научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

ПРОЦЕСС ОБУЧЕНИЯ И МОЗГОВАЯ АКРОБАТИКА

Если нейронные области  легко переключаются с одних партнеров по общению на других, процесс усвоения знаний улучшается

Если нейронные области  легко переключаются с одних партнеров по общению на других, процесс усвоения знаний улучшается

Если заглянуть в мозг, усваивающий новую информацию, то иногда удастся понаблюдать за образованием связей между нейронами. Такой мост между двумя нервными клетками "запаивает" в мозг новые знания. При поступлении новой информации одни синапсы образуются и закрепляются, а другие ослабевают, уступая место новым связям.

МОЖНО НАБЛЮДАТЬ И БОЛЕЕ ТОНКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ, НАПРИМЕР, КОЛЕБАНИЯ уровней сигнальных молекул или даже незначительный рост активности нервных клеток. В последние десятилетия ученые внимательно изучали микроскопические изменения, происходящие в процессе усвоения мозгом новой информации. И хотя благодаря данному детальному изучению было выявлено множество интересных фактов о синапсах, связывающих различные участки мозга, их все еще недостаточно. Нейробиологи пока не имеют полного представления о том, как  обучается человеческий мозг. Возможно, они рассматривали этот процесс на  слишком близком расстоянии. Когда речь заходит о нейробиологии процесса обучения, фокусировка на одних лишь синапсах не позволяет увидеть главного.

Благодаря новому, более широкому подходу ученые пытаются осмыслить масштабные изменения, обуславливающие процесс обучения. Исследуя смещение взаимодействий между множеством различных областей головного мозга, они начинают понимать механизмы захвата и удержания мозгом новой информации.

Такие исследования опираются на мощные математические знания. Специалисты в области человеческого мозга используют подходы и инструменты, разработанные другими науками, имеющими отношение к разного рода сетям, дабы в точных числовых выражениях раскрыть форму и функцию проводящих путей нервной системы, смещающихся в процессе обучения.

"Когда вы учитесь, это требует изменений не только в одной области мозга, - говорит Даниэлла Бассетт, нейробиолог из Университета Пенсильвании. - В действительности здесь задействовано множество различных областей". Комплексный подход подразумевает вопрос о том, что на самом деле происходит в вашем мозгу в процессе обучения? Бассетт спешит дать определение этой новой области "сетевой нейробиологии" и подойти к открытию новых горизонтов.

- Данное направление является весьма перспективным, - говорит нейробиолог Олаф Спорнс  из Университета Индианы в городе Блумингтон. По его словам, исследования Бассетт обладают большим потенциалом для ликвидации разрыва между изучением нейровизуализации и представлениями ученых о том, как  происходит обучение.

БАССЕТТ И ДРУГИЕ УЧЕНЫЕ УЖЕ НАШЛИ НАМЕКИ НА ТО, ЧТО СПОСОБНЫЙ НА БОЛЕЕ эффективное обучение мозг обладает гибкостью и способностью быстро перестраивать соединения с целью усвоения новых знаний. Некоторые области мозга всегда общаются с одними и теми же нейронными партнерами, редко переключаясь на другие. Но участки мозга, демонстрирующие бульшую гибкость, быстро меняют "собеседников". В нескольких исследованиях ученые стали свидетелями этой гибкости, наблюдая за тем, как сети перенастраиваются в процессе обучения человека, когда тот находится внутри томографа. Гибкость сетей может способствовать нескольким типам обучения, а ее избыток, как показывают исследования, может быть связан с такими расстройствами, как шизофрения.

Неудивительно, что некоторые исследователи спешат применить эту новую информацию, выискивая способы повышения гибкости мозга тех, чьи нейронные связи отличаются излишней жесткостью.

"Это довольно новые идеи", говорит когнитивный нейробиолог Рафаэль Джеррати из Колумбийского университета. По его словам, математических и вычислительных инструментов, необходимых для данного типа исследований, до недавнего времени просто не было. Поэтому люди не размышляли о процессе обучения с точки зрения крупномасштабных сетей, говорит Джеррати. Но теперь для исследований открыт своего рода "концептуальный" путь.

Такой концептуальный путь больше напоминает карту, состоящую из множества нейронных троп. Даже если человек учит что-то очень простое, для помощи ему задействуются довольно крупные участки мозга. Заучивание несложной последовательности движений, к примеру, выстукивание коротенькой мелодии на синтезаторе, пробуждает активность в той части мозга, которая управляет движениями пальцев. Это задание также задействует области мозга, участвующие в формировании зрительных образов, принятии решений, способности запоминать и планировать. А выстукивание чего-либо пальцами - довольно простой вид обучения. Во многих ситуациях этот процесс задействует еще большее количество областей мозга, интегрирующих информацию из нескольких источников, говорит Джеррати.

