Нейробиология творчества, или как научить мозг генерировать идеи. Профессия в лицах. Как работает мозг

Сегодня знания о мозге развиваются с воодушевляющими темпами, и физиотерапевт и нейробиолог Лара Бойд находится на передовой этих открытий. С 2006 года она работает в Университете Британской Колумбии, где занимается научными исследованиями в области нейробиологии и усвоения двигательных навыков. С тех пор она создала лабораторию Brain Behaviour Lab, набрала и обучила более 40 аспирантов, опубликовала более 80 статей и получила более 5 миллионов долларов в виде финансирования.

Труды Лары Бойд приводят к разработке новых, более эффективных методов лечения людей с повреждениями мозга, а также находят более широкое применение. Например, они объясняют, почему одни дети расцветают в рамках традиционного образования, а другие – нет, как поведение служит главным двигателем изменений в мозге, и почему не существует нейропластических таблеток.

Лара Бойд: Это видео изменит ваш мозг (ниже стенограмма):

Итак, как мы учимся? И почему одним учёба даётся легче, чем другим? Как я уже говорила, я – доктор Лара Бойд, занимаюсь исследованием головного мозга здесь, в Университете Британской Колумбии, и эти вопросы не дают мне покоя.

Изучение мозговой деятельности открывает перспективы как для понимания физиологии человека, так и для осмысления вопроса: что же делает нас теми, кто мы есть?

Для исследователей мозга наступило удивительное время и, бьюсь об заклад, у меня самая интересная работа на свете. Наши представления о мозге меняются с головокружительной скоростью. Многие из них оказались неверными или неполными. Некоторые заблуждения более очевидны, например, мы полагали, что мозг способен меняться только в детстве, а теперь выяснилось, что это полнейшая ерунда.

Неверно также считать, что человек обычно использует лишь некоторые отделы мозга, а когда ничем не занят, его мозг тоже бездействует. Это тоже вовсе не так. Оказывается, даже когда мы отдыхаем и ни о чём не думаем, мозг проявляет высокую активность. Технологии вроде МРТ позволили нам сделать эти и многие другие важные открытия. А самым захватывающим, интересным и революционным открытием, пожалуй, было то, что каждый раз, приобретая новые знания или навык, ты изменяешь свой мозг. Это называется нейропластичностью.

Ещё пару лет назад считалось, что после полового созревания мозг может меняться только к худшему, клетки гибнут с возрастом или от повреждений, например, от инсульта. Однако исследования выявили поразительное количество примеров преобразования мозга взрослых. Затем выяснилось, что на изменения в мозге влияет наше поведение. И эти изменения не зависят от возраста. Хорошая новость. На самом деле они происходят всю жизнь и – что очень важно – реорганизационные процессы способствуют восстановлению мозга после повреждений.

Нейропластичность – ключ ко всем изменениям. Что это такое? Чтобы закрепить полученную информацию, мозг меняется в трёх направлениях:

1. Химический. Фактически работа мозга – это передача химических сигналов между его клетками, которые называются нейронами, что вызывает серии реакций. А чтобы полученные знания сохранялись, мозг увеличивает количество или концентрацию химических сигналов, которыми обмениваются нейроны. Поскольку такие изменения происходят быстро, они способствуют кратковременной памяти или краткосрочному улучшению моторной функции.

2. Второй способ изменения мозга для закрепления обучения – структурный. То есть, обучаясь, мозг изменяет соединение между нейронами, происходит изменение физической структуры мозга, что, конечно, занимает больше времени. Эти перемены связаны с долговременной памятью и долгосрочным улучшением моторных навыков.

Эти процессы взаимосвязаны. Приведу пример. Все мы когда-то учились новому моторному навыку, например, играть на пианино или жонглировать. И во время одной попытки оно давалось вам всё лучше и лучше, и вы думали: у меня получилось. А в следующий раз, может, уже на другой день, все достижения терялись. Почему так? На короткое время мозг повысил интенсивность обмена химическими сигналами, однако почему-то эти изменения не вызвали структурных преобразований, необходимых для долговременной памяти. Помните, сохранение воспоминаний в долговременную память – процесс не сиюминутный. Краткосрочный результат – это ещё не обучение. Физические изменения закрепляют долговременные воспоминания. А химические изменения – кратковременные.

