Якщо порівнювати з дитинчатами інших тварин, можна сказати, що людина народжується з недорозвиненим мозком: його маса в новонародженого становить лише 30% від маси мозку дорослого. Еволюційні біологи припускають, що ми повинні народжуватися недоношеними, щоб наш мозок розвивався, взаємодіючи із зовнішнім середовищем. Розповідаємо про процес навчання з точки зору нейробіології та як мозок змінюється під впливом досвіду, а також чим під час навчання корисні сон і лінь.
Хто вивчає феномен навчання
Питанням, навіщо мозку вчитися, займаються щонайменше дві важливі науки – нейробіологія та експериментальна психологія. Нейробіологія, що вивчає нервову систему і те, що відбувається в мозку на рівні нейронів у момент навчання, працює найчастіше не з людьми, а з щурами, равликами і черв’ячками.
Фахівці з експериментальної психології намагаються зрозуміти, які речі впливають на здатність до навчання людини: наприклад, дають їй важливе завдання, що перевіряє її пам’ять або здатність до навчання, і дивляться, як вона з ним справляється. Ці науки інтенсивно розвивалися в останні роки.
Якщо дивитися на навчання з точки зору експериментальної психології, то корисно згадати, що ця наука – спадкоємиця біхевіоризму, а біхевіористи вважали, що мозок – чорний ящик, і їх принципово не цікавило, що в ньому відбувається. Вони сприймали мозок як систему, на яку можна впливати стимулами, після чого в ній трапляється якась магія, і вона певним чином на ці стимули реагує.
Біхевіористів цікавило, який вигляд може мати ця реакція і що на неї здатне впливати. Вони вважали, що навчання – це зміна поведінки внаслідок освоєння нової інформації. Це визначення досі широко застосовується в когнітивних науках. Скажімо, якщо студенту дали почитати Канта і він запам’ятав, що є “зоряне небо над головою та моральний закон у мені”, озвучив це на екзамені та йому поставили п’ятірку, отже, відбулося навчання.
З іншого боку, таке ж визначення можна застосувати і до поведінки морського зайця (аплізії). Нейробіологи часто ставлять досліди з цим молюском. Якщо бити аплізію струмом у хвостик, вона починає боятися навколишньої реальності і втягувати зябра у відповідь на слабкі стимули, яких вона раніше не боялася. Таким чином, у неї теж відбувається зміна поведінки, навчання. Це визначення можна застосовувати і до ще простіших біологічних систем.
Уявімо собі систему з двох нейронів, з’єднаних одним контактом. Якщо ми подамо на неї два слабких імпульси струму, то в ній тимчасово зміниться провідність і одному нейрону стане легше подавати сигнали іншому. Це теж навчання на рівні цієї маленької біологічної системи. Таким чином, від навчання, яке ми спостерігаємо в зовнішній реальності, можна побудувати місток до того, що відбувається в мозку. У ньому є нейрони, зміни в яких впливають на нашу реакцію на середовище, тобто на навчання, яке відбулося.
Як працює мозок
Але щоб говорити про мозок, потрібно мати базове уявлення про його роботу. Зрештою, у кожного з нас у голові є ці півтора кілограма нервової тканини. Мозок складається з 86 мільярдів нервових клітин, або нейронів. Типовий нейрон має тіло клітини з безліччю відростків. Частина відростків – дендрити, які збирають інформацію і передають її на нейрон. А один довгий відросток, аксон, передає її наступним клітинам.
Під передачею інформації в межах однієї нервової клітини мається на увазі електричний імпульс, який іде по відростку, як по дроту. Один нейрон взаємодіє з іншим через місце контакту, яке називається “синапс”, сигнал йде за допомогою хімічних речовин. Електричний імпульс призводить до вивільнення молекул – нейромедіаторів: серотоніну, дофаміну, ендорфінів.
Вони просочуються через синаптичну щілину, впливають на рецептори наступного нейрона, і він змінює свій функціональний стан – наприклад, у нього на мембрані відкриваються канали, через які починають проходити іони натрію, хлору, кальцію, калію тощо. Це призводить до того, що на ньому, своєю чергою, теж формується різниця потенціалів, і електричний сигнал іде далі, на наступну клітину.
