Superfluidität: Das Enigma der kognitiven Flexibilität entschlüsseln

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Ein internationales Forscherteam hat unerwartete Mechanismen des Gehirns identifiziert, die mit kognitiver Flexibilität einhergehen. Kognitive Flexibilität stellt die Fähigkeit einer Person dar, zwischen Denkweisen zu wechseln und gleichzeitig beim Multitasking über mehrere Konzepte nachzudenken.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass kognitive Flexibilität die dynamische Integration mehrerer Gehirnregionen erfordert und zu einer fließenden Denk- und Leistungsfähigkeit führt. Bis heute sind die Echtzeitaspekte, wie neuronale Netze die Integration verschiedener kognitiver Funktionen verteilen, jedoch rätselhaft und schlecht verstanden.

Die September-2015-Studie "Dynamische Rekonfiguration von frontalen Gehirnnetzwerken während der Kognition bei Menschen" wurde in Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht . Die Forscher verwendeten eine Kombination aus fortgeschrittenen Werkzeugen, um zu erfassen, wie sich die Gehirnaktivitäten der Teilnehmer während jeder Periode einer Arbeitsgedächtnisaufgabe, jeder Periode der Kontrollaufgabe und während der Zwischenzeiten während des Gangwechsels des Gehirns neu arrangierten.

Eine neue Grenze: "Dynamic Network Neuroscience"

Danielle S. Bassett, die Skirkanich Assistenzprofessorin für Innovation an der School of Engineering and Applied Science der University of Pennsylvania, ist leitende Autorin dieser Studie, die hochentwickelte analytische Werkzeuge verwendet, um neuronale Netzwerke zu untersuchen, die Pfade zwischen Hirnregionen herstellen, die mit spezifischen Kommunikationsmustern verknüpft sind im menschlichen Gehirn.

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Bassett führt seit Jahren faszinierende Forschungen über die Mechanismen des Gehirns für kognitive Flexibilität durch. Bassett ist Teil eines aufkeimenden Forschungsgebietes, das als "Dynamische Netzwerk-Neurowissenschaft" bezeichnet wird und eine Vielzahl modernster Techniken nutzt, um unser Verständnis von Gehirnstruktur und -funktion zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten Bildern der Hirnbildgebung, die sich auf die Rolle einer einzelnen Region konzentrieren, interessiert sich Bassett für die Zusammenhänge zwischen den Regionen, die durch synchronisierte Gehirnaktivität angezeigt sind.

Für diese neueste Studie verwendete Bassett mittels fMRT-Bildgebung im Gehirn, welche Teile des Gehirns in Echtzeit miteinander "sprachen", während die Studienteilnehmer verschiedene Aufgaben erfüllten. Mit dieser Technik konnten die Forscher sehen, wie sich Gruppen von Gehirnregionen zu dicht miteinander verbundenen Strukturen zusammenschließen, deren Interaktionen sich während der Ausführung einer einzelnen Aufgabe oder während des Multitaskings ändern.

Ein besseres Verständnis der kognitiven Flexibilität und der Art und Weise, wie unsere Gehirne mit Multitasking umgehen, könnte zu effektiveren Interventionen für eine Vielzahl von Erkrankungen führen, die mit reduzierter exekutiver Funktion wie Autismus-Spektrum-Störungen (ASD), Schizophrenie und Demenz zusammenhängen. In einer Pressemitteilung beschreibt Bassett ihre Forschung mit den Worten:

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Wir versuchen zu verstehen, wie dynamische Flexibilität von Gehirnnetzwerken kognitive Flexibilität vorhersagen kann oder die Fähigkeit, von Aufgabe zu Aufgabe zu wechseln. Wir glauben, dass die exekutive Funktion ein Prozess auf Netzwerkebene ist, statt von der Aktivität einzelner Bereiche des Gehirns gesteuert zu werden.

Die Knoten im Netzwerk, die am meisten in Rekonfigurationen involviert sind, sind kognitive Kontrollbereiche im frontalen Kortex. Mehr Flexibilität im frontalen Kortex bedeutete mehr Genauigkeit bei der Gedächtnisaufgabe, und eine konsistentere Konnektivität zwischen dem frontalen Kortex und anderen Regionen war noch prädiktiver.

Durch die Überwachung der Pegelaktivität neuronaler Netzwerke im frontalen Kortex des Gehirns – einer Region, die mit der Kontrolle über Gedanken und Handlungen verbunden ist -, die im Großhirn untergebracht ist (lateinisch für Gehirn), konnten die Forscher verschiedene Grade kognitiver Flexibilität messen. Bassett et al. Stellten fest, dass diese Netze sich flexibler rekonfigurieren, wenn jemand von Aufgabe zu Aufgabe wechselt, um seine kognitive Flexibilität vorauszusagen.

"Disconnecting" Frontal Cortices verbessert die kognitive Flexibilität

In einer früheren Studie vom April 2015, "Lerninduzierte Autonomie sensomotorischer Systeme", die in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht wurde, berichtete Bassett, dass Menschen, die die Fähigkeit hatten, ihre frontalen Kortizes zu "trennen", schnell besser reagierten, wenn Forscher die Verbindungen zwischen verschiedenen untersuchten Gehirnregionen als Teilnehmer gelernt, ein einfaches Spiel zu spielen.

William James (1842-1910) um 1890

Quelle: Notman Studios / Public Domain

Bassetts Verwendung des Wortes " Disconnect ", um die Abkoppelung des frontalen Kortex zu beschreiben, sprang auf mich über, weil es die zeitlose Weisheit von William James aus mehr als einem Jahrhundert widerspiegelt, als er die kognitive Flexibilität im Evangelium der Entspannung mit einer anderen Sprache beschrieb.

Im Jahr 1911 schrieb James: " Entwirren Sie mit einem Wort Ihre intellektuelle und praktische Maschinerie und lassen Sie sie frei laufen; und der Dienst, den es leisten wird, wird doppelt so gut sein. "Als Athlet und Schriftsteller habe ich James 'Ratschlag," deine intellektuelle Maschinerie auszustrecken "immer als eine andere Art zu sagen," entkoppelt "deinen frontalen Kortex zu interpretieren, immer interpretiert überdenken.

In der Studie vom April 2015 entdeckten die Forscher, dass Teilnehmer, die eine verminderte neurale Aktivität im frontalen Kortex zeigten, am schnellsten lernten. Bassett stellte fest, dass Teilnehmer, die eine hohe Aktivität im frontalen Kortex zeigten, während sie versuchten, die anstehende Aufgabe zu meistern, ein einfaches Problem übertönten und erstickten.

Warum sollten die schnellsten Lernenden im präfrontalen Kortex weniger Aktivität zeigen? Meine Vermutung ist, dass es etwas mit den Purkinje-Zellen des Kleinhirns zu tun hat (Latein für kleines Gehirn). Dies ist meine persönliche Hypothese, basierend auf Gesprächen mit meinem Vater.

Die meisten Experten glauben, dass die kognitiven Kontrollzentren des frontalen Kortex für das verantwortlich sind, was als "Exekutivfunktion" bekannt ist. Die zerebralen Aspekte der exekutiven Funktion sind mit Dingen verbunden wie: Machen und Durcharbeiten von Plänen, Erkennen und Vermeiden von Fehlern und anderem Denkarten höherer Ordnung. Es ist klar, dass exekutive Funktionen für komplexe Aufgaben notwendig sind, aber es wird zunehmend angenommen, dass zu viel Gehirndenken unter bestimmten Umständen tatsächlich ein Hindernis darstellen könnte.

Der frontale Kortex und der anteriore cinguläre Kortex sind zwei der jüngsten Regionen des Gehirns, die sich vollständig in Menschen entwickeln. Bassett weist darauf hin: "Es scheint, als ob diese anderen Teile den langsameren Lernenden im Weg stehen. Es ist fast so, als würden sie sich zu sehr anstrengen und es überdenken. "Hinzufügen:" Der Grund dafür ist, dass diese beiden Bereiche Knotenpunkte des kognitiven Kontrollnetzwerks sind. Es sind die Menschen, die die Kommunikation zu diesen Teilen ihres Gehirns am schnellsten abbrechen können, wenn sie am steilsten in ihren Abschlusszeiten ablegen. "

In ihrer jüngsten Studie fanden Bassett et al. Heraus, dass Teilnehmer, die am besten im Wechsel zwischen verschiedenen Aufgaben am besten waren, die höchste Neuanordnung von Verbindungen innerhalb ihrer frontalen Kortexe sowie die meisten neuen Verbindungen mit anderen Bereichen ihres Gehirns zeigten. Dies legt nahe, dass die frontalen Kortizes "nicht geklemmt" sind und frei laufen können, was, wie ich glaube, kognitive Flexibilität und Suprafluidität erzeugt.

Was ist Superfluidität?