Структурные изменения также могут привести к созданию сетей, соединяющих разные области мозга для закрепления обучения. Отдельные области мозга, отвечающие за особое поведение, при этом могут увеличиваться или менять структуру. Несколько примеров. У людей, читающих шрифт Брайля, увеличена сенсорная зона мозга, отвечающая за чувствительность пальцев. Если вы правша, область мозга, отвечающая за вашу ведущую руку, у вас больше, чем та, что справа. Исследования показали, что у водителей такси, заполнивших для получения лицензии карту Лондона, увеличены области мозга, отвечающие за пространственные или картографические воспоминания.

3. И последний способ изменения мозга для закрепления информации – функциональный.
Использованная область мозга становится чувствительной и её легче задействовать снова. А с появлением в мозге областей с повышенной возбуждаемостью он уже регулирует, как и когда их активировать.

В процессе обучения мы видим, как целые блоки мозга активизируются и изменяются. Таким образом, химические, структурные и функциональные изменения поддерживают нейропластичность. А происходят они по всему мозгу. Могут происходить и по отдельности, но чаще всего они взаимосвязаны. Вместе они закрепляют результат обучения, и так происходит постоянно.

Итак, я рассказала вам, насколько изумительно нейропластичен наш мозг. Почему же научиться чему-то непросто? Почему дети не всегда успевают в школе? Почему, старея, мы становимся забывчивее? И почему не можем полностью восстановиться после повреждений мозга? Какие процессы помогаю или мешают нейропластичности? Это я и изучаю. В частности я исследую, как она связана с восстановлением после инсульта.

Недавно инсульт сместился с третьего на четвёртое место в списке основных причин смертности в США. Отличные новости, да? Только на самом деле число инсультников не уменьшилось. Просто у нас стало лучше получаться поддерживать жизнь после тяжёлого инсульта. Оказалось, трудно помочь мозгу оправиться от инсульта и, если честно, у нас не получилось разработать эффективный способ реабилитации. Точно известно одно: инсульт – главная причина инвалидности у взрослых всего мира.

Всё более молодые люди страдают от инсульта, а значит – дольше живут с инвалидностью. И наши исследования показывают, что качество жизни канадцев, перенёсших инсульт, снизилось. Поэтому ясно, что нужно лучше работать, чтобы помочь людям оправиться от инсульта. Это серьёзная социальная проблема и мы не можем её решить.

Что же можно сделать? Ясно одно: главный двигатель нейропластичных изменений – ваше поведение. Проблема в том, что для получения новых моторных навыков или для восстановления старых требуется много практики, вашей активности. А обеспечить достаточно активной практики – непросто и вдобавок стоит недёшево. Поэтому мой исследовательский подход заключается в разработке методов лечения, подготавливающих мозги к обучению. Среди них стимулирование мозга, упражнения и робототехника.

Исследования дали мне понять, что главное препятствие для разработки методов лечения, ускоряющих восстановление после инсульта, в разнообразии моделей нейропластичности у людей. И это разнообразие меня как исследователя сводит с ума, крайне усложняет использование статистики для тестирования данных и идей. Вот почему медицинские исследования разработаны так, чтобы минимизировать различие. Мои же исследования выявили это разнообразие в наиболее важных, самых информативных данных, собранных нами.

Исследуя мозг после инсульта, мы многому научились, и, я думаю, эти уроки полезны в других областях. Первый урок в том, что основной двигатель изменений в мозге – это поведение. И поэтому не существует нейропластических таблеток. Ничто не поможет вам в учении так, как практика. А значит работать вам всё-таки придётся. Более того, мои исследования доказали, что большая сложность, больше напряжения во время практики приводит к лучшему обучению и большим структурным изменениям в мозге.