Але коли клітина передає сигнал іншій клітині, цього найчастіше недостатньо для якихось помітних змін у поведінці, адже один сигнал може вийти і випадково через якісь збурення в системі. Для обміну інформацією клітини передають одна одній багато сигналів. Головний кодувальний параметр у мозку – це частота імпульсів: коли одна клітина хоче щось передати іншій клітині, вона починає посилати сотні сигналів на секунду.
До речі, ранні дослідницькі механізми 1960-70-х років формували звуковий сигнал. У мозок експериментальній тварині імплантували електрод, і за швидкістю тріскоту кулемета, що лунав у лабораторії, можна було зрозуміти, наскільки активний нейрон.
Система кодування за допомогою частоти імпульсів працює на різних рівнях передачі інформації – навіть на рівні простих зорових сигналів. У нас на сітківці є колбочки, які реагують на різні довжини хвиль: короткі (у шкільному підручнику вони називаються сині), середні (зелені) і довгі (червоні).
Коли на сітківку надходить хвиля світла певної довжини, різні колбочки збуджуються різною мірою. І якщо хвиля довга, то червона колбочка починає інтенсивно подавати сигнал у мозок, щоб ви зрозуміли, що колір червоний. Утім, тут усе не так просто: у колбочок перекривається спектр чутливості, і зелена теж удає, що вона щось таке побачила. Далі мозок самостійно це аналізує.
Як мозок ухвалює рішення
Принципи, аналогічні тим, що використовуються в сучасних механічних дослідженнях і дослідах на тваринах з імплантованими електродами, можна застосовувати і до набагато складніших поведінкових актів. Наприклад, у мозку є так званий центр задоволення – прилегле ядро.
Що активніша ця область, то сильніше піддослідному подобається те, що він бачить, і вища ймовірність, що він захоче це купити або, наприклад, з’їсти. Експерименти з томографом показують, що за певною активністю прилеглого ядра можна ще до того, як людина озвучить своє рішення, припустімо, щодо купівлі кофтинки, сказати, буде вона її купувати чи ні. Як каже прекрасний нейробіолог Василь Ключарьов, ми робимо все, щоб сподобатися нашим нейронам у прилеглому ядрі.
Складність у тому, що у нас у мозку немає єдності суджень, кожен відділ може мати свою думку про те, що відбувається. Історія, схожа на суперечку колбочок у сітківці, повторюється і з більш складними речами.
Припустимо, ви побачили кофтинку, вона вам сподобалася, і ваше прилегле ядро видає сигнали. З іншого боку, ця кофтинка коштує 9 тисяч рублів, а зарплата ще за тиждень – і тоді ваша амигдала, або мигдалеподібне тіло (центр, пов’язаний насамперед із негативними емоціями), починає видавати свої електричні імпульси:
Слухай, залишається мало грошей. Якщо ми зараз купимо цю кофтинку, у нас будуть проблеми.
Лобова кора ухвалює рішення залежно від того, хто голосніше кричить – прилегле ядро чи амігдала. І тут ще важливо, що кожного разу згодом ми здатні проаналізувати наслідки, до яких це рішення призвело.
Річ у тім, що лобова кора спілкується і з амигдалою, і з прилеглим ядром, і з відділами мозку, пов’язаними з пам’яттю: вони їй розповідають, що сталося після того, як минулого разу ми ухвалювали таке рішення. Залежно від цього лобова кора може уважніше поставитися до того, що кажуть їй амигдала і прилегле ядро. Так мозок здатен змінюватися під впливом досвіду.
Чому ми народжуємося з маленьким мозком
Усі людські діти народжуються недорозвиненими, буквально недоношеними порівняно з дитинчатами будь-якого іншого виду. Жодна тварина не має настільки довгого дитинства, як людина, і в них не буває потомства, що народжувалося б із настільки маленьким мозком відносно маси мозку дорослого: у людського новонародженого вона становить лише 30%.
