Предначертанное генами: распознавание слов заложено в мозге с рождения
Человек за свою жизнь может научиться множеству навыков. Какие-то из них он осваивает быстрее, какие-то — медленнее. На это влияет и наше желание их осваивать, и наши личностные качества, и наши умственные способности. Но есть навыки, которые нам приходится осваивать вне зависимости от личных предпочтений или же жизненных обстоятельств, если при этом нет ограничений медицинского характера. Самое интересное, что мы даже не помним, как их получили. Речь идет о базовых навыках, которые вырабатывает ребенок в ходе своего развития: держать голову, ползать, стоять, ходить и, конечно же, говорить и читать. Как мы знаем, ходить нас никто не учит, мы сами осваиваем этот навык, чего не скажешь про чтение. Однако ученые из университета штата Огайо (США) выяснили, что мозг человека с самого рождения запрограммирован воспринимать слова, что значительно облегчает процесс обучения. Какие области мозга отвечают за восприятие букв и слов, как они работают, и какова польза от знаний, полученных в данном исследовании? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Весьма забавно осознавать, что даже самые великие умы человечества, например Эйнштейн или Дарвин, когда-то не могли ни говорить, ни ходить, ни ползать, а вместо гениальных теорий из их уст звучало невразумительное «гу-гу-га-га».
Многие виды, обитающие по соседству с нами, обладают заданным набором навыков уже с рождения. Детеныши многих копытных, к примеру, встают на ноги в первые же минуты (часы) после своего рождения. Ядовитые змеи, только вылупившиеся из яйца, уже обладают смертоносным ядом, которым они умело могут воспользоваться. Все это связано с опасностями, которые окружают новорожденного с первых секунд его жизни.
Конечно, можно вспомнить и про животных, чье потомство остается беззащитным на протяжении долгого времени (кенгуру, например). Но в таких ситуациях, как правило, родители обеспечивают опеку своему отпрыску, пока он не сможет как-то оберегать себя сам.
Нас, как вид, скорее можно отнести к второй категории. Родившись, мы практически ничего толком не можем (в глобальном смысле). На то, чтобы маленький сверток превратился в снующий туда-сюда электровеник требуются годы. В течение этого времени часть навыков, необходимых для жизни (как в рамках современного общества, так и в рамках биологической принадлежности) развиваются самостоятельно, а часть — с помощью родителей (прямое или косвенное обучение через наблюдение).
И навыком, который предшествует многие другие и является необходимостью для их приобретения, можно с уверенностью назвать умение читать. Сами посудите, изучать физику или поэзию XIX века крайне проблематично, если человек не умеет читать. Конечно, существует ряд медицинских проблем, которые могут препятствовать получению или нормальному развитию навыка чтения, но в данном исследование речь пойдет не о них.
За многие годы изучения мозга человека нам стало известно, что его можно разделить на определенные участки, которые выполняют определенные функции. Порой эти функции специфичны для отдельной области, а порой они выполняются посредством совместной работы нескольких из них.
Это знание породило вопрос — насколько врожденной является функциональная организация мозга человека?
Ранее ученые уже проводили исследования, дабы на него ответить. К примеру, мы знаем, что младенцы распознают лица и окружение за счет работы зрительной коры мозга, в результате чего формируется различная ответная реакция. Однако доселе остается под вопросом происхождение самой первой ответной реакции младенца на визуальный стимул в виде лица: социальный аспект, протоорганизация визуальных функций или может в мозге младенца уже заложена информация о том, как должно выглядеть лицо его сородича. Тут пока нет точного ответа.
Видео, в котором описываются результаты одного из исследований распознавания лиц у младенцев.
Кроме того, исследования на врожденно слепых людях показывают, что корковая селективность для визуальных стимулов высокого уровня не требует визуального опыта. В дополнение к раннему появлению визуальной обработки ученые обнаружили нейронный предшественник языковой обработки у младенцев. В частности, была зафиксирована активность мозга в левой верхней височной и угловой извилинах у 3-месячных младенцев в ответ на человеческую речь.
Такие находки являются существенным доказательством теории, предполагающей, что фундаментом для зрелых функциональных областей коры мозга являются определенные генетические инструкции. Другими словами, некоторые функции мозга заложены генетически, а не проявляются со временем в ходе его развития.