Он со своими коллегами зафиксировал проблески некоторых из этих взаимодействий путем сканирования мозга людей, изучавших ассоциации между двумя лицами. И только одно из них сопоставлялось с неким поощрением. В более поздних экспериментах исследователи проверили, действительно ли человек мог понять, что удача, связанная с одним лицом, распространяется и на лицо, чьим партнером он был ранее. Этот процесс, называемый "переносом обучения", - один из тех, что люди делают ежедневно.

Если нейронные области  легко переключаются с одних партнеров по общению на других, процесс усвоения знаний улучшаетсяМОЗГ УЧАСТНИКОВ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОКАЗАВШИХ ХОРОШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ в плане применения знаний о чем-то одном, обладал определенными характерными чертами. Связи между гиппокампом - структурой мозга, ответственной за память и вентромедиальную префронтальную кору головного мозга, которая в свою очередь связана со способностью к самоконтролю и принятию решений, - у хорошо обучаемых участников эксперимента были слабее, чем у людей, которым усвоение новой информации давалось с трудом. Томографические изображения, полученные через несколько дней после прохождения тестового задания, выявили характерные различия между головным мозгом представителей обеих групп. В ходе эксперимента выявились и другие нейросетевые различия среди означенных областей и крупных сетей, охватывающих мозг.

По данным исследования, проведенного нейробиологом Винодом Меноном из Стэндфордского университета и его коллегами, при сканировании мозга детей, испытывающих трудности с изучением математики, обнаружились, помимо прочего, неожиданные межнейронные связи. По сравнению с детьми, которые затруднений не испытывали, мозг детей с дискалькулией, сканировавшийся при выполнении математической задачи, показал больше нейронных связей, особенно между теми областями, которые участвуют в решении математических задач. Избыток межнейронных связей был описан в 2015 г. в научном журнале Developmental Science и оказался полной неожиданностью,  говорит Менон, поскольку в ходе предыдущих исследований высказывалось предположение о крайней слабости таких математически обусловленных сетей. Однако может оказаться, что большое количество связей создает систему, не способную к усвоению новой информации. -Идея заключается в том, что изобилующая нейронными связями система будет не столь восприимчива и эффективна, говорит он.

Необходимо установить гармоничное равновесие, отмечает Менон. Слишком слабые нейронные пути не могут переносить необходимую информацию, а пути, обладающие чрезмерным количеством связей, не позволят новой информации закрепиться. Но этим суть проблемы не ограничивается. Существует определенная специфичность. Некоторые соединения важнее других, все зависит от поставленных задач.

Нейронным сетям необходимо переносить информацию вокруг себя быстро, но плавно. Чтобы по-настоящему понять смысл этого перемещения как противопоставление данным, полученным с помощью статичных снимков, ученым нужно понаблюдать за тем, как мозг ведет себя в процессе обучения.

Следующий этап - выяснить, как в действительности перераспределяются сети, говорит Менон. Ответить на этот вопрос  помогут исследования Даниэллы Бассетт и других ученых.

Бассетт и ее коллеги зафиксировали эти изменяющиеся в процессе обучения сети. Добровольцам показали простые последовательности и попросили отстучать их на синтезаторе одновременно с проведением функциональной МРТ. На протяжении шести недель обучения нейронные сети в мозгу этих людей продемонстрировали подобие "суетливости". Некоторые связи становились сильнее, некоторые - слабее.

Если нейронные области  легко переключаются с одних партнеров по общению на других, процесс усвоения знаний улучшаетсяЛЮДИ, БЫСТРО НАУЧИВШИЕСЯ ВЫСТУКИВАТЬ ПРАВИЛЬНУЮ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ КЛАВИШ, продемонстрировали интересную нейронную черту: по мере обучения их мозг задействовал определенные связи между лобной долей - верхним слоем передней части головного мозга и передней поясной, расположенной ближе к середине мозга. Эта связь имела отношение к направлению внимания, постановке целей и планированию - навыкам, которые могут быть важными на ранних этапах обучения, а на поздних - уже нет, подчеркнула Бассетт. По сравнению с неуспевающими быстро обучаемые добровольцы с большей долей вероятности переместили эти связи, в результате чего повысилась эффективность работы их мозга.

Гибкость важна и для других видов обучения. Обучение методом проб и ошибок, при котором правильные ответы обеспечивают одобрение, а неправильные  не засчитываются, использует гибкость мозга по максимуму. Эта сеть включает в себя множество точек на коре (внешнем слое головного мозга) и в более глубокой структуре, известной как полосатое тело. В другой работе Бассетт и ее коллег, опубликованной в журнале Cerebral Cortex, выяснилось, что определенные области мозга способны на быстрое формирование и разрыв нейронных связей.