Усі дослідники сходяться на думці, що ми змушені народжувати людину незрілою через значний розмір її мозку. Класичне пояснення – це акушерська дилема, тобто історія конфлікту між прямоходженням і великою головою. Щоб народити дитинча з такою головою і великим мозком, потрібно мати широкі стегна, але неможливо їх нескінченно розширювати, бо це заважатиме ходити.
За підрахунками антропологині Холлі Дансуорт, щоб народжувати більш зрілих дітей, достатньо було б збільшити ширину родового каналу всього на три сантиметри, але еволюція все одно в якийсь момент зупинила розширення стегон. Еволюційні біологи припустили: ймовірно, ми і повинні народжуватися недоношеними, щоб наш мозок розвивався у взаємодії із зовнішнім середовищем, адже в матці загалом досить мало стимулів.
Є знамените дослідження Блекмора і Купера. Вони в 70-ті роки проводили досліди з кошенятами: більшу частину часу тримали їх у темряві й на п’ять годин на день саджали в освітлений циліндр, де вони отримували не зовсім звичайну картину світу. Одна група кошенят протягом кількох місяців бачила тільки горизонтальні смуги, а інша – тільки вертикальні.
У підсумку в кошенят виникли великі проблеми зі сприйняттям реальності. Одні врізалися в ніжки стільців, бо не бачили вертикальних ліній, інші в такий самий спосіб ігнорували горизонтальні – наприклад, не розуміли, що в столу є край. З ними проводили тести, грали за допомогою палички. Якщо кошеня росло серед горизонтальних ліній, то горизонтальну паличку воно бачить і ловить, а вертикальну просто не помічає.
Потім імплантували електроди в кору головного мозку кошенят і дивилися, яким має бути нахил палички, щоб нейрони почали видавати сигнали. Важливо, що з дорослим котом під час такого експерименту нічого б не трапилося, а ось світ маленького кошеняти, чий мозок тільки вчиться сприймати інформацію, внаслідок такого досвіду може бути назавжди спотворений. Нейрони, які ніколи не піддавалися впливу, перестають функціонувати.
Чим люди схожі на молюсків
Ми звикли вважати, що чим більше зв’язків між різними нейронами, відділами людського мозку, тим краще. Це так, але з певними застереженнями. Потрібно не просто щоб зв’язків було багато, а щоб вони мали якийсь стосунок до реального життя. У півторарічної дитини синапсів, тобто контактів між нейронами в мозку, набагато більше, ніж у професора Гарварда чи Оксфорда.
Проблема в тому, що ці нейрони пов’язані хаотично. У ранньому віці мозок швидко дозріває, і його клітини формують десятки тисяч синапсів між усім і всім. Кожен нейрон розкидає відростки на всі боки, і вони чіпляються за все, до чого змогли дотягнутися. Але далі починає працювати принцип “Використовуй, або втратиш”.
Мозок живе в навколишньому середовищі і намагається справлятися з різними завданнями: дитину вчать координувати рухи, хапати брязкальце тощо. Коли їй показують, як їсти ложкою, у неї в корі залишаються зв’язки, корисні, щоб їсти ложкою, бо саме через них вона ганяла нервові імпульси. А зв’язки, які відповідають за те, щоб розкидати кашу по всій кімнаті, стають менш вираженими, тому що батьки такі дії не заохочують.
Процеси росту синапсів досить добре вивчені на молекулярному рівні. Еріку Канделу дали Нобелівську премію за те, що він здогадався вивчати пам’ять не на людях. У людини 86 мільярдів нейронів, і, поки вчений розібрався б у цих нейронах, йому довелося б винищити сотні випробовуваних. А оскільки ніхто не дозволяє розкривати мізки стільком людям заради того, щоб подивитися, як вони навчилися тримати ложку, Кандел придумав працювати з равликами.
Аплізія – суперзручна система: з нею можна працювати, вивчивши всього чотири нейрони. Насправді у цього молюска більше нейронів, але на його прикладі набагато простіше виявити системи, пов’язані з навчанням і пам’яттю. Під час експериментів Кандел зрозумів, що короткочасна пам’ять – це тимчасове посилення провідності вже наявних синапсів, а довготривала полягає в зростанні нових синаптичних зв’язків. Це виявилося застосовним і до людини – схоже на те, як ми ходимо по траві.