Существует теория, что заранее существующие ретинотопные смещения могут предрасполагать область мозга к тому, чтобы становиться селективной по отношению к фовеальным (относящимся к центральной ямке желтого пятна сетчатки глаза) или периферическим стимулам. Но эта теория не может полностью объяснить диссоциацию между репрезентациями лица и слов в зрительной коре головного мозга: и лицо, и слова являются фовеальными стимулами, но представлены в разных областях коры мозга.
Строение глаза человека.
В то же время, гипотеза связности (connectivity hypothesis) предполагает, что специализация определенной области мозга во многом определяется тем, как она соединяется и взаимодействует с остальной частью мозга. Ранее уже было установлено, что структурная связность и функциональная связность могут предсказать основанную на задачах избирательность областей в мозге человека. Кроме того, была обнаружена латерально-мезиальную организацию в вентральной зрительной коре у новорожденных. Это может свидетельствовать о том, что функциональная связность, присутствующая при рождении, может ограничивать последующую функциональную специализацию зрительных областей. Другими словами, функции определенных областей заложены изначально, потому другие области эти функции не принимают на себя.
И тут возникает очередной вопрос — можно ли отличить область визуальной словоформы (VWFA от visual word form area), которая сильно реагирует на слова или буквы, от прилегающей веретенообразной лицевой области (FFA от fusiform face area) по ее связям с высокоуровневой корой, такой как лобно-височная языковая сеть?
Расположение области визуальной словоформы.
У взрослых VWFA соединяется с перисильвиевой языковой корой, отделяя ее от смежной зрительной коры. Также известно, что волокна белого вещества, происходящие из VWFA, проходят через пучки, которые могут иметь решающее значение в обработке речи.
Расположение веретенообразной лицевой области и затылочной лицевой области.
У детей в возрасте 5 лет (которые еще не обучены чтению) паттерны связности предсказывали расположение VWFA у каждого ребенка по достижению 8 лет (т.е. после того, как они научились полноценно читать). При этом была видна разница между VWFA и FFA. Проблема этих данных связана с тем, что дети, хоть и не умели читать, но имели многолетний опыт визуального контакта с текстами и буквами. Ученых же интересует работа мозга ребенка еще до получения какого-либо визуального опыта.
В данном труде ученые протестировали вышеописанную протоорганизацию VWFA как в мозге взрослого, так и у новорожденного, проанализировав данные о состоянии покоя из баз данных Human Connectome Project (HCP) и Developing Human Connectome Project (dHCP).
Основываясь на гипотезе связности, была выдвинута гипотеза о том, что, хотя VWFA сильно зависит от опыта, она уже «заранее запрограммирована» на выборку визуальных слов путем связи с протоязыковыми регионами при рождении.
Результаты исследования
В первую очередь необходимо было понять, существует ли выборочная связь между языковыми областями мозга и VWFA в сравнении с другими областями. Для этого было проведено сравнение функциональной связности (FC от functional connectivity) языковые области/VWFA и другими визуальными областями в вентральном потоке, особенно в регионах рядом с VWFA. В анализе участвовали области мозга, обрабатывающие информацию про лица, окружение (сцены) и объекты (изображение №1).
Изображение №1
Области обработки лиц: веретенообразная лицевая область (FFA от fusiform face area); затылочная лицевая область (OFA от occipital face area);
Области обработки окружения: парагиппокампальная область мест (PPA от parahippocampal place area);
Области обработки объектов: латеральная затылочная (LO от lateral occipital) и дорсальная веретенообразная борозда (PFS от posterior fusiform sulcus).
Был выполнен полный двухсторонний дисперсионный анализ смешанного типа с возрастом (младенцы и взрослые) в качестве переменной между группами и целью анализа (VWFA, лица, сцены, объекты) в качестве переменной внутри группы.
Опытные t-тесты показали, что у взрослых языковые регионы показали значительно более высокую функциональную связность с VWFA (1b), чем с областями обработки лиц, сцен и объектов.
У новорожденных ситуация была практически аналогичной. В частности связность между языковыми регионами и VWFA была выше, чем с областями обработки лиц и сцен. Однако не было обнаружено статистически значимых отличий (1a) в связности языковых регионов и VWFA и языковых регионов и областей обработки объектов. По сравнению с младенцами, у взрослых разница между областями язык/VWFA и язык/объект была гораздо выше.
