Надежное прогнозирование индивидуальных творческих способностей на основе функциональной связности мозга

Значение

Способность людей производить креативные идеи имеет ключевое значение для технического и культурного прогресса. Несмотря на достижения в области нейробиологии творчества, ей не хватает ясности относительно того, определяет ли специфическая нейронная архитектура высококреативный мозг. Используя методы сетевой нейробиологии, мы смоделировали индивидуальную способность к творческому мышлению как функцию изменения функциональной связности всего мозга. Мы определили мозговую сеть, связанную с творческими способностями, состоящую из областей режима по умолчанию, выявления значимости и исполнительной систем - нейронных цепей, которые часто работают в оппозиции. По четырем независимым наборам данных мы демонстрируем, что способность человека генерировать оригинальные идеи можно надежно предсказать по функциональной связности в этой сети, что указывает на то, что способность к творческому мышлению характеризуется четким профилем связности мозга.

Резюме

Способность людей мыслить творчески является основным средством технического и культурного прогресса, однако нейронная архитектура высококреативного мозга остается в значительной степени неопределенной. Здесь мы использовали недавно разработанный метод анализа функциональной визуализации мозга - прогнозирующее моделирование на основе коннектома - для идентификации мозговой сети, связанной с высокими творческими способностями, с использованием данных функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), полученных от 163 участников, выполнявших задачи на дивергентное мышление. На поведенческом уровне мы обнаружили сильную корреляцию между способностью к творческому мышлению и предоставленными данными самоотчётов испытуемых о творческом поведении и достижениях в области искусства и науки (r = 0,54). На нейронном уровне мы обнаружили паттерн функциональной связности мозга, связанный с высокой креативностью мышления, состоящий из лобной и теменной областей в пределах режима по умолчанию, выявления значимости и исполнительной систем мозга. В анализе исключающей перекрестной проверки мы показываем, что эта нейронная модель может надежно предсказать творческое качество идей, созданных выдающимися участниками в выборке. Кроме того, в серии анализов внешней валидации с использованием данных из двух независимых выборок фМРТ в режиме озадаченности и большой выборки фМРТ вне озадаченности в состоянии покоя мы демонстрируем надежный прогноз индивидуальной способности к творческому мышлению на основе одного и того же паттерна связности мозга. Таким образом, полученные данные показывают сеть масштабов всего мозга, связанную с высокими творческими способностями, состоящую из кортикальных узлов в рамках системы режима по умолчанию, выявления значимости и исполнительной систмы - внутренних функциональных сетей, которые, как правило, работают в оппозиции, - предполагая, что высокотворческие люди характеризуются способностью одновременного задействования этих крупномасштабных мозговых сетей.

***

Поведенческие и нейровизуализационные исследования начали раскрывать когнитивные и нейронные процессы, которые порождают новые и полезные идеи(1). Значительные исследования были сосредоточены на характеристике различий в способности к творческому мышлению, часто с использованием оценок дивергентного мышления, которые измеряют способность людей генерировать решения неограниченных временем задач, таких как изобретение новых способов использования объектов(2). Поскольку способность к дивергентному мышлению умеренно предсказывает реальные творческие достижения в искусстве и науке (3), считается, что такие лабораторные оценки обеспечивают надежный показатель общих творческих способностей. Однако, несмотря на прогресс в психологии и нейробиологии творчества, в этой области все еще не хватает ясности в отношении нейрокогнитивных характеристик, которые отличают высококреативный мозг (4). Таким образом, настоящее исследование направлено на то, чтобы выяснить, характеризует ли конкретный профиль связности мозга способность к творческому мышлению и определить, можно ли надежно предсказать индивидуальную креативность на основе функциональной связности в этой сети.

