Ученые разрабатывают новый подход к обучению посредством неинвазивной манипуляции паттернами мозговой активности
Представьте себе, что вы можете вписать новый шаблон активности в мозг человека, который позволит быстрее обучаться или лучше лечить психиатрические и развивающие расстройства, такие как депрессия или аутизм. Теперь представьте, что вы можете сделать это таким образом, что не потребуется операция на мозге или какие-либо физические манипуляции. Звучит как научная фантастика?
Это по-прежнему так. Но именно над этим и работает Коралин Джордан, доцент кафедры мозговых и когнитивных наук и нейронауки в Университете Рочестера, впервые показав, что это, безусловно, можно сделать для изучения новых визуальных категорий объектов.
Обычно обучение происходит, когда наш мозг меняется под воздействием опыта, обучения или обучения. Но Джордан и его коллеги из Йельского университета и Принстона успешно протестировали новый подход к обучению человеческого мозга обучению посредством внешней манипуляции и нейронной обратной связи — то, что они называют «лепкой» моделей мозговой активности. Исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук .
«Благодаря нашему методу мы не только можем подталкивать сложные закономерности в мозге к уже известным, но и — впервые — напрямую записывать новую закономерность в мозг и измерять, какое влияние она оказывает на поведение человека», — говорит ведущий автор исследования Иордан.
Формирование мозга — новый подход к обучению?
Ученые использовали нейровизуализацию в реальном времени и посекундную нейрообратную связь, чтобы изменить то, как мозг представляет и обрабатывает информацию о визуальных объектах. Лежа внутри аппарата функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), участники исследования рассматривали объекты, проецируемые на зеркало над их головами, которое выглядело как небольшой экран.
Объект — абстрактная форма, которую некоторые участники описывали как лепесток, луковицу растения или бабочку — мягко пульсировал на зеркале участников, пока им не удавалось «переместить его», согласовав свои мыслительные процессы с паттерном активности в своем мозге (отслеживаемым с помощью фМРТ в реальном времени), который ученые выбрали ранее. Исследователи поручили участникам «создать ментальное состояние », которое уменьшило бы колебания формы, но не научили участников исследования, как достичь такого ментального состояния.
«Одной из поразительных особенностей исследования является то, что нейронные реакции и соответствующее поведение в отношении новых категорий происходили без явного осознания этих категорий, что показывает, что давняя традиция работы в психологии над неявной обработкой, то есть способностью осмысленно реагировать на информацию вне осознания, также распространяется на обучение и формирование новых нейронных представлений», — говорит соавтор Джонатан Коэн, когнитивный нейробиолог из Принстонского университета.
Играть
00:00
00:16
Немой
Настройки
ПИП
Перейти в полноэкранный режим
Играть
Это смоделированное видео показывает колеблющийся объект в центре, который участники исследования видели спроецированным на свои зеркала, находясь внутри аппарата фМРТ. Их задача состояла в том, чтобы создать состояние ума, которое остановило бы колебания и, без их ведома, заставить свой мозг представить объект более похожим на шаблон активности, который ученые ранее обозначили. Черная квадратная вставка в правом верхнем углу моделирует то, что ученые отслеживали в мозге участников. Пульсация объекта замедлилась и затем прекратилась, как только белая точка достигла области, обозначенной как «сильное представление категории 1». Автор: Коралин Иордан
Немедленная обратная связь, полученная участниками исследования, означала, что изображение на их зеркале перестало дрожать, как только им удалось успешно представить визуальный объект более похожим на паттерн мозговой активности, который исследователи обозначили ранее, а не так, как объект был бы представлен в их мозге естественным образом.
Другими словами, ученые разработали метод, который заставлял людей изучать новые категории визуальных объектов, не обучая их тому, что это за категории, а изменяя работу их мозга, когда они смотрели на отдельные объекты в этих категориях.
«Вместо того, чтобы учить вас чему-то и измерять, как меняется ваш мозг, мы записали в ваш мозг новую категорию, которая появилась бы, если бы вы ее выучили сами», — объясняет Иордан. «Затем мы проверили, видите ли вы новую категорию, которую мы вставили. Оказалось, что видите».
Чтобы гарантировать высокую мотивацию участников исследования к успеху, им выплачивалось денежное вознаграждение, если им удавалось остановить колебание изображения, что за шесть ежедневных сеансов могло составить существенную сумму.
Будущие приложения
Ученые работают над тем, чтобы лучше понять, что именно происходит с функциями мозга у людей с различными нейропсихиатрическими, нарушениями развития или психологическими расстройствами, такими как тяжелая депрессия, зрительная агнозия (неспособность узнавать повседневные предметы) и аутизм.
По словам Иордана, подобный их метод может в конечном итоге сыграть свою роль в клиническом лечении, изменяя модели работы мозга пациентов, чтобы сделать их более похожими на модели работы мозга, обнаруженные у нейротипичной популяции, что в дальнейшем может привести к появлению новых подходов к лечению, как самостоятельно, так и в сочетании с уже существующими методами лечения.
«Это исследование является одной из самых мощных демонстраций тренировки мозга с помощью фМРТ в реальном времени. Доктор Иордан использовал нейрообратную связь, чтобы помочь людям создать категорию в своем сознании, которая затем влияла на их поведение», — говорит соавтор Николас Турк-Браун, психолог из Йельского университета. «В будущем это открытие может послужить основой для разработки интерфейсов мозг-компьютер и клинических вмешательств».
В основе ее лежит способность ученых получить доступ к мозгу таким способом, который ранее не был доступен.
«По сути, мы перевернули обучение с ног на голову и научили ваш мозг чему-то, что заставило вас косвенно получать информацию, даже если вам никогда не давали эту информацию явно», — говорит Иордан. «Это говорит нам, что у нас есть доступ к строительным блокам обучения в мозге таким образом, каким мы не имели его раньше — для изучения вещей, которые намного сложнее, таких как целые категории предметов, сложные визуальные вещи или, возможно, даже более сложных вещей когда-нибудь».