"Проведенное в ходе этих исследований наблюдение выявило гораздо более интересную сетевую структуру, чем предполагалось ранее, когда мы рассматривали только статичные снимки", - говорит Джеррати. По его словам, обучающийся мозг невероятно динамичен, а нейронные модули разрывают связи со своими партнерами и находят новых. Несмотря на различие нюансов в каждом следующем исследовании, основная общая черта остается неизменной.

- Похоже, часть знаний об окружающем мире делает некоторые части мозга более гибкими и способными поддерживать связь с самыми разными областями, - говорит Джеррати. - Процесс обучения требует гибкости".

Однако слишком хорошо тоже нехорошо. При выполнении задач по извлечению информации из памяти внутри томографического сканера у людей с шизофренией наблюдалась более высокая гибкость нейронных сетей, чем у здоровых, утверждает Бассет. Это наталкивает на мысль, что для здоровых людей гибкость опасности не несет, однако ее может быть слишком много.

Механизмы возникновения гибкости не известны, как и то, что именно ею управляет. Андреа Стокко, когнитивный нейробиолог из Университета Вашингтона в Сиэтле предполагает, что важную роль в процессе контроля гибкости играет группа глубинных структур мозга под названием "базальные ганглии". Он сравнивает эту область, включающую и полосатое тело, с авиадиспетчером, передающим информацию туда, где она более всего необходима. Одной из задач базальных ганглий, вероятно, является прекращение определенных процессов.

"Большую часть времени базальные ганглии блокируют что-либо", - говорит он. Другие ученые нашли доказательства того, что контролировать гибкость помогают ключевые центры коры головного мозга.

Исследователи пока не понимают связи показателей гибкости в различных областях мозга с микроскопическими изменениями, сопровождающими усвоение новой информации. Сегодня макро- и микрокартины процесса обучения - две отдельные реальности. Несмотря на отсутствие золотой середины, исследователи спешат найти признаки того, что нейронная гибкость может предоставить возможность улучшения способностей к обучению.

Возможно, что гибкость можно улучшить с помощью внешней стимуляции мозга. Людям, подвергшимся стимуляции, направленной на определенные цепи памяти, намного лучше удавалось вспомнить последовательности предложенных им слов. Некоторые специалисты утверждают, что раз стимуляция улучшает память, то может повысить и гибкость, а возможно, и способность к обучению.

ВСЕЛЯЮТ НАДЕЖДЫ И НЕКОТОРЫЕ ПРЕПАРАТЫ. Декстрометорфан, входящий в состав некоторых лекарств от кашля, блокирует белки, способствующие регуляции связей между нервными клетками. По сравнению с плацебо у здоровых людей данный компонент придает некоторым областям мозга бульшую гибкость и способность к быстрому переключению между нейронными партнерами.  Изучаются также возможности нейронной обратной связи - процесса, при котором люди пытаются изменить структуры своего мозга для повышения гибкости с контролем в реальном времени.

Повысить гибкость может также и нечто простое.  В рамках проекта под названием MyConnectome нейробиолог Расс Полдрак, работавший в Университете штата Техас в Остине, трижды в неделю на протяжении года повергался процедуре МРТ головного мозга, тщательно отслеживая различные показатели, включая настроение. Бассетт и ее команда применили математические инструменты к данным Полдрака, чтобы замерить его нейронную гибкость в каждый отдельно взятый день в поисках связей с его настроением. Результат оказался выдающимся: мозг Полдрака продемонстрировал максимальную гибкость в моменты наибольшего счастья, однако причины этого еще предстоит выяснить. Минимальную  гибкость сопровождало удивление.

Это результаты только одного человека,  поэтому неизвестно, насколько применимы они к другим. Более того, в исследовании определяется только связь, но не утверждается, что счастье вызывает бульшую гибкость и наоборот.

- Но идея интересная, - говорит Бассетт. - Конечно, ни один учитель не скажет, что считает трудновыполнимой  просьбу сделать детей счастливыми, чтобы они стали лучше учиться. Очень важно, однако, точно установить, каким именно образом счастье влияет на процесс усвоения новой информации, - подчеркивает она.

Исследовательская работа только начинается. Представленная  группа ученых уже дала аналитическую картину процесса обучения благодаря восприятию мозга как матрицы, состоящей из узлов и связей, которые легко могут смещаться, меняться местами и перегруппировываться. По словам Бассетт, более широкий взгляд на сетевую науку привносит целый ряд новых гипотез и способов их проверки.

Лора СЭНДЕРС, ScieneNews. США

Печатается с сокращениями

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 74 раз
Оцените материал
(0 голосов)
Теги мозг,
Другие материалы в этой категории: « ВПЕРВЫЕ В ИСТОРИИ НАУКИ ТАИНСТВЕННЫЕ РАДИОИМПУЛЬСЫ »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх