Ученые нашли способ неинвазивно «записывать» навыки в мозг человека
Лепка мозга (без стамески или скальпеля).Ученые разработали новый подход к обучению человека с помощью неинвазивного воздействия на паттерны мозговой активности.
Представьте, что можно внедрить в мозг человека новый паттерн активности, который позволит быстрее учиться или лучше справляться с психическими расстройствами и нарушениями развития, такими как депрессия или аутизм. А теперь представьте, что это можно сделать без хирургического вмешательства в мозг или каких-либо физических манипуляций. Звучит как научная фантастика?
Так и есть. Но именно к этому стремилась Коралин Иордан (Coraline Iordan), доцент кафедры мозга и когнитивных наук и нейробиологии в Рочестерском университете, впервые показав, что это можно сделать для изучения новых визуальных категорий объектов.
Как правило, обучение происходит, когда наш мозг меняется в результате опыта, учебы или инструкций. Но Иордан и его коллеги из Йеля и Принстона успешно протестировали новый подход к обучению человеческого мозга с помощью внешних манипуляций и нейронной обратной связи — то, что они называют “лепкой” паттернов мозговой активности. Исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук.
«С помощью нашего метода мы можем не только подтолкнуть сложные паттерны в мозге к известным, но и — впервые — напрямую записать новый паттерн в мозг и измерить, какое влияние это оказывает на поведение человека», — говорит ведущий автор исследования Иордан.
Лепка мозга — новый подход к обучению?
Учёные использовали нейровизуализацию в реальном времени и нейрообратную связь в режиме реального времени, чтобы изменить то, как мозг представляет и обрабатывает информацию о визуальных объектах. Участники исследования, лёжа внутри аппарата функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), смотрели на объекты, проецируемые на зеркало над их головами, которое выглядело как маленький экран. Объект — абстрактная форма, которую некоторые участники описали как лепесток, луковицу или бабочку, — мягко пульсировал на зеркале участников до тех пор, пока они не смогли «переместить» его с помощью собственных мыслительных процессов в соответствии с паттерном активности их мозга (отслеживаемой с помощью фМРТ в реальном времени), который учёные выбрали заранее. Исследователи попросили участников «создать ментальное состояние», которое уменьшило бы колебания формы, но не объяснили участникам исследования, как достичь такого ментального состояния.
«Одной из поразительных особенностей исследования является то, что нейронные реакции и соответствующее поведение в отношении новых категорий возникали без явного осознания этих категорий, что свидетельствует о том, что давняя традиция работы в области психологии, связанная с неявной обработкой, то есть способностью реагировать на значимую информацию вне осознанного восприятия, также распространяется на обучение и формирование новых нейронных представлений», — говорит соавтор Джонатан Коэн, когнитивный нейробиолог из Принстонского университета.
На этом смоделированном видео показан колеблющийся объект в центре, который участники исследования видели на своих экранах во время прохождения МРТ. Их задачей было создать такое состояние сознания, которое остановило бы колебания, и, сами того не зная, заставить свой мозг представлять объект так, чтобы он больше соответствовал паттерну активности, который учёные определили ранее. Чёрный квадрат в правом верхнем углу моделирует то, что учёные отслеживали в мозге участников. Пульсация объекта замедлилась, а затем прекратилась, как только белая точка достигла области, отмеченной как «сильное представление 1-й категории». (Видео предоставлено Коралиной Иордан)
Непосредственная обратная связь, которую получали участники исследования, означала, что изображение переставало дрожать на их экране, как только им удавалось представить визуальный объект более похожим на паттерн мозговой активности, который исследователи обозначили ранее, а не на то, как этот объект естественным образом представлялся в их мозге. Другими словами, учёные разработали метод, который заставлял людей изучать новые категории визуальных объектов не путём обучения их тому, что это за категории, а путём изменения работы их мозга, когда они смотрели на отдельные объекты в этих категориях.
«Вместо того, чтобы научить вас чему-то и измерить, как меняется ваш мозг, мы записали в ваш мозг новую категорию, которая появилась бы, если бы вы выучили её самостоятельно, — объясняет Иордан. — Затем мы проверили, видите ли вы новую категорию, которую мы добавили. Оказалось, что видите».
