Пятнадцать лет назад исследование показало, что в мозгу лондонских водителей такси было увеличено гиппокамп, область мозга, связанная с навигацией. Но оставались вопросы: изменил ли их мозг опыт навигации по сложной системе лондонских улиц, или только люди с более крупными гиппокампами смогли стать водителями такси??
Теперь ученые из Университета Карнеги-Меллона определили, что изучение подробной навигационной информации вызывает изменения в мозге гиппокампа. Опубликованные в NeuroImage, Тим Келлер и Марсель Джаст показывают, что краткое обучение навигации изменяет ткань мозга человека и улучшает взаимодействие этой измененной ткани с другими областями мозга, связанными с навигацией. Результаты устанавливают критическую связь между структурными и функциональными изменениями мозга, которые происходят во время пространственного обучения. Они также демонстрируют, что изменения связаны с тем, как нейронная активность синхронизируется – или взаимодействует – между гиппокампом и другими регионами, которые важны для понимания и обучения навигации.
"Давно известно, что гиппокамп участвует в пространственном обучении, но только недавно стало возможным измерить изменения в тканях человеческого мозга, поскольку синапсы изменяются во время обучения," сказал Келлер, старший научный сотрудник отдела психологии CMU и Центра когнитивной визуализации мозга (CCBI). "Наши результаты позволяют лучше понять, что вызывает изменения гиппокампа и как они связаны с общением в сети областей, участвующих в обучении и представляющих когнитивные карты мира вокруг нас."
Чтобы изучить, как изменяется гиппокамп, Келлер и Джаст набрали 28 молодых людей с небольшим опытом игры в боевые видеоигры. В течение 45 минут участники играли в симулятор вождения. Одна группа 20 раз отработала маневрирование по одному маршруту. Контрольная группа ехала столько же времени, но по 20 различным маршрутам. До и после каждой тренировки мозг каждого участника сканировали с использованием диффузионно-взвешенной визуализации (DWI), которая измеряет движение молекул воды в мозгу, и функциональной магнитно-резонансной томографии (fMRI), которая анализирует активность мозга.
Исследователи обнаружили, что группа, практикующая один и тот же маршрут снова и снова, – группа пространственного обучения – увеличила свою скорость при выполнении задачи вождения больше, чем группа, практикующаяся на разных маршрутах, что указывает на то, что они узнали что-то конкретное о пространственном расположении виртуального среда. Группа пространственного обучения также улучшила свою способность упорядочивать последовательность случайных изображений, сделанных вдоль маршрута, и рисовать двумерную карту, представляющую маршрут.
Важно отметить, что только группа пространственного обучения продемонстрировала структурные изменения мозга в ключевой части пространственного обучения гиппокампа, левой задней зубчатой извилине. Также увеличилась синхронизация активности – или функциональная взаимосвязь – между этой областью и другими областями коры в сети областей мозга, ответственных за пространственное познание. И количество структурных изменений было напрямую связано с количеством поведенческих улучшений, которые каждый человек показал при выполнении задачи.
"Новое открытие заключается в том, что микроскопические изменения в гиппокампе сопровождаются быстрыми изменениями в том, как структура взаимодействует с остальной частью мозга," сказал Just, D.О. Профессор психологии Дитрихского колледжа гуманитарных и социальных наук Хеббского университета и директор CCBI. "Мы рады, что эти результаты показывают, к чему может относиться повторное подключение в результате обучения. Теперь мы знаем, по крайней мере, для этого типа пространственного обучения, какая область меняет свою структуру и как она меняет связь с остальной частью мозга."
Это не первый прорыв в исследованиях мозга, совершенный в Карнеги-Меллон. CMU является колыбелью искусственного интеллекта и когнитивной психологии и более 50 лет является лидером в изучении мозга и поведения. Университетские исследователи выполнили некоторые из первых исследований чтения мыслей с использованием фМРТ, они создали некоторых из первых когнитивных наставников, помогли разработать победившего в Jeopardy Watson, основали новаторскую докторскую программу по нейронным вычислениям и выполнили передовую работу по пониманию биологическая основа аутизма. Опираясь на свои сильные стороны в области биологии, информатики, психологии, статистики и инженерии, CMU запустил BrainHub, инициативу, которая фокусируется на том, как структура и активность мозга приводят к сложному поведению.