Beim Lesen der neuesten Erkenntnisse von Bassett beim Frühstück heute Morgen wurde ich an einen Blogeintrag von Psychology Today erinnert, den ich letzte Woche geschrieben habe: "Warum übertönt der kreative Prozess?" Die neue Studie von Bassett scheint meine Hypothese zu stützen, dass das Präfrontale "gelöst" wird Kortex erleichtert das, was ich "Superfluidität" des Denkens nenne, und das ist kognitive Flexibilität in ihrer besten Form. Superfluidität war der Untertitel des letzten Kapitels meines ersten Buches und ist der Haupttitel meines nächsten Buches.

Im Jahr 2014 hielt ich einen Vortrag an der Columbia University mit dem Titel "Superfluidität: Optimierung der Plastizität des Gehirns für ein gesünderes Leben." Auf pp xiv-xv von The Athletes Way beschreibe ich meine persönliche Entdeckung der Suprafluidität:

Als Athlet konnte ich mich aus dem Alltag befreien, wenn ich körperlich hart arbeitete und meine Vorstellungskraft nutzte. Schweiß, Musik und Mythologie verbanden sich zu einem mystischen Gebräu, einem lebensspendenden Elixier. Mythen packten mich irgendwo tief in mir. Sie sind in meine Wirbelsäule geraten. Es war eine metaphysische Erfahrung für mich als Teenager, weil ich erkannte, dass ich und die "anderen" eins waren. Diese Erfahrung der vollständigen Verbundenheit ist das, was ich Suprafluidität – das episodische Gefühl des Bestehens ohne jegliche Reibung oder Viskosität – geprägt habe – einen Zustand reiner Glückseligkeit, den ich in diesem Buch untersuchen werde.

Superfluidität ist ein Begriff, den ich aus der Welt der Physik entlehnt habe, um die höchste Form von "Strömung" zu beschreiben. Technisch gesehen ist Suprafluidität, wenn sich Materie wie eine Flüssigkeit mit absolut null Reibung und Nullviskosität verhält und die Fähigkeit zum Selbstantrieb zeigt. Reisen auf eine Weise, die sowohl den Kräften der Schwerkraft als auch der Oberflächenspannung trotzt.

Ich glaube, dass "Eureka!" -Momente auftreten, wenn Geist, Körper und Gehirn überflüssig werden. Carl Jung hat einmal gesagt: "Das Wort 'Glaube' ist eine schwierige Sache für mich. Ich glaube nicht. Ich muss einen Grund für eine bestimmte Hypothese haben. Wohin ich "etwas weiß, und dann weiß ich es – ich muss es nicht glauben"

Superfluidität in Bewegung. Christopher Bergland überquerte die Dreifach-Ironman-Ziellinie nach 38 Stunden Nonstop-Schwimmen (7,2 Meilen), Radfahren (336 Meilen) und Laufen (78,6 Meilen) nacheinander.

Quelle: Dawn Mann / Mit Erlaubnis verwendet

Weil ich während der Spitzenerfahrungen als Athlet Superfluidität erfahren habe, habe ich meine Fühler nach Hinweisen gesucht, die helfen, das Rätsel zu lösen, wie psychologische Zustände von Suprafluidität entstehen und wie sie mit Gehirnfunktion und -struktur verbunden sind. Ich weiß, dass Superfluidität das Gegenteil von Ersticken ist oder in einer Schleife von "Furchen-ähnlichem" Denken stecken bleibt, jetzt geht es darum, empirische Forschung zu finden, um meine Hypothese zu beweisen.

Für mich war Ultra Endurance eine Suche nach den archetypischen Ideen von Joseph Campbell in The Power of Myth . Als Teil meiner "Hero's Journey", romantisierte ich den ho-hum täglichen Alltag des Stadtlebens und ging auf Abenteuer, die mich weit, weit weg führten. Der Triple Ironman zu gewinnen, den Badwater Ultramarathon zu beenden und einen Guinness Weltrekord zu halten, um in 24 Stunden auf einem Laufband 153,76 Meilen zu laufen, war vergleichbar mit der Verfolgung des Heiligen Grals.

Das erste Mal, dass ich den Triple Ironman gewann – das ist der längste Nonstop-Triathlon der Welt – schwamm ich 7,2 Meilen, radelte 336 Meilen und lief 78,6 Meilen hintereinander in 38 Stunden und 46 Minuten. Ich habe den Triple Ironman drei Jahre hintereinander gewonnen. Jedes Mal, wenn ich die Ziellinie überquerte, war ich wahrscheinlich perplexer darüber, wie mein Körper diese Entfernungen zurückgelegt hatte, als jeder der Zuschauer.

