Шапка с электродами ускорила обучение людей
Команда неврологов из университета Вандербильда, которую возглавили Роберт Рейнхарт (Robert Reinhart) и Джеффри Вудман (Geoffrey Woodman) создали настоящую "думательную шапочку". Учёные заметили, что транскраниальная стимуляция мозга постоянным током (когда воздействие осуществляется через кости черепа) позволяет избирательно манипулировать способностями человека к обучению, и что эти способности можно улучшать или ухудшать в зависимости от направления электрического тока, проходящего через голову испытуемого.
Разберёмся, как это происходит. Медиальная лобная кора мозга отвечает за подсознательное понимание ошибки в действиях человека. Результаты предыдущих исследований показали, что через миллисекунды после того, как человек совершает ошибку, в медиальной лобной коре наблюдается "всплеск" отрицательного напряжения. Однако никто из учёных не понимал, почему это происходит. Рейнхарт и Вудман решили определить, как это связано с процессом обучения и каким образом наш мозг учится на своих ошибках.
"В нашем эксперименте мы хотели выяснить, какова реальная функция этих мозговых волн и как мозг контролирует внутреннюю самокритику", - поясняет Рейнхарт в пресс-релизе университета.
Исследователи должны были проверить несколько гипотез. Во-первых, им необходимо было установить, можно ли контролировать электрофизиологические реакции мозга на ошибки, и во-вторых, зависит ли эффект от направления электрического тока, идущего через мозг. Вторая гипотеза была навеяна результатами похожих исследований, проводимых на животных. Они дали положительные результаты.
Рейнхарта и его коллег также интересовало, как долго может продлиться эффект от транскраниальной стимуляции.
Учёные использовали эластичную повязку на голову, которая прикрепляла два электрода, проводимость обеспечивали пропитанные соляным раствором губки. Подсоединив электроды к щеке и макушке добровольцев, исследователи провели 20-минутную стимуляцию. Слабый постоянный ток проходил от анода через кожу, мышцы, кости и мозг на катод.
По словам Рейнхарта, этот сеанс был едва ли не самой безопасной транскраниальной стимуляцией, которая когда-либо проводилась экспериментально. Добровольцы почти ничего не чувствовали, разве что пару секунд лёгкого покалывания.
В рамках трёх сессий эксперимента добровольцам вразнобой "выдавали" одно направление электрического тока: от макушки к щеке, от щеки к макушке или проводили "мнимую стимуляцию" (физическое покалывание без подачи тока). Ни в одном из случаев испытуемые не могли определить, в каком направлении идёт ток.
После 20-минутной стимуляции участникам эксперимента предложили решить задачу на обучение: методом проб и ошибок им необходимо было выяснить, какая кнопка на пульте отвечает за управление каким цветом на экране монитора компьютера. Задачу периодически усложняли, сокращая при этом время.
В конце на максимальном уровне сложности испытуемые должны были менее чем за секунду отреагировать правильно. Понятно, что добровольцы постоянно совершали ошибки, а медиальная лобная кора активизировалась в ответ на это.
Рейнхарт и его коллеги измеряли электрическую активность мозга каждого участника, пока они решали поставленные задачи. Это позволило понаблюдать за возможными изменениями в момент совершения ошибки, а также определить, как активность мозга изменилась после электрической стимуляции.
При анодной стимуляции (от макушки к одной из щёк) у 75% испытуемых всплеск отрицательного напряжения медиальной лобной коры был в два раза выше, чем в первоначальном случае (до стимуляции). На поведении это также сказалось: по мере выполнения задания люди делали значительно меньше ошибок, чем после мнимой стимуляции.
Катодная стимуляция (от щёк к макушке), в свою очередь, дала ровно противоположный эффект. Всплеск был крайне низок, а добровольцы делали массу ошибок и дольше обучались.
Сами испытуемые ничего не замечали. "Вероятность ошибки испытуемых варьировалась в пределах 4%, а поведенческие корректировки занимали около 20 миллисекунд", - отмечает Рейнхарт. Однако происходящее было отчётливо заметно на ЭЭГ.
Любопытно, что при этом полученные показатели по обучаемости были значительно лучше, чем после любой лекарственной или психологической терапии. Учёные также выяснили, что эффект после стимуляции сохраняется в среднем в течение пяти часов.
