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 силе 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 данных о творческом поведении из самоотчётов и достижений 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 систем - 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 проблем, 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 силы 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. функциональной связности) во время решения людьми различных задач, которыми оценивают творческую когницию 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 так же сети выявления значимости, состоящей из билатерального островка и передней поясной извилины (7). Основываясь на двухпроцессных теориях творческой когниции (8), которые подчеркивают 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 когниции 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 соединения между областями системы режима по умолчанию и выявления значимости, который предшествовал процессу соединения 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-орентированных 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 МРТ, и 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 сила 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 выдающихся участников в этом наборе данных. Чтобы дополнительно оценить прогностическую силу этой нейронной модели, мы провели три внешних валидационных анализа с использованием данных fMRI в озадаченности и fMRI в состоянии покоя, полученных из двух разных лабораторий, и проверили, может ли функциональная связность в этом коннектоме предсказать творческое поведение в независимых выборках.
Результаты
Определение сети и нейроанатомия
Данные функциональной визуализации были получены по мере того, как участники выполняли классическую задачу на дивергентное творческое мышление, где участникам предъявлялся намёк на объект, и они должны были придумать для него необычное и творческое применение. Творческое качество ответов, полученных во время задачи в фМРТ, а также двух различных задач мышления, выполненных вне сканера, оценивалось четырьмя обученными оценщиками по пятибалльной шкале (19). Используя моделирование скрытой переменной (рис. S1), мы обнаружили, что оценки креативности сильно коррелируют с самооценкой творческого поведения и достижений в области искусства и науки [r (161) = 0,54, P <0,001] - в соответствии с прошлой работой (20) - предполагая, что эти оценки отражают экологически обоснованный маркер творческих способностей.
<…>
В сети с высоким уровнем креативности были обнаружены плотные функциональные связи в преимущественно лобных и теменных кортикальных областях (рис. 1). В соответствии с прошлой работой, области, показывающие наивысшую степень (k; то есть количество функциональных соединений), соответствуют центральным узлам сети режима по умолчанию [например, левая задняя поясная извилина; поле Бродмана (BA) 23; k = 19], сети выявления значимости (например, левая передняя островковая доля; BA 45; k = 14) и лобно-теменная/исполнительная сеть (например, правая дорсолатеральная префронтальная кора; BA 9; k = 8). Из 25 узлов с высшей степенью в сети с высоким уровнем креативности 12 находились в сети по умолчанию, 4 - в пределах сети выявления значимости/cingular-opercular network, а 3 - в лобно-теменной/исполнительной сети. Сеть с низким уровнем креативности показала диффузные связи по всему мозгу, наиболее заметно в подкорковых/стволовых структурах (например, левый таламус; k = 14), в сети по умолчанию (например, левая задняя поясная извилина; BA 23; k = 23), и в мозжечке. Из 25 узлов с высшей степенью в сети с низким уровнем креативности 8 находились в подкорковых/стволовых структурах, 5 - в сети по умолчанию, а 4 - в мозжечке.
[картинка]
<…>
Обсуждение
Используя недавно разработанный метод анализа данных фМРТ - прогностическое моделирование на основе коннектома, мы обнаружили сеть мозга, связанную с эффективностью классической оценки общих творческих способностей мышления. Эта высоко креативная сеть демонстрирует плотные функциональные связи между основными узлами систем режима по умолчанию, исполнительной системы и системы выявлениия значимости - сетей, которые обычно работают в оппозиции, - что свидетельствует о том, что творческий мозг характеризуется тенденцией одновременно задействовать эти крупномасштабные сети более активно, чем менее творческий мозг. Критически, мы демонстрируем надежность модели в прогнозировании творческих способностей по трем независимым наборам данных, полученным из двух разных лабораторий, включая два образца фМРТ в состоянии озадаченности и один образец в неозадаченном состоянии покоя. Взятые вместе, полученные данные свидетельствуют о том, что способность к творческому мышлению может быть надежно предсказана на основе уникального профиля связей мозга.