Alle meine ultra-racing Siege waren außerkörperliche und jenseitige superflüssige Erfahrungen. Zum Beispiel, als ich zum ersten Mal den dreifachen Ironman absolvierte, fühlte ich mich, als würde ich durch die letzten drei Marathons fliegen. Obwohl ich 24 Stunden nonstop unterwegs war und bereits 7,2 Meilen geschwommen bin und 336 Meilen gefahren bin, hatte ich keine Schmerzen in meinem Körper und meine Energie war unendlich. Es war, als wäre ich in eine unendliche Energiequelle gesteckt und es gab keine Reibung oder Viskosität, als ich meinen Körper durch Zeit und Raum trieb.

Eines Tages stolperte ich über die Physik der Superfluidität und sagte … JA! Das ist es. So fühlt es sich an, einen Triple Ironman in 38 Stunden zu absolvieren. Oben ist ein BBC-Clip, der das Phänomen der Suprafluidität erklärt.

In der dreidimensionalen Welt der menschlichen Erfahrung erscheint es eindeutig verrückt, die eigene Lebenserfahrung und Psychologie mit Helium am absoluten Nullpunkt zu vergleichen. Aus diesem Grund habe ich mich auf Bücher wie Die Vielfalt der religiösen Erfahrung von William James und Ecstasy in säkularen und religiösen Erfahrungen von Marghanita Laski verlassen, um mir dabei zu helfen, die potentiell verblüffende Erfahrung von Suprafluidität intellektuell zu verstehen.

Autismus bietet wertvolle Hinweise auf kognitive Flexibilität

Oftmals bietet eine neurologische Störung oder ein kognitives Defizit wertvolle Einblicke in die Struktur, Funktion und Interkonnektivität verschiedener Hirnregionen in ihrer besten Form und in Zeiten, in denen sie weniger als. Aus einer positiven Psychologie Perspektive, Martin EP Seligman oft beschrieben, das Ziel der traditionellen Psychologie ist es, Menschen "von einem minus fünf auf eine Null." Das Ziel der positiven Psychologie ist es, Menschen "nördlich von Null" oder zu einem Plus fünf.

Mit dieser Skala bezüglich der kognitiven Flexibilität haben Forscher herausgefunden, dass Menschen mit Autismus-Spektrum-Störungen dazu neigen, "südlich von Null" zu sein. Auf der anderen Seite hat das Erreichen von Suprafluidität das Potenzial, jemanden "nördlich von fünf" zu nehmen.

Im Jahr 2014 fanden Forscher an der Medizinischen Fakultät der Stanford University heraus, dass sich bestimmte Gehirnnetzwerke bei Kindern mit Autismus nicht viel ändern, wenn sie aus einem Ruhezustand in die Beschäftigung mit einer Aufgabe wechseln. Die Gehirne von Kindern mit Autismus zeigen Inflexibilität beim Wechsel von Ruhe zu Aufgabenleistung.

Die Forscher fanden heraus, dass je stärker diese Inflexibilität des Gehirns auftritt, desto schwerwiegender erscheinen die Manifestationen eines Kindes von sich wiederholenden und restriktiven Verhaltensweisen, die Autismus charakterisieren. Die Juli-Studie 2014, "Brain State Differenzierung und Verhaltensstarre bei Autismus" wurde im Cerebralen Cortex veröffentlicht . In einer Pressemitteilung sagte Lucina Uddin, PhD, eine Hauptautorin der Studie:

Wir wollten die Idee testen, dass ein flexibles Gehirn für flexibles Verhalten notwendig ist. Was wir fanden, war, dass über eine Reihe von Gehirnverbindungen, die als wichtig für den Wechsel zwischen verschiedenen Aufgaben bekannt sind, Kinder mit Autismus eine verringerte "Gehirnflexibilität" im Vergleich zu typischerweise sich entwickelnden Gleichaltrigen zeigten.

Die Forscher konzentrierten sich auf ein Netzwerk von Hirnarealen, die sie zuvor untersucht hatten. Diese Bereiche sind an Entscheidungen beteiligt, führen soziale Aufgaben durch und identifizieren relevante Ereignisse in der Umgebung, um Verhaltensweisen zu steuern. Die vorherige Arbeit des Teams zeigte, dass bei Kindern mit Autismus die Aktivität in diesen Bereichen enger verbunden war, wenn das Gehirn in Ruhe war als bei Kindern, die keinen Autismus hatten.