Дополнительный анализ показал, что VWFA значительно сильнее связан с определенными языковыми регионами, а именно с областью Вернике* и областью Брока*.
Область Вернике* — часть коры головного мозга, которая участвует в процессе усвоения и понимания письменной и устной речи.Далее были проанализированы схемы связи языковых регионов со зрительной корой головного мозга у новорожденных и у взрослых (1b). Сравнение обоих возрастных групп показало, что у новорожденных схема функциональной связи регионов мозга сильно похожа на оную у взрослых. При этом каких-либо отличий не было обнаружено при анализе данных внутри каждой из групп, что исключает возможность ошибки.Область Брока* — участок коры головного мозга, связанный с фонологической и синтаксической кодификациями и обеспечивающий моторную организацию речи и преимущественно.
Суммируя, новорожденные обладают функциональной связностью, как у взрослых, с такой же степенью связи между языковыми регионами и VWFA. Однако это не означает, что младенцы сразу могут читать с рождения без обучения, ибо у них наблюдается диссоциация в связности VWFA и областей распознавания объектов. С возрастом в ходе обучения связность между этими регионами усиливается.
На следующем этапе исследования был использован воксельный метод, который позволяет расширить предыдущие результаты. По словам ученых, этот метод позволяет изучить пространственную специфику связи языковых регионов и VWFA.
В частности рассматривались воксели (трехмерные участки мозга) вентральной височной области (VTC от ventral temporal cortex) в ответ на активность языковых регионов.
Изображение №2
На 2a показана связь между вокселями VTC и языковыми регионами у младенцев и у взрослых. Воксели с наибольшей связностью с языковыми регионами в основном были расположены в латеральной части VTC, которая находится в предполагаемом местоположении VWFA. Важно и то, что воксели, которые были связаны с языковыми областями, всегда располагались в VWFA, в отличие от всех других функциональных областей (2b).
Из этих результатов следует вывод, что у младенцев кортикальная ткань, которая может позже развить чувствительность к визуальным словам, имеет схемы связности, как у взрослых. При этом данный тест также показал наличие отличий в связности с областями обработки объектов, как это было и в предыдущих тестах.
Далее ученые решили задать достаточно любопытный вопрос — связывается ли VWFA с языковыми регионами или может с регионами вблизи языковых? Для этого были проанализированы функциональные связности VWFA с языковым, речевым и A1 регионом (изображение №3).
Изображение №3
Но сюрпризов не было, ибо, как на предыдущих этапах исследования, тут также была обнаружена сильная связность между VWFA и именно языковой областью (3a).
Сравнение схем связность новорожденных и взрослых показало ожидаемое сходство (3b). Количественный анализ сходства профилей функциональной связности дополнительно подтвердил это наблюдение (3c).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
Мозг человека работает постоянно, без выходных и отпусков. Мы запоминаем, учим, анализируем, воспринимаем, обдумываем и даже мечтаем. Все эти процессы, протекающие в мозге, позволяют нам устанавливать связь с окружающей средой, в том числе и с ее обитателями. Весь мир это база данных, информацию из которой мы получаем посредством своих органов чувств, а обрабатываем с помощью мозга.
Разная информация обрабатывается разными участками мозга, о чем нам уже давно известно. Но, помимо работы этих участков, важную роль играет и связь между ними. Компьютер не будет работать, если он лежит на столе в разобранном виде.
В данном исследовании ученые установили, что некоторые функциональные особенности участком мозга заложены в нас с рождения. В частности, умение воспринимать буквы, слова и тексты. Конечно, никто с пеленок не может читать Лавкрафта, однако эта заложенная особенность позволяет в дальнейшем мозгу научиться читать.
Результаты этого труда позволяют изучить, как работает языковая область мозга человека в раннем возрасте, как она связывается с другими областями, и как развивается с течением времени с/без обучения. Детализация и структуризация всех этих процессов позволяет понять, что конкретно происходит с мозгом в случае развития определенных патологий, вызывающих нарушение чтения (например, дислексия), и, как следствие, дает возможность предотвратить эти патологии.
Как бы то ни было, данное исследование показывает, как мало мы знаем о собственном теле и о самом важном органе, делающем нас теми, кем мы есть.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