Спочатку нам байдуже, куди йти на полі, але поступово ми протоптуємо стежину, яка потім перетворюється на ґрунтову дорогу, а потім на асфальтовану вулицю і трисмугове шосе з ліхтарями. Схожим чином нервові імпульси протоптують собі доріжки в мозку.
Як формуються асоціації
Наш мозок так влаштований: він формує зв’язки між подіями, що відбуваються одночасно. Зазвичай під час передачі нервового імпульсу виділяються нейромедіатори, які впливають на рецептор, і електричний імпульс іде на наступний нейрон. Але є один рецептор, який працює не так, він називається NMDA. Це один із ключових рецепторів для формування пам’яті на молекулярному рівні. Його особливість у тому, що він працює в тому разі, якщо сигнал прийшов з обох боків одночасно.
Усі нейрони кудись ведуть. Один може привести у велику нейронну мережу, яка пов’язана зі звучанням модної пісеньки в кафе. А інші – в іншу мережу, пов’язану з тим, що ви пішли на побачення.
Мозок заточений на те, щоб пов’язувати причину і наслідок, він на анатомічному рівні здатний запам’ятати, що між піснею і побаченням є зв’язок. Рецептор активується і пропускає через себе кальцій. Він починає вступати у величезну кількість молекулярних каскадів, які призводять до роботи деяких генів, що до цього не працювали. Ці гени проводять синтез нових білків, і виростає ще один синапс.
Так зв’язок між нейронною мережею, що відповідає за пісеньку, і мережею, що відповідає за побачення, стає міцнішим. Тепер навіть слабкого сигналу достатньо, щоб пішов нервовий імпульс і у вас сформувалася асоціація.
Як навчання впливає на мозок
Є знаменита історія про лондонських таксистів. Не знаю, як зараз, але буквально кілька років тому для того, щоб стати справжнім таксистом у Лондоні, потрібно було скласти іспит з орієнтації в місті без навігатора – тобто знати щонайменше дві з половиною тисячі вулиць, односторонній рух, дорожні знаки, заборони на зупинку, а також уміти вибудувати оптимальний маршрут. Тож, щоб стати лондонським таксистом, люди кілька місяців ходили на курси.
Дослідники набрали три групи людей. Одна група – ті, хто вступив на курси, щоб стати таксистами. Друга група – ті, хто теж ходив на курси, але кинув навчання. А люди з третьої групи взагалі не думали ставати таксистами. Усім трьом групам учені зробили томограму, щоб подивитися щільність сірої речовини в гіпокампі.
Це важлива зона мозку, пов’язана з формуванням пам’яті та просторовим мисленням. Виявилося, що якщо людина не хотіла ставати таксистом або хотіла, але не стала, то щільність сірої речовини в її гіпокампі залишалася такою ж, як і раніше. А от якщо вона хотіла стати таксистом, пройшла тренінг і справді опанувала нову професію, то щільність сірої речовини збільшилася на третину – це дуже багато.
І хоча до кінця не зрозуміло, де причина, а де наслідок (чи то люди справді опанувати новою навичкою, чи то в них від самого початку була добре розвинута ця ділянка мозку, й тому їм було легко навчитися), цілком точно наш мозок – дико пластична штука, й індивідуальне навчання серйозно на нього впливає – значно більшою мірою, аніж вроджені схильності.
Важливо, що і в 60 років навчання впливає на мозок. Звісно, не так ефективно і швидко, як у 20, але загалом мозок протягом усього життя зберігає деяку здатність до пластичності.
Навіщо мозку лінуватися і спати
Коли мозок чогось вчиться, він вирощує нові зв’язки між нейронами. А це процес повільний і дорогий, на нього потрібно витрачати багато калорій, цукру, кисню, енергії. Взагалі, людський мозок, притому що його вага становить лише 2% від ваги всього тіла, споживає близько 20% усієї енергії, яку ми отримуємо.