Как отмечается в статье, опубликованной в издании Journal of Neuroscience, эти результаты могут применяться не только для оптимизации процесса обучения, но и для лечения таких заболеваний, как шизофрения или синдром дефицита внимания с гиперактивностью.
Разберёмся, как это происходит. Медиальная лобная кора мозга отвечает за подсознательное понимание ошибки в действиях человека. Результаты предыдущих исследований показали, что через миллисекунды после того, как человек совершает ошибку, в медиальной лобной коре наблюдается "всплеск" отрицательного напряжения. Однако никто из учёных не понимал, почему это происходит. Рейнхарт и Вудман решили определить, как это связано с процессом обучения и каким образом наш мозг учится на своих ошибках.
"В нашем эксперименте мы хотели выяснить, какова реальная функция этих мозговых волн и как мозг контролирует внутреннюю самокритику", - поясняет Рейнхарт в пресс-релизе университета.
Исследователи должны были проверить несколько гипотез. Во-первых, им необходимо было установить, можно ли контролировать электрофизиологические реакции мозга на ошибки, и во-вторых, зависит ли эффект от направления электрического тока, идущего через мозг. Вторая гипотеза была навеяна результатами похожих исследований, проводимых на животных. Они дали положительные результаты.
Рейнхарта и его коллег также интересовало, как долго может продлиться эффект от транскраниальной стимуляции.
Учёные использовали эластичную повязку на голову, которая прикрепляла два электрода, проводимость обеспечивали пропитанные соляным раствором губки. Подсоединив электроды к щеке и макушке добровольцев, исследователи провели 20-минутную стимуляцию. Слабый постоянный ток проходил от анода через кожу, мышцы, кости и мозг на катод.
По словам Рейнхарта, этот сеанс был едва ли не самой безопасной транскраниальной стимуляцией, которая когда-либо проводилась экспериментально. Добровольцы почти ничего не чувствовали, разве что пару секунд лёгкого покалывания.
В рамках трёх сессий эксперимента добровольцам вразнобой "выдавали" одно направление электрического тока: от макушки к щеке, от щеки к макушке или проводили "мнимую стимуляцию" (физическое покалывание без подачи тока). Ни в одном из случаев испытуемые не могли определить, в каком направлении идёт ток.
Click to viewПосле 20-минутной стимуляции участникам эксперимента предложили решить задачу на обучение: методом проб и ошибок им необходимо было выяснить, какая кнопка на пульте отвечает за управление каким цветом на экране монитора компьютера. Задачу периодически усложняли, сокращая при этом время.
В конце на максимальном уровне сложности испытуемые должны были менее чем за секунду отреагировать правильно. Понятно, что добровольцы постоянно совершали ошибки, а медиальная лобная кора активизировалась в ответ на это.
Рейнхарт и его коллеги измеряли электрическую активность мозга каждого участника, пока они решали поставленные задачи. Это позволило понаблюдать за возможными изменениями в момент совершения ошибки, а также определить, как активность мозга изменилась после электрической стимуляции.
При анодной стимуляции (от макушки к одной из щёк) у 75% испытуемых всплеск отрицательного напряжения медиальной лобной коры был в два раза выше, чем в первоначальном случае (до стимуляции). На поведении это также сказалось: по мере выполнения задания люди делали значительно меньше ошибок, чем после мнимой стимуляции.
Катодная стимуляция (от щёк к макушке), в свою очередь, дала ровно противоположный эффект. Всплеск был крайне низок, а добровольцы делали массу ошибок и дольше обучались.
Сами испытуемые ничего не замечали. "Вероятность ошибки испытуемых варьировалась в пределах 4%, а поведенческие корректировки занимали около 20 миллисекунд", - отмечает Рейнхарт. Однако происходящее было отчётливо заметно на ЭЭГ.
Любопытно, что при этом полученные показатели по обучаемости были значительно лучше, чем после любой лекарственной или психологической терапии. Учёные также выяснили, что эффект после стимуляции сохраняется в среднем в течение пяти часов.
Как отмечается в статье, опубликованной в издании Journal of Neuroscience, эти результаты могут применяться не только для оптимизации процесса обучения, но и для лечения таких заболеваний, как шизофрения или синдром дефицита внимания с гиперактивностью.