Нейроанатомия творческой сети очень похожа на паттерны функциональной связи, о которых сообщалось в недавних исследованиях творческой когниции (1). В частности, мы обнаружили, что области, демонстрирующие наибольшее количество значительно коррелированных функциональных связей, соответствуют центрам трех крупномасштабных сетей головного мозга: режима по умолчанию (задняя поясная извилина), исполнительной (правая дорсолатеральная префронтальная кора) и выявления значимости (левая передняя островковая доля). Эти регионы показали повышенную функциональную связность в недавнем исследовании с фМРТ дивергентного мышления (11), в котором также сообщалось о положительной корреляции между индивидуальными показателями креативности и глобальной эффективностью в нескольких областях, состоящих из основных узлов этих трех сетей, в соответствии с профилем связности, относящимся к высоким творческим способностям, представленном в настоящем исследовании. Примечательно, что нейровизуализационные исследования художественного исполнения также сообщали о функциональной взаимосвязи между областями в этих сетях (12, 24, 25), предполагая, что способность коактивировать системы мозга, которые склонны работать в оппозиции в покое и во время сложных когнитивных задач (14), может отражать общий механизм обработки творческой информации.
Сеть с низким уровнем креативности в основном состояла из подкорковых, мозжечковых и сенсомоторных областей мозга. Хотя у нас не было априорной гипотезы о сети с низким уровнем креативности, стоит отметить несколько моментов. Что касается нейроанатомии, регионы, показывающие наибольшее количество связей в сети, реже сообщаются в нейровизуальных исследованиях творческой когниции (5, 6), что позволяет предположить, что они менее актуальны для успешного выполнения задач творческого мышления. Таким образом, одно из предположений заключается в том, что способность к низкому творчеству характеризуется повышенным взаимодействием между областями мозга, которые не поддерживают творческую когницию. Хотя сеть включала в себя некоторые области систем по умолчанию и характерных систем, более тщательное изучение паттерна связности показало, что эти системы не были функционально связаны - как и в сети с высоким уровнем креативности - но скорее показали более сильную связь с подкорковыми, сенсомоторными и мозжечковыми областями. Предыдущие данные показали, что в этих регионах поддерживаются процедурные (привычные) ответы, что говорит о том, что мало креативные люди скорее всего извлекают лишь кешированные или ранее изученные ответы (26). В свете прошлой работы, связывающей активность по умолчанию с сильными семантическими ассоциациями (27) и тенденциями автоматического ответа (28), способность к низкому творчеству может характеризоваться неспособностью превзойти существенные концептуальные знания при использовании представлений в памяти в сети по умолчанию. Таким образом, пытаясь генерировать оригинальные идеи, люди с низким уровнем креативности могут активировать общие, кэшированные семантические ассоциации, которые, в свою очередь, неэффективно регулируются исполнительной сетью, которая в высококреативном мозге способна функционировать для подавления тенденций выдачи преобладающего ответа и перенаправления поисковых процессов (29).
<…>
Координация сетей режима по умолчанию, исполнительной сети и сети выявления значимости согласуется с недавней моделью динамики мозга, поддерживающей творческую когницию (1). Согласно этой модели, сеть по умолчанию способствует генерации идей с помощью гибких и спонтанных комбинаторных механизмов, задействованных в извлечении из памяти и ментальном моделировании. Сеть выявления значимости, в свою очередь, функционирует для идентификации идей-кандидатов -- потенциально полезной информации, сгенерированной с помощью сети режима по умолчанию -- и передачи такой информации во фронтально-теменные исполнительные системы для высокоуровневой обработки (например, оценки идеи, уточнения или пересмотра). Хотя модель предполагает последовательное развитие процесса генерации и оценки идей, последние данные свидетельствуют о том, что исполнительные системы могут взаимодействовать с текущими генерирующими процессами в сети режима по умолчанию, накладывая тем самым ограничения на производительность и поддержание целей более высокого порядка (1). Таким образом, поддержание цели может принести пользу творческой деятельности, направляя и ограничивая спонтанную когницию для достижения определенных творческих целей (31).
Творчество остается сложной концепцией, которая потребует значительных дальнейших исследований, чтобы раскрыть его многочисленные проявления в мозге. В отличие от некоторых аспектов познания, которые были надежно локализованы в определенных областях мозга, сложные концепции, такие как креативность, вероятно, являются продуктом аналогично сложных нейронных механизмов, которые задействуют весь мозг. Таким образом, в дополнение к решению классических вопросов, связанных с тем, где творчество происходит в мозге, многообещающим направлением будущих исследований будет сосредоточение на том, как мозг мыслит творчески. Сетевые подходы особенно хорошо подходят для решения таких вопросов, поскольку они могут приспосабливаться к сложному взаимодействию нескольких нейрокогнитивных процессов (например, извлечение из памяти, психическое моделирование и когнитивный контроль). Мы поощряем будущие исследования для дальнейшего изучения творческого мышления мозга в различных контекстах задач и разработки поведенческих и нейронных вмешательств (например, с использованием стимуляции мозга) для повышения творческой эффективности путем нацеливания на крупные сети и их динамические взаимодействия.