Тому за будь-якої можливості він намагається нічому не вчитися, не витрачати енергію. Насправді це дуже мило з його боку, адже якби ми запам’ятовували все, що бачимо щодня, то ми досить швидко збожеволіли б.
У навчанні, з точки зору мозку, є два принципово важливих моменти. Перший полягає в тому, що, коли ми опановуємо будь-яку навичку, нам стає легше діяти правильно, ніж неправильно. Наприклад, ви вчитеся водити машину з механічною коробкою передач, і вам спочатку однаково, перемикати передачу з першої на другу чи з першої на четверту.
Для вашої руки і мозку всі ці рухи рівноймовірні; вам неважливо, в який бік гнати нервові імпульси. А коли ви вже більш досвідчений водій, то вам фізично простіше перемикати передачі правильно. Якщо ви потрапите в машину з принципово іншою конструкцією, вам знову доведеться замислюватися і контролювати зусиллям волі, щоб імпульс не пішов второваною доріжкою.
Другий важливий момент: головне в навчанні – це сон. У нього багато функцій: підтримання здоров’я, імунітету, обміну речовин і різних сторін роботи мозку. Але всі нейробіологи сходяться в тому, що найголовніша функція сну – це робота з інформацією та навчанням.
Коли ми освоїли якусь навичку, то хочемо сформувати довготривалу пам’ять. Нові синапси ростуть кілька годин, це довгий процес, і мозку найзручніше це робити саме тоді, коли ви нічим не зайняті. Під час сну мозок обробляє інформацію, отриману за день, і стирає те, що з цього треба забути.
Є експеримент із щурами, де їх навчали ходити лабіринтом із імплантованими в мозок електродами і виявили, що уві сні вони повторювали свій шлях лабіринтом, а наступного дня ходили по ньому краще. У багатьох тестах на людях показано, що те, що ми вивчили перед сном, згадається краще, ніж вивчене зранку.
Виходить, що студенти, які беруться за підготовку до іспиту десь ближче до півночі, все роблять правильно. З тієї ж причини важливо думати про проблеми перед сном. Звичайно, заснути буде складніше, але ми завантажимо питання в мозок, і, можливо, на ранок прийде якесь рішення. До речі, сновидіння – це, найімовірніше, просто побічний ефект обробки інформації.
Як навчання залежить від емоцій
Навчання великою мірою залежить від уваги, тому що вона спрямована на те, щоб знову і знову проганяти імпульси конкретними шляхами нейронної мережі. З величезної кількості інформації ми на чомусь фокусуємося, беремо це в робочу пам’ять. Далі те, на чому ми утримуємо увагу, потрапляє вже в пам’ять довготривалу.
Ви могли зрозуміти всю мою лекцію, але це не означає, що вам буде легко її переказати. А якщо ви просто зараз на аркуші паперу намалюєте велосипед, то це не означає, що він буде добре їздити. Люди схильні забувати важливі деталі, особливо якщо вони не фахівці з велосипедів.
У дітей завжди були проблеми з увагою. Але зараз у цьому сенсі все стає простіше. У сучасному суспільстві вже не так потрібні конкретні фактичні знання – просто їх стало неймовірно багато. Набагато важливішою виявляється здатність швидко орієнтуватися в інформації, відрізняти перевірені джерела від недостовірних.
Нам уже майже й не потрібно довго концентруватися на одному й тому самому та запам’ятовувати великі обсяги інформації – важливіше швидко перемикатися. Крім того, зараз з’являється все більше професій якраз для людей, яким складніше концентруватися.
Є ще один важливий фактор, що впливає на навчання, – емоції. Насправді це взагалі головне, що в нас було впродовж багатьох мільйонів років еволюції, ще до того, як ми наростили всю цю величезну лобову кору. Цінність опановування тією чи іншою навичкою ми оцінюємо з погляду того, радує вона нас чи ні. Тому чудово, якщо вдається наші базові біологічні емоційні механізми залучати до навчання.
Наприклад, вибудовувати таку систему мотивації, в якій лобова кора не думає про те, що ми маємо вивчити щось за допомогою посидючості та цілеспрямованості, а в якій прилегле ядро каже, що йому просто до біса подобається це заняття.