Освоение нового навыка – будь то спорт, инструмент или ремесло – требует времени и тренировок. Хотя понятно, что здоровый мозг способен обучаться этим новым навыкам, то, как мозг изменяется, чтобы развить новое поведение, остается относительной загадкой. Более точное знание этой основной нейронной схемы может в конечном итоге улучшить качество жизни людей, перенесших черепно-мозговую травму, позволяя им легче переучивать повседневные задачи.
Исследователи из Университета Питтсбурга и Университета Карнеги-Меллона недавно опубликовали статью в PNAS, в которой рассказывается, что происходит в мозгу по мере того, как учащиеся переходят от новичка к эксперту. Они обнаружили, что новые паттерны нейронной активности возникают в результате длительного обучения, и установили причинно-следственную связь между этими паттернами и новыми поведенческими способностями.
Исследование проводилось в рамках Центра нейронных основ познания, межведомственной исследовательской и образовательной программы, которая использует сильные стороны Питта в фундаментальной и клинической нейробиологии и биоинженерии, а также CMU в когнитивной и вычислительной нейробиологии.
Руководили проектом Аарон Батиста, доцент кафедры биоинженерии Питта; Байрон Ю, доцент кафедры электротехники, вычислительной техники и биомедицинской инженерии в CMU; и Стивен Чейз, доцент кафедры биомедицинской инженерии и Института нейробиологии CMU. Работой руководила постдокторант по биоинженерии Питта Эмили Оби.
"Мы использовали интерфейс мозг-компьютер (BCI), который создает прямую связь между нейронной активностью нашего объекта и движением компьютерного курсора," сказал Оби. "Мы записали активность около 90 нервных единиц в области руки первичной моторной коры макак-резусов, когда они выполняли задачу, которая требовала от них перемещения курсора для совмещения с целями на мониторе."
Чтобы определить, будут ли обезьяны формировать новые нейронные паттерны по мере обучения, исследовательская группа призвала животных попробовать новый навык BCI, а затем сравнила эти записи с ранее существовавшими нейронными паттернами.
"Сначала мы представили обезьяне то, что мы называем “ интуитивным отображением ” ее нейронной активности на курсор, которое работает с естественным возбуждением их нейронов и не требует никакого обучения," сказал Оби. "Затем мы стимулировали обучение, вводя навык в форме нового сопоставления, которое требовало от испытуемого узнать, какие нейронные паттерны им нужны, чтобы перемещать курсор."
Как и в случае с большинством навыков, групповая задача BCI потребовала нескольких практических занятий и небольшого коучинга на этом пути.
"Мы обнаружили, что через неделю наш испытуемый научился управлять курсором," сказал Батиста. "Это поразительно, потому что с самого начала мы знали с самого начала, что у них не было паттернов нейронной активности, необходимых для выполнения этого навыка. Конечно же, когда мы снова посмотрели на нейронную активность после обучения, мы увидели, что появились новые паттерны нейронной активности, и именно эти новые паттерны позволили обезьяне выполнить задачу."
Эти результаты предполагают, что процесс овладения людьми новым навыком может также включать в себя создание новых паттернов нейронной активности.
"Хотя мы рассматриваем эту конкретную задачу на животных, мы считаем, что, возможно, именно так мозг узнает много нового," сказал Ю. "Подумайте о том, чтобы научиться ловкости пальцев, необходимой для игры на фортепиано сложной пьесы. До практики ваш мозг может быть еще не в состоянии генерировать соответствующие шаблоны активности для создания желаемых движений пальцев."
"Мы думаем, что расширенная практика создает новые синаптические связи, которые непосредственно приводят к развитию новых паттернов активности, которые открывают новые возможности," сказал Чейз. "Мы думаем, что эта работа применима ко всем, кто хочет учиться – будь то парализованный человек, который учится пользоваться интерфейсом мозг-компьютер, или человек, переживший инсульт, который хочет восстановить нормальную двигательную функцию. Если мы сможем непосредственно смотреть на мозг во время моторного обучения, мы считаем, что сможем разработать стратегии нейробиоуправления, которые облегчат процесс, ведущий к формированию новых паттернов нейронной активности."