Способность осваивать новые двигательные навыки имеет решающее значение почти во всех аспектах нашей жизни. С момента рождения ребенок учится двигать ручками и кистями, произносить слова и ходить. Такие навыки часто приобретаются на практике, в течение многих тысяч повторений. Некоторые повторения лучше других, и в целом они продолжают улучшаться.
В основе этих улучшений лежат изменения в проводке мозга. Миллионы связей между нейронами во многих областях мозга, а также между мозгом и мышцами должны быть скорректированы. Позже эти изменения необходимо закрепить, чтобы они не были потеряны, когда одни и те же области мозга используются для изучения другого навыка.
Общий принцип, лежащий в основе сложных движений
Большой проблемой в понимании биологической основы такого обучения является различная природа различных навыков: «Считается, что очень похожие механизмы лежат в основе обучения игре на фортепиано или обучению говорить, но задействованные мышцы и движения совершенно разные», - говорит Зепп Коллморген, постдоктор Института нейроинформатики Цюрихского университета.
В новом исследовании Института нейроинформатики исследователи из Цюрихского университета и ETH Zurich проанализировали общие принципы, лежащие в основе обучения навыкам. Коллморген и группа исследователей представили общую схему, позволяющую свести множество изменений, происходящих в сложном двигательном навыке, в простую «траекторию», которая позволяет им сказать, как и когда меняется навык, не рассматривая все детали процесса. задействованные движения.
Зебровые амадины повторяют песню тысячу раз в день
Исследователи использовали эту новую схему для изучения того, как молодые самцы зебровых зябликов постепенно учатся петь. В дикой природе они пытаются имитировать песню взрослого зебрового зяблика, а позже используют ее для ухаживания за самками. Когда им около 40 дней, они начинают пытаться воспроизвести песню, репетируя много тысяч раз в день в течение следующих трех месяцев.
«Мы думаем, что мозговые процессы, участвующие в этом обучении, могут быть аналогичны тем, которые работают у людей, когда они осваивают двигательные навыки», - говорит Ричард Ханлозер, профессор нейроинформатики в ETH Zurich. Одним из больших преимуществ изучения этого процесса у птиц является то, что у исследователей есть гораздо более точные инструменты для наблюдения за тем, что происходит в мозгу во время процесса обучения.
Хорошие песни постоянно улучшаются, плохие гораздо меньше
Траектории обучения, обнаруженные исследовательской группой у зебровых зябликов, преподнесли несколько сюрпризов: во-первых, они показали, что процесс обучения является многоуровневым, в том смысле, что хорошие и плохие песни меняются по-разному. В любой день большинство песен звучат похоже друг на друга, но иногда птице удается издать песню, которая особенно хороша или звучит очень плохо. Ученые обнаружили, что самые лучшие песни медленно, но неуклонно улучшаются в течение дня и не меняются за одну ночь. На следующее утро лучшие песни звучат как лучшие песни предыдущего вечера. С другой стороны, очень плохие песни быстро улучшаются в течение дня, но за ночь птица забывает большую часть того, чему научилась. На следующее утро очень плохие песни звучат почти так же плохо, как и песни предыдущего утра.
С другой стороны, траектории обучения показали, что из многих изменений, происходящих в течение дня, большинство из них сбрасываются в одночасье, по-видимому, потому, что они не связаны с тем, что птица пытается петь. «Одним из толкований этого является то, что птицы невероятно эффективны. Сон позволяет им прекрасно помнить все хорошее, чему они научились в течение дня, и забыть все то, что не важно», - объясняет Валерио Манте, профессор Университета Великобритании. Цюрих и последний автор исследования.
Терапевтический потенциал для человека
Лучшее понимание поведения закладывает основу для понимания того, что происходит в мозгу во время обучения. Это знание имеет большой терапевтический потенциал. Если бы мы могли понять, почему так трудно вспомнить улучшения в плохих частях поведения, можно было бы разработать более эффективные графики тренировок для реабилитации взрослых, восстанавливающихся после инсульта или несчастного случая. Исследователи заключают, что, в конечном счете, можно даже улучшить и стимулировать обучение и консолидацию, воздействуя непосредственно на определенные области мозга..