In einer anderen Studie von 2014, die in Frontiers in Neuroinformatics von der Case Western Reserve University und der University of Toronto veröffentlicht wurde, berichteten die Wissenschaftler, dass die Gehirne autistischer Kinder mehr Informationen in Ruhe erzeugen. Tatsächlich erzeugten Kinder mit Autismus durchschnittlich 42% mehr kognitive Informationen im Ruhezustand als nicht-autistische Kinder. Diese übermäßige Produktion von Informationen und die Unfähigkeit zu "entkleiden" könnte die Loslösung eines Kindes von seiner Umwelt erklären. Auch dies ist meine persönliche Hypothese.

Viele Studien haben kürzlich das Kleinhirn mit Autismus-Spektrum-Störungen verbunden, was erklären könnte, warum das Großhirn Überstunden machen muss. Ich habe ausführlich über die Forschung, die die Störungen des Kleinhirns und des Autismus-Spektrums verbindet, geschrieben, für einen Link zu meinen früheren Beiträgen von Psychology Today zu diesem Thema hier klicken.

In einer Pressemitteilung sagte Roberto Fernández Galán, PhD, Senior Autor und Associate Professor für Neurowissenschaften an der Case Western Reserve School of Medicine: "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass autistische Kinder nicht an sozialen Interaktionen interessiert sind, weil ihre Gehirne mehr Informationen im Ruhezustand erzeugen wir interpretieren es als mehr Introspektion im Einklang mit frühen Beschreibungen der Störung. "

Die Forscher erklärten in einer Pressemitteilung, dass ihre Ergebnisse die "Intense World Theory" des Autismus unterstützen, die von den Neurowissenschaftlern Henry und Kamila Markram vom Brain Mind Institute in der Schweiz vorgeschlagen wurde. Der ASA des Markrams ist das Ergebnis einer hyperfunktionalen neuronalen Verschaltung, die zu einem Zustand der Übererregung führt.

Schlussfolgerung: Wie ist das Kleinhirn an die Superfluidität und kognitive Flexibilität gekoppelt?

Nachdem ich mich aus dem Sport zurückgezogen hatte, wandte ich mich an meinen Vater – Neurowissenschaftler, Neurochirurg und Autor von The Fabric of Mind (Viking) – , um meine persönliche kognitive Flexibilität zu optimieren und die Neurowissenschaft hinter den Erfahrungen mit "Superfluidität" zu dekonstruieren hatte als Sportler.

Gemeinsam haben wir das Split-Brain-Modell von The Athletes Way ins Leben gerufen , das das Kleinhirn in den Mittelpunkt stellt und die Bedeutung der Optimierung der Konnektivität zwischen allen vier Gehirnhemisphären für die kognitive Flexibilität und Spitzenleistung betont.

Eine optimale Interkonnektivität zwischen "Knoten" in allen vier Gehirnhälften kann die kognitive Flexibilität fördern.

Quelle: Illustration und Foto von Christopher Bergland

Oben ist eine rudimentäre Skizze, die ich gezeichnet habe, um zu veranschaulichen, wie Suprafluidität und kognitive Flexibilität auftreten, wenn es eine optimale Interkonnektivität zwischen beiden Hemisphären des Großhirns und beiden Hemisphären des Kleinhirns gibt. Das "up brain-down brain" -Modell ist meine ursprüngliche Hypothese und ein work in progress … Bleibt dran!

Wenn du mehr zu diesem Thema lesen möchtest, schau dir meine Blog-Einträge von Psychology Today an :

• "Superfluidität: Höchstleistung jenseits eines Fließzustands"
• "Warum verbessert körperliche Aktivität die kognitive Flexibilität?"
• "In Richtung eines neuen Split-Brain-Modells: Up Brain-Down Brain"
• "Die Neurowissenschaft der Superfluidität"
• "Superfluidität: Die Psychologie der Höchstleistung"
• "Zu viel kristallisiertes Denken senkt die flüssige Intelligenz"
• "Die Neurowissenschaften von Madonnas anhaltendem Erfolg"
• "Das Kleinhirn, Hirnrinde und Autismus sind miteinander verflochten"
• "Möchten Sie Ihre kognitiven Fähigkeiten verbessern? Geh auf einen Baum! "
• "Mehr Forschung verbindet Autismus und das Kleinhirn"
• "Wie verhindert Ihr Kleinhirn Lähmung durch Analyse?"
• "Das Kleinhirn beeinflusst tief unsere Gedanken und Gefühle"
• "Das Kleinhirn Mai Sei der Sitz der Kreativität "

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