Проблема в том, что нейропластичность – палка о двух концах. Она несёт положительный эффект, когда учишь что-то новое или оттачиваешь моторный навык, и отрицательный, когда забываешь то, что знал, подсаживаешься на наркотики, возможно, из-за хронических болей. Итак, мозг чрезвычайно пластичен и всё, что вы делаете, как и всё, что не делаете, формирует его как структурно, так и функционально.

Второй урок, который мы усвоили, состоит в том, что не существует единого подхода к обучению, так что нет рецепта, как нужно учиться. Например, многие верят, что требуются часы тренировок, чтобы усвоить новый моторный навык. Уверяю, всё не так просто. Некоторым потребуется больше практики, а другим – гораздо меньше.

Работа над нашими пластичными мозгами – слишком уникальный труд, чтобы был единый подход, работающий для всех. Осознав это, мы пришли к идее индивидуального лечения. То есть для получения оптимальных результатов каждый человек требует применения своих собственных мер. Эта мысль на самом деле пришла из опыта лечения рака. Тогда выяснилось, что генетика очень важна для выбора типа химиотерапии при лечении определённой формы рака. Мои исследования показали, что этот подход применим и к восстановлению после инсульта.

Существуют определённые характеристики структуры и функции мозга, биомаркеры. Они очень полезны и помогают подбирать терапию индивидуально. Результаты моей лаборатории доказывают, что определённые комбинации биомаркеров могут предсказывать нейропластические изменения и модели выздоровления после инсульта, что неудивительно, учитывая, насколько сложен человеческий мозг.

Однако я также думаю, что эту концепцию можно рассматривать гораздо шире. С учётом уникальности структуры и функций мозга то, что мы узнали о нейропластичности после инсульта, применимо ко всем. Поведение в повседневной жизни очень важно. Оно влияет на мозг.

Я считаю, что мы должны рассмотреть не только индивидуальное лечение, но и индивидуальное обучение. Уникальность мозга проявляется у человека, когда он учит и когда он учится. Эта идея помогла нам понять, почему одни дети расцветают в рамках традиционного образования, а другие – нет. Почему одним легко даются языки, а другие выбирают любой вид спорта и справляются лучше всех. Так что, когда вы сегодня покинете этот зал, ваш мозг уже не будет таким, каким был утром, когда вы вошли. И я думаю, это просто удивительно. Но мозг каждого из вас изменится по-своему.

Понимание этих различий, этих личных моделей, этого разнообразия изменений позволит добиться значительного прогресса в области неврологии. Позволит разрабатывать новые, более эффективные меры, помогающие находить подходящих друг другу учеников и учителей, пациентов и методы лечения.

И это относится не только к восстановлению после инсульта, но и к каждому из нас как родителю, учителю, руководителю, а также, раз уж вы сегодня здесь, на конференции TEDx, как вечному ученику.

Узнайте, как и чему вы учитесь эффективнее всего. Повторяйте то, что полезно для мозгов и отбрасывайте вредные привычки и неэффективное поведение. Практикуйтесь. Обучение – это работа, нужная вашему мозгу. Так что лучшая стратегия для каждого своя. Знаете, даже для одного человека в отношении разных навыков эти стратегии могут отличаться. Учиться музыке может оказаться легко, а кататься на сноуборде – гораздо сложнее.

Я надеюсь, что сегодня вы уйдёте с новым пониманием того, насколько великолепен ваш мозг. Окружающий мир постоянно формирует вас и ваш пластичный мозг. Поймите, ваш мозг меняется благодаря тому, что вы делаете, с чем сталкиваетесь и всему, что испытываете. Это может быть к лучшему, но может и к худшему. Поэтому уже сегодня идите и делайте свой мозг таким, каким вы хотите. Большое спасибо.

Основы мыслительных процессов. Когнитивная нейробиология является разделом как психологии , так и нейробиологии , пересекаясь с когнитивной психологией и нейропсихологии .

Когнитивной нейробиология основывается на теориях когнитивных наук в сочетании с доказательствами с нейропсихологии и компьютерного моделирования.

