Neuroimaging erfasst vier versteckte Phasen der Problemlösung

Quelle: Alex Oakenman / Shutterstock

Problemlösung ist ein grundlegender Aspekt unserer täglichen Denkprozesse, der das Identifizieren, Kodieren und Formen eines gegebenen Problems beinhaltet. Wann immer Sie unsicher sind, wie Sie am besten vorgehen, um ein gewünschtes Ziel oder Ergebnis zu erreichen, müssen Sie Ihr Problem lösen. Aber was sind die genauen Phasen bei der Problemlösung?

Forscher an der Carnegie Mellon University (CMU) verwenden modernste bildgebende Verfahrenstechnologie, um unser Verständnis der spezifischen mentalen Stadien zu verbessern, die Menschen durchlaufen, wenn sie intensiv an der Lösung eines Problems arbeiten.

Um das Feld der kognitiven Theorie voranzutreiben, ist es für Forscher wichtig, die Leistung einer bestimmten kognitiven Aufgabe in ihre wichtigsten und deutlichsten mentalen Stadien zu dekonstruieren. Die neue Gehirn-Bildgebungs-Studie von CMU identifiziert vier verschiedene Stadien, die jemand durchmacht, wenn er Probleme löst.

Die im Juli 2016 veröffentlichte Studie "Versteckte Stufen der Erkenntnis offenbart in Mustern der Gehirnaktivierung" erscheint in der Zeitschrift Psychological Science .

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Für diese Studie kombinierten John Anderson und seine Kollegen an der CMU zwei analytische Strategien mit fMRT-Bilddaten, um die spezifischen mentalen Stadien zu identifizieren, die Menschen in Echtzeit durchlaufen, während sie sich bemühten, ein schwieriges mathematisches Problem zu lösen. Genauer gesagt kombiniert das Verfahren eine Multi-Voxel-Musteranalyse (MVPA), um kognitive Stadien und verborgene Semi-Markov-Modelle zu identifizieren, um ihre Dauer zu identifizieren.

Anderson ist daran interessiert, eine Zeitlinie zu entwerfen, die den Verlauf der Gehirnbilddaten in Echtzeit abbildet, um von Zeit zu Zeit Informationen darüber zu erhalten, was "unter der Haube" passiert, wenn Menschen komplexe Problemlösungsaufgaben ausführen.

Anderson und Kollegen identifizierten vier verschiedene Stadien der Kognition, die an der Lösung eines Problems beteiligt sind: Kodieren, Planen, Lösen und Reagieren. Der Schwerpunkt von Andersons Forschung liegt darin, die Struktur der höheren Ebene besser zu verstehen, indem man dekonstruiert, wie Menschen mathematische Probleme lösen. Sein Team konzentriert sich auf "vereinheitlichte Theorien der Kognition", eine kognitive Architektur, die ein breites Spektrum von Denkaufgaben abdeckt.

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Vier Stufen der Problemlösung von Anderson et al.

1. Codierung
2. Planung
3. Lösung
4. Reagieren

Wie zu erwarten, wenn die verschiedenen Aspekte der Lösung eines mathematischen Problems kodiert sind, stellten die Forscher fest, dass die Planungsphase länger dauert, wenn das Problem mehr Planung erfordert. Und das Lösungsstadium neigt dazu, länger zu sein, wenn die Lösung schwieriger auszuführen ist.

Das ultimative Ziel dieser Studie war es, zu identifizieren, ob Manipulationen spezifische Auswirkungen auf die Dauer der verschiedenen Stadien der Problemlösung hatten. Die genaue Länge dieser Zeiträume ermöglichte es den Forschern, die realen Erkenntnisstufen, die bei der Lösung eines bestimmten mathematischen Problems eine Rolle spielen, direkt zu kartieren.

Problemlösung durch Versuch und Fehler bindet den orbitofrontalen Kortex (OFC)

Orbitofrontal Cortex (OFC) in grün.

Quelle: Paul Wicks / Öffentlicher Bereich

Diese CMU-Ergebnisse stimmen mit der Forschung zur Problemlösung durch Neurowissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley überein, die Hirnbilder des aktiven Lernens in Echtzeit aufgenommen haben, indem sie die Gehirne von Mäusen fotografierten, während sie lernten, wie man Probleme durch Versuch und Irrtum löst.

Die März-2016-Studie "Regellernen verbessert die strukturelle Plastizität von Long-Range-Axonen im Frontalkortex" wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht .

Unter Verwendung moderner Mikroskopietechniken machten die Berkeley-Forscher Zeitrafferfilme, die veranschaulichen, wie eine Maus aktiv eine neue Strategie zum Auffinden von versteckten Leckerbissen während einer Nahrungssuche lernt. Die Filme zeigen eine dramatische Umformung in der orbitofrontalen Kortex (OFC) Region der Frontallappen während des Versuchs und Irrtums von Problemlösungsaufgaben.

Für diese Studie führten die Mäuse die Nahrungssuche am Morgen durch, und ihre Gehirnveränderungen wurden am Nachmittag aufgezeichnet. Unter Verwendung einer fortschrittlichen bildgebenden Technologie, der sogenannten 2-Photonen-Laser-Scanning-Mikroskopie, machten die Forscher Bilder von Wachstum und Beschneidung in der Gehirnschaltung von Axonen großer Reichweite. Diese Axone sind Kanäle für elektrische Signale, die Neuronen in den Frontallappen verbinden.

Interessanterweise zeigten Mäuse, die Cheerios automatisch erhielten, ohne navigieren zu müssen, neue Regeln zu lernen und sie zu finden, keinen signifikanten Anstieg in der Umgestaltung des Hirnkreislaufs. Im Gegensatz dazu zeigten Mäuse, die täglich neue Regeln durch Problemlösung herausfinden mussten, dramatische Veränderungen in der neuronalen Verdrahtung, die Informationen aus dem orbitofrontalen Cortex sendet. Es ist faszinierend, dass der Akt des "Jagens und Sammelns" eines Cheerio eine fundamentale Rolle bei der Optimierung der funktionellen Konnektivität der Frontallappen spielte.

Schlussfolgerung: Neuroimaging bietet ein Fenster in die innere Funktionsweise unserer Minds

Die CMU-Forscher sind optimistisch, dass ihre Ergebnisse in naher Zukunft angewendet werden könnten, um das Design effektiverer Bildungsmethoden zu verbessern. Die aus dieser Art von Forschung gewonnenen Erkenntnisse könnten auch dazu verwendet werden, den Schülern zu helfen, ihr kristallisiertes Wissen über die anstehende Aufgabe hinaus auf eine Weise zu erweitern, die ihre fluide Intelligenz und kognitive Flexibilität anspricht. In einer Stellungnahme schloss Anderson,

"Wie Studenten solche Probleme lösen, ist uns ein Rätsel, bis wir diese Techniken anwenden. Wenn die Studenten da sitzen und nachdenken, können wir sagen, was sie jede Sekunde denken. "

Diese Studien tragen zu einer wachsenden Anzahl von Forschungsarbeiten bei, die mithilfe von Neuroimaging die sequenziellen Prozesse von Kognition und Denken besser verstehen helfen. Während die Neuroimaging-Forschung in der Vergangenheit ein Fenster zu verschiedenen Aspekten der Kognition eröffnet hat, ist es rätselhaft geblieben, wie alle Teile dieses Puzzles zusammenpassen, um ein zusammenhängendes Ganzes zu schaffen. Dies alles ändert sich schnell mit Fortschritten in der Neuroimaging-Technologie. Bleiben Sie dran für weitere Fortschritte zu diesem spannenden Thema!

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