När hjärnan utsätts för påfrestningar börjar vissa nervsignaler att svänga synkront – ungefär som i en välrepeterad orkester. En ny studie som genomförts vid Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz (JGU) visar för första gången hur flexibelt denna neurala synkronisering anpassas till olika situationer och att denna dynamiska samordning är nära kopplad till kognitiva förmågor.

”Specifika signaler i den mellersta frontala regionen i hjärnan är bättre synkroniserade hos personer med högre kognitiv förmåga – särskilt under krävande tankefaser”, förklarar professor Anna-Lena Schubert från Institute of Psychology vid JGU, försteförfattare till studien, som nyligen publicerades i Journal of Experimental Psychology: General. Forskarna fokuserade på den mellersta frontala regionen i hjärnan och den mätbara samordningen av så kallade theta-vågor. Dessa hjärnvågor svänger mellan fyra och åtta hertz och hör till de långsammare nervfrekvenserna. ”De tenderar att uppstå när hjärnan är särskilt utmanad, t.ex. när vi koncentrerar oss eller när vi medvetet måste kontrollera vårt beteende”, säger Schubert, som leder laboratoriet för analys och modellering av komplexa data vid JGU.

Personer med starkare Theta-konnektivitet i den mellersta frontala regionen har ofta bättre förmåga att koncentrera sig trots distraktioner

De 148 deltagarna i studien, som var mellan 18 och 60 år gamla, fick först genomgå tester för att bedöma deras minne och intelligens innan deras hjärnaktivitet registrerades med hjälp av elektroencefalografi (EEG). Denna procedur mäter små elektriska signaler i hjärnan med hjälp av elektroder som fästs i hårbotten och är en beprövad teknik för att få exakta insikter i kognitiva processer. Under EEG-registreringen genomförde deltagarna tre mentalt krävande uppgifter som var utformade för att bedöma kognitiv kontroll.

Forskarna var intresserade av deltagarnas förmåga att flexibelt kunna växla mellan olika regler, vilket är en viktig aspekt av intelligent informationsbearbetning. Deltagarna fick t.ex. trycka på en knapp för att avgöra om ett tal var jämnt eller udda och kort därefter om det var större eller mindre än fem. Varje regeländring krävde en snabb justering av mentala strategier – en process som gjorde det möjligt för forskarna att noga observera samordningen av nätverk i hjärnan i realtid.

Resultatet: individer med högre kognitiv förmåga uppvisade särskilt stark synkronisering av thetavågor vid avgörande ögonblick, särskilt under beslutsfattandet. Deras hjärnor var bättre på att behålla fokuserade tankar när det gällde. ”Personer med starkare theta-koppling i den mellersta frontala regionen är ofta bättre på att koncentrera sig och stänga ute distraktioner, oavsett om det är en mobiltelefon som vibrerar medan de arbetar eller om de försöker läsa en bok på en livlig tågstation”, förklarar Schubert.

Studien ger viktiga insikter i hur intelligens fungerar på neuronnivå

Professor Anna-Lena Schubert blev särskilt förvånad över hur nära kopplad denna samordning av hjärnans rytmer är till kognitiva förmågor. ”Vi förväntade oss inte att kopplingen skulle vara så tydlig”, säger hon. Den avgörande faktorn var inte kontinuerlig synkronisering, utan hjärnans förmåga att justera sin timing flexibelt och kontextuellt – som en orkester som följer en erfaren dirigent. Den midfrontala regionen anger ofta tonen för denna samordning, men den arbetar tillsammans med andra delar av hjärnan. Denna midfrontala theta-anslutning verkar vara särskilt relevant när beslut fattas, men inte under mental förberedelse för nya uppgiftsregler.

I tidigare EEG-studier av kognitiva prestationer har man mestadels undersökt aktiviteten i isolerade hjärnregioner. I den här studien har man däremot utgått från ett nätverksbaserat synsätt och undersökt hur olika områden samverkar under flera olika uppgifter för att identifiera stabila, övergripande mönster. Resultaten visar att individuella skillnader i kognitiv prestation är relaterade till hjärnans dynamiska nätverksbeteende. Enligt forskarna ligger potentiella tillämpningar som hjärnbaserade träningsverktyg eller diagnostik fortfarande långt fram i tiden. Studien skulle dock ge en viktig grund för att förstå hur intelligens fungerar på neuronal nivå. I en uppföljningsstudie, till vilken deltagare i åldern 40 år och äldre från Rhein-Main-regionen för närvarande rekryteras, kommer man att undersöka vilka biologiska och kognitiva faktorer som ytterligare stöder denna typ av effektiv hjärnkoordinering och vilken roll andra kognitiva förmågor som bearbetningshastighet och arbetsminne spelar.