Благодаря своему междисциплинарном характер, когнитивная нейробиология может иметь различное фон. Кроме вышеупомянутых связанных дисциплин, когнитивная неврология может пересекаться с такими дисциплинами: нейробиология, биоинженерия, психиатрия , неврология , физика , информатика , лингвистика , философия и математика .

В когнитивной нейробиологии используются экспериментальные методы психофизиологии , когнитивной психологии, функциональной нейровизуализации, электрофизиологии, психогенетики. Важными аспектом когнитивной нейробиологии является изучение людей, имеющих нарушения психической деятельности вследствие повреждений головного мозга.

Связь строения нейронов с когнитивными способностями подтверждается такими фактами, как увеличение количества и размеров синапсов в мозге крыс в результате их обучения, снижение эффективности передачи нервного импульса по синапсов, наблюдается у людей, пораженных болезнью Альцгеймера .

Одним из первых мыслителей, которые утверждали, что мышление осуществляется в головном мозге, был Гиппократ . В 19 веке такие ученые как Иоганн Петер Мюллер предпринимают попытки изучить функциональную структуру головного мозга в аспекте локализации мыслительных и поведенческих функций в участках головного мозга.

1. Появление новой дисциплины

1.1. Рождение когнитивной науки

11 сентября 1956 состоялась крупномасштабная совещание когнитивисты в . Джордж А. Миллер представил свою работу "Магическое число семь, плюс-минус два" , Ноам Чомски и Ньюэлл и Саймон представили результаты своей работы с информатики . Ульрих Найссер прокомментировал результаты этой встречи в своей книге Когнитивная психология (1967 год). Термин?психология? ослабевает в 1950-х и 1960-х годах, уступая термина "когнитивная наука". Бихевиористы , такие как Миллер, стали ориентироваться на представление речи, а не общее поведение. Предложение Дэвида Марра по иерархического представления памяти заставила многих психологов принять идею, что умственные способности, в том числе алгоритмы , требуют значительной обработки в головном мозге.

1.2. Объединение неврологии и когнитивной науки

До 1980-х годов взаимодействие между неврологией и когнитивной наукой была незначительна. Термин "когнитивная нейробиология" был придуман Джорджем Миллером и Майклом Газзанига "на заднем сиденье такси в Нью-Йорке" . Когнитивная нейробиология заложила теоретическое обоснование в когнитивной науке, которая возникла между 1950 и 1960, с подходами в области экспериментальной психологии, нейропсихологии и нейронауки. Конце 20 века развивались новые технологии, которые сегодня являются основой методологии когнитивной нейробиологии, в том числе транскраниальная магнитная стимуляция (1985) и функциональная магнитно-резонансная томография (1991). Ранее методов, используемых в когнитивной нейробиологии, включали ЭЭГ (ЭЭГ человека - 1920 год) и МЭГ (1968). Иногда когнитивные неврологи использовали другие методы визуализации головного мозга, такие как ПЭТ и ОФЭКТ. Будущей технологии в нейробиологии является редактирование ближней инфракрасной спектроскопии, в которой используется поглощение света для расчета изменений в окси-и дезоксигемоглобину в областях коры. Другие методы включают микронейрографию, электромиографию лица и слежения за глазами.

2. Приемы и методы

2.1. Томография

Структура мозга изучается с помощью компьютерной томографии , магнитно-резонансной томографии , ангиографии . Компьютерная томография и ангиография имеют меньшее разрешение при отображения мозга, чем магнитно-резонансная томография.

Исследование активности зон мозга на основе анализа обмена веществ позволяют осуществить позитрон-эмиссионную томографию и функциональную магнитно-резонансную томографию.

2.2. Электроэнцефалограмма

3. Участки головного мозга и психическая деятельность

3.1. Передний мозг

• Лобная доля коры больших полушарий - планирование, контроль и выполнение движений (моторная область коры больших полушарий - прецентральной извилины), речь, абстрактное мышление, суждения.

