На самом деле никто не знает, как реорганизуется активность вашего мозга по мере того, как вы осваиваете новые задачи, но новое исследование, проведенное в Университете Карнеги-Меллона и Университете Питтсбурга, показывает, что мозг имеет различные механизмы и ограничения, с помощью которых он реорганизует свою нейронную активность при обучении в процессе обучения. несколько часов. Новое исследование показывает, что при изучении новой задачи мозг становится менее гибким, чем считалось ранее.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Neuroscience, изучались изменения, происходящие в мозге при изучении новой задачи. Чтобы по-настоящему увидеть, как изменяется нейронная активность во время обучения, нам нужно смотреть шире – на популяции нейронов, а не на один нейрон за раз, что является стандартным подходом на сегодняшний день.
Исследовательская группа использовала интерфейс мозг-компьютер (BCI), где субъекты перемещают курсор на экране компьютера с помощью одной мысли. Как и в случае с обучением новым видам спорта, они обнаружили, что испытуемые научились более точно управлять курсором с практикой. Затем они исследовали, как активность мозга изменилась во время обучения, что позволило повысить производительность. Они обнаружили, что на временной шкале в несколько часов мозг не перестраивает свою нейронную активность, чтобы максимизировать скорость и точность, с которой он перемещает курсор.
"В этой экспериментальной парадигме мы можем отслеживать все нейроны, которые могут привести к поведенческим улучшениям, и смотреть, как все они изменяются одновременно," говорит Стив Чейз, доцент кафедры биомедицинской инженерии Карнеги-Меллона и Центра нейронных основ познания. "Когда мы это делаем, то видим действительно ограниченный набор изменений, которые происходят, и это приводит к неоптимальному повышению производительности. Итак, это означает, что существуют пределы, которые ограничивают гибкость вашего мозга, по крайней мере, в этих коротких временных масштабах."
Когда мы изучаем новую задачу, мы не можем мгновенно освоить ее, отчасти из-за того, как нейроны связаны в мозгу. Обучение требует времени, и существуют механизмы, с помощью которых нейроны могут изменять способ, которым они общаются друг с другом, чтобы обеспечить обучение – некоторые из них могут быть быстрыми, а некоторые – дольше. Команда обнаружила, что мозг работает с более строгим набором ограничений, чем первоначально предполагалось, что приводит к хорошему обучению в краткосрочной перспективе, но, тем не менее, к неоптимальным характеристикам управления курсором BCI.
Представьте себе теннисистку, друзья которой попросили ее поиграть в сквош. Когда она берет в руки ракетку для сквоша, она легче, чем теннисная ракетка, к которой она привыкла, и у нее немного другая точка баланса. Но поскольку она хорошая теннисистка, эта разница в ракетках не заставляет ее полностью пропустить мяч. Она быстро приспосабливается, но она не сразу научилась играть в сквош. Чтобы по-настоящему стать экспертом, потребуется длительный период обучения на новом оборудовании. Однако ее опытные друзья, играющие в сквош, быстро поймут, что она теннисистка, потому что, пока она не выучит правильную технику, она будет размахивать ракеткой так же, как теннисной ракеткой.
"Подобно тому, как нужно время, чтобы научить человека размахивать ракеткой для сквоша, как эксперта, нужно время, чтобы обучить свои нейроны формированию идеальных паттернов активности," говорит Байрон Ю, доцент кафедры биомедицинской инженерии, электротехники и вычислительной техники в Карнеги-Меллон. "Столкнувшись с новой задачей, мы обнаруживаем, что мозг вынужден принимать паттерны нейронной активности, которые он способен генерировать прямо сейчас, и максимально эффективно использовать их в этой новой задаче."
"Когда мы учимся, вначале мозг имеет тенденцию не создавать новые модели активности, а перепрофилировать модели активности, которые он уже знает, как их генерировать," говорит Аарон Батиста, доцент кафедры биоинженерии Питтсбургского университета. "Обучение в течение нескольких часов неоптимально. Когда мы впервые изучаем что-то новое, кажется, что наш мозг не может изменить свою деятельность наилучшим образом, чтобы мы могли овладеть новыми навыками.."
Приобрести навык очень сложно, это требует много времени и много практики. Но когда вы впервые начинаете осваивать новый навык, ваш мозг должен быстро адаптироваться к новой задаче. Исследователи обнаружили, что мозг вынужден брать уже известные ему паттерны нейронной активности и использовать их для новой задачи. Путем перепрофилирования нейронных паттернов, которые мозг уже способен генерировать, мозг применяет "быстрое и грязное исправление" к новой проблеме, с которой он сталкивается.
"Никто из нас не предсказал такого исхода," говорит Мэтью Голуб, доктор наук в области электротехники и компьютерной инженерии в Карнеги-Меллон. "Обучение гораздо более ограничено в масштабе нескольких часов, чем любой из нас ожидал, когда начинал это. Мы все были удивлены, что мозг не смог выбрать лучшую возможную стратегию."
Исследование было проведено в сотрудничестве с Центром нейронных основ познания, межуниверситетской исследовательской и образовательной программой между Карнеги-Меллоном и Университетом Питтсбурга, которая использует сильные стороны каждого учреждения для изучения когнитивных и нейронных механизмов, которые приводят к биологическому интеллекту и поведение.