Используя функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ), в нескольких исследованиях были выявлены отдельные области мозга, которые обеспечивают выполнение словесных творческих задач, в основном локализованные в лобно-теменной и лобно-височной кортикальных слоях, участвующих в когнитивном контроле и поиске в семантической памяти соответственно (5, 6). Совсем недавно исследователи применили новые методы анализа данных фМРТ для изучения скоординированных паттернов нейронной активности в нескольких распределенных областях мозга (т.е. функциональную связность) во время решения людьми различных задач, которыми оценивают творческую познавательную способность и художественные способности, в том числе дивергентное мышление, производство фигуративных оборотов речи, музыкальную импровизацию, поэтическую композицию и изобразительное творчество (1). Эта работа подчеркивает вклад трех крупномасштабных систем мозга, которые динамически взаимодействуют для осуществления творческого выполнения задач: сети режима по умолчанию, состоящей из кортикальной средней линии [cortical midline] и задней нижней теменной областей; исполнительной (или лобно-теменной) сети, состоящей из латеральных префронтальных и передних нижних теменных областей; а также сети выявления значимости, состоящей из билатерального островка и передней поясной извилины (7). Основываясь на двухпроцессных теориях творческой познавательной способности (8), которые выделяют процессы генерации и оценки идей, современная модель сети мозга утверждает, что сеть режима по умолчанию поддерживает генерацию идей, а исполнительная сеть поддерживает их оценку (1, 9), в соответствии с их установленными ролями в умственном моделировании и исполнительной познавательной деятельности соответственно (7). Кроме того, сеть выявления значимости, которая производит выявление поведенчески значимых стимулов и способствует динамическому переключению между системой режима по умолчанию и исполнительных систем (10), может выявлять идеи-кандидатов, произрастающих из генеративных процессов в сети режима по умолчанию, и направлять такую информацию в исполнительные системы для обработки функциями более высокого порядка (9).

Недавнее исследование функциональной связности во время дивергентного мышления (11) сообщило о процессе сопряжения между областями системы режима по умолчанию и выявления значимости, который предшествовал процессу сопряжения областей системы режима по умолчанию и исполнительной системой, потенциально отражая динамические сдвиги в генерации и оценке идей во времени. Более того, участники, которые произвели более оригинальные ответы в задаче на дивергентное мышление, продемонстрировали более высокую глобальную эффективность (т.е. меньшее количество путей, необходимых для прохождения между данной парой областей мозга) в сети, состоящей из узлов режима по умолчанию, выявления значимости и узлов исполнительной сети. Этот паттерн функциональной связи наблюдался в нескольких контекстах задач, требующих производства творческих идей, включая исследования мозга профессиональных художников, занимающимися ориентированными на свой предмет задачами, находясь в сканере (12). Функциональная связь этих крупномасштабных систем особенно примечательна в свете прошлой работы, сообщавшей об отрицательной или «антикоррелирующей» взаимосвязи между сетями режима по умолчанию и исполнительной во время фМРТ в состоянии неозадаченного покоя (13), а также в свете различных задача-ориентированных парадигм, включая хорошо задокументированное обнаружение деактивации сети режима по умолчанию во время выполнения когнитивных задач (14).

В настоящем исследовании мы выдвинули гипотезу о том, что индивидуальные различия в способности одновременно задействовать системы режима по умолчанию, исполнительную и выявления значимости мозга могут обеспечить нейрофизиологический маркер способности к творческому мышлению. Мы проверили эту гипотезу на выборке из 163 участников, вовлеченных в задачу творческого мышления во время фМРТ, мы использовали прогностическое моделирование на основе коннектома (cpm) - метод, недавно разработанный для прогнозирования аспектов человеческого поведения (например, когнитивных способностей) по паттернам функциональной взаимосвязи всего мозга (15–17) - чтобы выяснить, можно ли надежно предсказать способность к творческому мышлению на основе уникального паттерна связей мозга. Прогностическая компетентность cpm была недавно продемонстрирована в исследованиях флюидного интеллекта (15) и непрерывного внимания (18), что позволило выявить достоверный прогноз этих поведенческих переменных у участников, чьи данные не использовались при построении модели (16). В данной работе мы стремились раскрыть «творческий коннектом» - сеть мозга, связанную со способностью к творческому мышлению, - и провести исключающий перекрестный валидационный анализ (т.е. внутреннюю валидацию), чтобы проверить, насколько функциональная связность внутри данной сети может надежно предсказать творческие способности участников. Чтобы дополнительно оценить прогностическую силу этой нейронной модели, мы провели три внешних валидационных анализа с использованием данных фМРТ в озадаченности и фМРТ в состоянии покоя, полученных из двух разных лабораторий, и проверили, может ли функциональная связность в этом коннектоме предсказать творческое поведение в независимых выборках.