Искусственное стимулирование моторной области коры больших полушарий обусловливает движение соответствующей части тела. Контроль движения части тела контралатерально соответствующей зоны моторной области коры больших полушарий, ответственного за движение этой части тела. Верхние части тела контролируются частями моторной области коры больших полушарий, расположенными ниже. Дальнейшие исследования, проведенные рядом ученых, показали, что различные этапы зрительного восприятия связаны с разной активностью нейронов коры головного мозга. Одна активность соответствует ранним этапам обработки зрительного стимула и стимульной признаки, другая активность соответствует поздним этапам восприятия, характеризующиеся фокальной вниманием, синтезом и интеграцией признаков.

Также темами когнитивной нейробиологии являются:

6. Последние тенденции

Одной из наиболее значимых современных тенденций в когнитивной неврологии в том, что область исследования постепенно расширяется: от локализации области мозга для выполнения конкретных функций в головном мозге взрослого человека с помощью одной технологии исследования расходятся в разных направлениях, таких как мониторинг быстрого сна, машина, способная воспринимать электрическую активность мозга во время сна.

Марихуана против Альцгеймера. Ученые Института биологических исследований Солка (США) обнаружили, что основное психоактивное вещество в марихуане, тетрагидроканнабинол (ТГК), и несколько других активных соединений уничтожают бета-амилоидные бляшки на выращенных в лабораторных условиях нейронах. Бета-амилоид — это токсичный белок, накапливающийся в мозге людей, страдающих болезнью Альцгеймера. Болезнь прогрессирует за счет клеточного воспаления в головном мозге, которое также ослабляется за счет психоактивных веществ марихуаны. Основная заслуга исследования в том, что оно открывает новые горизонты в изучении возможных эффектов марихуаны.

Объем памяти нашего мозга в 10 раз больше, чем мы думали. Мы ценим наш мозг за способность хранить и обрабатывать большие объемы информации. Но исследования группы американских ученых из Университета Калифорнии выявили, что реальные возможности мозга в десять раз больше, чем было принято считать до этого. Ученые доказали, что человеческий мозг способен вмещать столько информации, сколько вмещает всемирное интернет-пространство. Чтобы прийти к такому выводу, ученые построили 3D-модель гиппокампа нейронов мозга (гиппокамп — это часть лимбической системы мозга, участвующая в консолидации кратковременной памяти в долговременную), в которых переходы и синапсы повторяются дважды в 10% случаев. Ученый Терри Сежноуски назвал это «настоящей бомбой» в области неврологии.

Болеутоляющие средства обостряют хронические боли. Недавние исследования показали, что всего 5 дней лечения крыс морфином привели к возникновению хронической боли, которая продолжалась у них в течение нескольких месяцев. Опиоидные препараты повлияли на поведение глиальных клеток у подопытных животных: эти клетки должны защищать нервы спинного и головного мозга от повреждений, однако после многократного употребления морфина этого не происходит, и появляется повышенная чувствительность к боли. Если результаты исследования будут аналогичными и в случае с людьми, это объяснит зависимость от сильных обезболивающих средств: помогая на поверхностном уровне, препараты продлевают и усиливают болевой синдром в долгосрочной перспективе.

Сахар как наркотик. Наши привычки причудливым образом влияют на работу мозга. Например, даже такие сигналы нервной системы как «стоп» и «идти» меняются под воздействием зависимости от сахара. Как и другие наркотики, пристрастие к сахару сказывается на том, как именно мозг контролирует электрические сигналы, связанные либо с погоней за удовольствием, либо с пресечением этого желания. Выходит, что тяга к сахару — это не просто аппетит и вкусовые предпочтения, а результат изменений мозга, вызванных мощным химическим воздействием. Это еще одно исследование, которое доказывает, что мы недооценивали влияние сахара на наш организм. Кстати, другая научная работа прошлого года рассматривает генетические повреждения памяти, вызванные фруктозой. Скорее всего, тема зависимости нашего мозга от сладкого станет в ближайшем будущем одной из наиболее актуальных в науке.