Чтобы участники исследования были максимально мотивированы на успех, их вознаграждали деньгами, если им удавалось остановить колебание изображения. За шесть ежедневных сеансов они могли получить значительный бонус.
«По сути, мы перевернули процесс обучения с ног на голову и научили ваш мозг тому, что позволило вам получать информацию опосредованно, даже если вам никогда не давали эту информацию напрямую, — говорит Иордан. — Это говорит о том, что у нас есть доступ к строительным блокам обучения в мозге, которого у нас раньше не было, — для изучения гораздо более сложных вещей, таких как целые категории предметов, сложные визуальные образы или, возможно, даже нечто большее, чем это».
Исследование было поддержано финансированием от Фонда Джона Темплтона, Intel Corporation и Национальных институтов здравоохранения.
Наука и технология
Включение клеток мозга с помощью силы света
[Женщина с гирляндой светящихся лампочек на голове и руках, поднятых вверх в ночное время, чтобы проиллюстрировать концепцию биолюминесцентной оптогенетики.]
Почему мы так часто моргаем?
[Крупный план женских глаз и половины лица, смотрящих в сторону от камеры, чтобы показать, почему моргание важно для человека.]
Почему подростки с аутизмом борются с интонацией речи
[GIF-изображение, показывающее звуковые волны, проникающие в контур головы человека. Затем слово «привет» появляется в сознании человека с разной интонацией, обозначенной спереди, и пунктуацией, которая меняется с восклицательного знака на вопросительный и на точку.
Непосредственная обратная связь, которую получали участники исследования, означала, что изображение переставало дрожать на их экране, как только им удавалось представить визуальный объект более похожим на паттерн мозговой активности, который исследователи обозначили ранее, а не на то, как этот объект естественным образом представлялся в их мозге. Другими словами, учёные разработали метод, который заставлял людей изучать новые категории визуальных объектов не путём обучения их тому, что это за категории, а путём изменения работы их мозга, когда они смотрели на отдельные объекты в этих категориях.
«Вместо того, чтобы научить вас чему-то и измерить, как меняется ваш мозг, мы записали в ваш мозг новую категорию, которая появилась бы, если бы вы выучили её самостоятельно, — объясняет Иордан. — Затем мы проверили, видите ли вы новую категорию, которую мы добавили. Оказалось, что видите».
Чтобы участники исследования были максимально мотивированы на успех, их вознаграждали деньгами, если им удавалось остановить колебание изображения. За шесть ежедневных сеансов они могли получить значительный бонус.
Будущие приложения.
Ученые пытаются лучше понять, что именно происходит с функциями мозга у людей с различными нейропсихиатрическими, связанными с развитием или психологическими расстройствами, такими как глубокая депрессия, зрительная агнозия (неспособность распознавать предметы повседневного обихода) и аутизм. По словам Иордана, такой метод, как их метод, в конечном итоге может сыграть роль в клиническом лечении, изменяя паттерны мозга пациентов, чтобы они были больше похожи на паттерны мозга нейротипичных людей. В дальнейшем это может привести к появлению новых подходов к лечению как самостоятельно, так и в сочетании с уже существующими методами.
«Это исследование — одна из самых убедительных на сегодняшний день демонстраций тренировки мозга с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии в реальном времени. Доктор Йордан использовал нейрообратную связь, чтобы помочь людям создать в своём сознании категорию, которая затем повлияла на их поведение», — говорит соавтор Николас Тёрк-Браун, психолог из Йельского университета. «В будущем это открытие может способствовать разработке интерфейсов «мозг — компьютер» и клинических вмешательств».
В основе этого метода лежит способность учёных получать доступ к мозгу таким образом, как это не удавалось сделать раньше.
«По сути, мы перевернули процесс обучения с ног на голову и научили ваш мозг тому, что позволило вам получать информацию опосредованно, даже если вам никогда не давали эту информацию напрямую, — говорит Иордан. — Это говорит о том, что у нас есть доступ к строительным блокам обучения в мозге, которого у нас раньше не было, — для изучения гораздо более сложных вещей, таких как целые категории предметов, сложные визуальные образы или, возможно, даже нечто большее, чем это».
Исследование было поддержано финансированием от Фонда Джона Темплтона, Intel Corporation и Национальных институтов здравоохранения.