Бодрствующий мозг учится в четыре раза быстрее, чем спящий
Исследователи из Национальных институтов здравоохранения США записали активность нейронов мозга людей при обучении. Они обнаружили, что в перерывах между обучением мозг в три раза быстрее воспроизводит сжатые воспоминания, чем во время обучения. Кроме того, бодрствующий мозг в четыре раза быстрее запоминает навыки, чем спящий.
Общие принципы работы человеческой памяти известны давно. Она обусловлена активностью нейронов и нервных путей, объединяющих клетки. Полученные из окружающей среды данные органы чувств преобразуют в электрические импульсы. Импульсы многократно проходят по нервным путям, благодаря чему происходит запоминание информации. Поскольку все процессы в мозге требуют много энергии, неиспользуемую информацию нейроны «забывают» и тратят энергию на востребованные цели.
Команда нейробиологов из Национальных институтов здравоохранения США в ходе нового исследования изучала процесс перехода знаний из кратковременной памяти в долговременную (консолидация). Они поставили целью выяснить, как именно бодрствующий мозг переводит информацию в долговременную память.
Исследователи предположили, что для этого мозг многократно реактивирует паттерны нейронной активности с новой информацией. Таким образом, основная часть обучения навыкам происходит в перерывах между обучением в автономном режиме, а не во время самого обучения.
Для проверки гипотезы учёные собрали группу испытуемых из 33 правшей с нормальными показателями неврологического обследования. Исследователи отмечают, что в группу не вошли музыканты. Структурные и функциональные связи между нейронами в мозгу музыкантов отличаются от связей у людей, не занимающихся музыкой. В слуховых областях обоих полушарий мозга музыкантов присутствуют усиленные функциональные связи, поэтому нейроны могут иначе усваивать навыки.
Отобранные исследователями участники повторяли одну и ту же отображённую на экране последовательность пяти клавиш. В это время исследователи визуализировали мозговую активность методом магнитоэнцефалографии (МЭГ). Также учёные собрали данные МЭГ за пять минут до занятия и пять минут после его окончания.
В условия выполнения задачи учёные включили требование набирать последовательность пальцами левой неведущей руки и закрепили за каждой клавишей свой палец. Испытуемые выполнили 36 повторений по 10 секунд с перерывами по 10 секунд между каждым повтором. Общее время занятия составило 12 минут.
(А) Испытуемые многократно вводят последовательность 41324 левой рукой, нажимая клавишу 4 указательным пальцем, 3 средним пальцем, 2 безымянным пальцем и 1 мизинцем. Всего 36 повторений по 10 секунд на каждый с перерывами по 10 секунд между каждым повторением. Вся тренировка длилась 12 минут + по 5 минут отдыха до и после начала занятий, записанные МЭГ. (В) Кривая производительности. Навык измеряется как правильная скорость набора последовательности — seq/с. Средняя производительность быстро росла в начале обучения. 95% всего обучения произошло в первых 1—11 испытаниях. © Скорость seq/с используется для количественной оценки прироста производительности во время практики (голубой) и во время отдыха (сиреневый) в ходе раннего периода обучения. (D) Скорость seq/с во время занятий (голубой), во время отдыха (сиреневый) и общее во время всего раннего обучения (зелёный). Повышение навыков происходит в промежутках между периодами бодрствования, а не во время активной практики. Толстые горизонтальные линии и связанные с ними прямоугольники показывают среднее значение по группе. Данные МЭГ исследователи дешифровали методом опорных векторов. Для обучения четырёх дешифраторов исследователи использовали отрезки данных с активностью мозга во время нажатия клавиш (по дешифратору на каждый палец). После применили дешифраторы к данным МЭГ, записанным до, во время и после выполнения заданий. Дешифраторы искали повторения нейронной активности в диапазоне 25–2 500 мс. К концу обучения средняя последовательность повторений (41324) составляла 1037,7 ± 61,7 мс.
Частота воспроизведения зависела от степени сжатия информации. В начале обучения нейроны сжали информация о наборе клавиш (41324) до 50 мс (в 20 раз меньше, чем в конце обучения). Наибольшее число воспроизведений по 50 мс дешифратор обнаружил во время первых этапов эксперимента — 25 повторений на 10 секунд (в три раза чаще, чем во время обучения).
Исследователи применили к полученным данным метод главных компонентов (PCA) и выяснили, что воспроизведение навыков проходит преимущественно в сенсомоторной, энторинальной и гиппокампальной областях. На эти области приходится около 67,8% всех повторений. Учёных удивил этот факт, поскольку считается, что гиппокамп и энторинальная кора не играют существенной роли в формировании долговременной памяти. Оказалось, наоборот — они быстро взаимодействуют с сенсомоторной корой при обучении навыкам, описанным в исследовании.
Полученные в ходе исследования данные говорят о том, что бодрствующий отдых в сочетании с практикой напрямую влияет на успех обучения. Память о полученных навыков лучше усваивается, если между упражнениями есть небольшие перерывы. Большую часть информации мозг усваивает в автономном режиме в бодрствующем состоянии и намного быстрее, чем предполагали исследователи. Консолидация памяти во время бодрствования проходит в четыре раза быстрее, чем во время сна.
Исследователи также обнаружили, что частота воспроизведений во время отдыха предсказывала качество обучения. Участники, у которых мозг чаще воспроизводил сжатую информацию в периоды отдыха, демонстрировали большие скачки производительности, чем остальные.
Материалы исследования опубликованы в статье «Consolidation of human skill linked to waking hippocampo-neocortical replay»в журнале Cell DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109193.