Счастье заложено в генах? В ходе одного из крупнейших на сегодняшний день исследований, рассматривающего связи настроения и состояния человека с генетикой, ученые пришли к выводу — корни нашего психологического мировосприятия кроются в геноме. Более 190 исследователей из 17 стран мира проанализировали данные генома практически 300 тысяч человек. Результаты проявили себя в наборе генетических вариаций, связанных с субъективным чувством благосостояния — т. е. мыслями и чувствами, которые возникают у нас относительно уровня и качества нашей жизни, что психологи определяют как центральный компонент счастья. Аналогичным образом были обнаружены генетические вариации, связанные с депрессией и неврозом. Следующий вопрос заключается в том, как эти вариации взаимодействуют с окружающей нас средой, и может ли депрессия быть выявлена методом генетических исследований до ее клинического проявления.

Профилактика болезни Альцеймера: первые шаги. Исследования прошлого года открыли новые перспективы в создании медицинских препаратов по профилактике болезни Альцгеймера, а возможно, и других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона. Сотрудники Байлоровского медицинского колледжа, ученые Техасской детской больницы и Медицинской школы при Университете Джонса Хопкинса общими усилиями ищут возможность препятствовать скоплению токсичных белков в человеческом мозге — т. е. работать на опережение, а не разрушать уже образовавшиеся тау-белки. Это большой прорыв в области борьбы с Альцгеймером, потому что основные исследования до сих пор были сконцентрированы на лечении поздних стадий заболевания.

Как апноэ во время сна влияет на мозг. Апноэ сна — внезапная остановка дыхания, которая может длиться 20−30 секунд, а порой и дольше. Нередко апноэ связывают с повышенным риском инсульта, депрессиями и дорожно-транспортными происшествиями. Исследования показали, что беспокойные ночи с апноэ провоцируют своего рода химические «американские горки», выбрасывая нейротрансмиттеры GABA (гамма-аминомасляная кислота) и глутамат. Как итог — страдающие ночным апноэ более чутко реагируют на стресс, испытывают проблемы с концентрацией внимания и подвержены частым перепадам эмоций.

Ходить за счастьем. Среди множества исследований, изучающих благотворное влияние пешей ходьбы на эмоциональное состояние человека, можно выделить одну из недавних работ. Так, ученые утверждают, что ходьба улучшает настроение, даже когда мы не ожидаем и не планируем такого эффекта. В ходе трех экспериментов, в которых приняли участие более сотни человек (не подозревающих, что процесс ходьбы здесь один из объектов исследования), было установлено, что всего за 12 минут ходьбы увеличилась веселость, энергичность, внимательность и уверенность в себе испытуемых, по сравнению с тем же временем, проведенным сидя. Важный и приятный вывод: борьба с депрессией и подавленным состоянием не требует финансовых вложений и походов к специалисту. Порой достаточно просто выйти из дома и отправиться на прогулку.

Социальные сети и социальные возможности. Большинство работ в области психологии, связанные с социальными сетями, изучают их влияние на эмоциональное состояние человека: например, является Facebook триггером хорошего настроения или провоцирует депрессию. В прошлом году появились изыскания, которые сфокусированы на том, как Facebook управляет нашими отношениями. С одной стороны, социальные медиа представляются прекрасным инструментом, чтобы расширить наши коммуникационные возможности, преодолев так называемое число Данбара — количество постоянных социальных связей, которые человек может поддерживать. Но нет: по данным ученых, число Данбара все еще в силе, и наш мозг в состоянии контролировать не более 150 отношений (т.е. знать и помнить черты характера и другие особенности человека). Так что расширение социальных связей благодаря соцсетям довольно условное — сколько бы «друзей» у вас ни было отмечено, ваш мозг способен «дружить» лишь с узким кругом.

Напоминания на стикерах все еще самые эффективные. Никакие новые технологии не заменят привычных для нас напоминаний, написанных на бумажке и закрепленных где-нибудь на виду, утверждают ученые, которые посвятили этой теме целое исследование. Сегодня наша жизнь становится все насыщеннее и напряженнее, поэтому такие практические знания, подтвержденные научными экспериментами, просто необходимы.