič, A., Matkovič, A., Purg, N., Demšar, J., in Repovš, G. (2022). Evaluation and comparison of most prevalent artifact reduction methods for EEG acquired simultaneously with fMRI. Frontiers in Neuroimaging, 1:968363. https://doi.org/10.3389/fnimg.2022.968363

Purg, N., Starc, M., Slana Ozimič, A., Kraljič, A., Matkovič, A., in Repovš, G. (2022). Neural evidence for different types of position coding strategies in spatial working memory. Frontiers in Human Neuroscience, 16:821545. https://doi.org/10.3389/fnhum.2022.821545

Purg, N., Slana Ozimič, A., in Repovš, G. (2022). The cognitive neuroscience of working memory and language. V Schwieter, J. W.,  in Wen, Z. (ur.). The Cambridge handbook of working memory and language (str. 120-142). Cambridge, Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781108955638