Почему процесс обучения в конечном итоге останавливается

Многим, кто пытался выучить новый язык или освоить музыкальный инструмент, знакома такая ситуация: сначала прогресс идет быстро, а потом наступает плато, которое не удается преодолеть, сколько бы они ни практиковались и ни концентрировались.

Биологи из Университета Мэриленда выявили физический механизм в мозге, который может помочь объяснить возникновение таких плато: структуры, напоминающие строительные леса и окружающие клетки мозга, – внеклеточный матрикс – помогают контролировать, когда мозг может меняться в процессе обучения. В слуховой коре этот матрикс ослабевает в течение нескольких часов после тренировочного занятия и восстанавливается примерно за сутки – этот цикл позволяет усвоенному материалу закрепиться до следующего занятия. По мере освоения навыка цикл восстановления ослабевает и в конце концов полностью прекращается, как будто мозг решает, что обучение завершено и пора закрепить полученные знания.. Результаты исследования опубликованы в журнале Труды Национальной академии наук (Proceedings of the National Academy of Sciences).

“Впервые мы смогли увидеть, что процесс ремоделирования меняется по мере накопления опыта. Он начинается на ранних этапах обучения, ослабевает, а затем постепенно прекращается”, – говорит старший автор исследования Мелисса Карас, доцент кафедры биологии Университета Мэриленда. «Это говорит о том, что мозг не просто пассивно хранит полученную информацию, но и активно регулирует, когда можно продолжать обучение, а когда его следует прекратить, чтобы сформированные навыки не были утрачены, а не перезаписаны».

От жёсткого каркаса к активному циклу

На протяжении десятилетий учёные считали, что эта матрица в мозге взрослого человека представляет собой жёсткий барьер, своего рода каркас, который удерживает нейронные связи на месте и с возрастом затрудняет процесс обучения. Это объясняет, почему маленькие дети без труда осваивают иностранные языки, в то время как взрослым приходится прилагать усилия, чтобы выучить каждое слово. В раннем детстве плотные сетчатые структуры, стабилизирующие нейронные связи, еще недостаточно развиты, поэтому мозг более открыт для изменений. По мере взросления ребёнка матрица созревает и «закрепляется», жертвуя гибкостью ради стабильности.

Хотя в более ранних исследованиях также отмечалось, что матрица меняется в процессе обучения, учёные изучали её лишь эпизодически, зачастую в течение нескольких дней или недель, и пришли к выводу, что она восстанавливается медленно и в течение длительного времени. Команда Караса проследила за циклом изменений в течение гораздо более коротких промежутков времени и обнаружила, что матрица взрослого мозга гораздо более динамична. Исследователи выяснили, что матрица не остаётся неизменной, а меняется в быстром ритме, связанном с тренировками: она ослабевает после отработки навыка, а на следующий день снова закрепляется.

Эта скорость важна, потому что она означает, что матрица ослабевает и восстанавливается в те же сроки, что и тренировка, которая способствует обучению. Каждая тренировка дает возможность для изменений, и результаты, достигнутые за один день, закрепляются за ночь и становятся отправной точкой для следующего дня.

Когда матрикс разрушается

Чтобы проверить, действительно ли внеклеточный матрикс способствует обучению, ученые использовали фермент, разрушающий матрикс, что замедлило процесс обучения. Чем сильнее был поврежден матрикс, тем сильнее снижалась способность к обучению и освоению навыков. А когда матрикс разрушался после успешного освоения навыка, эффективность обучения начинала снижаться.

“Вместо того чтобы показывать свои лучшие результаты, на которые вы способны, вы начинаете работать на троечку с минусом”, – объясняет Карас. “Вы не теряете навык полностью, мастерство заметно ослабевает”.

Узкое окно возможностей для переобучения

Хотя исследование ученых все еще находится на ранней стадии и до его непосредственного применения на людях еще далеко, исследователи считают, что полученные результаты открывают интригующие перспективы, особенно в том, что касается подходов к обучению и запоминанию. Основываясь на выводах своей команды, Карас предполагает, что плато в изучении языка может быть результатом того, что задействованные области мозга переходят из состояния “готовности к обучению” в более стабильное, при этом матрица закрепляет достигнутые успехи.

“Работа команды также может найти применение в реабилитации слуха, в частности, в оказании помощи пациентам с кохлеарными имплантами, которым необходимо обучить свой мозг интерпретации совершенно нового типа сигнала”, – объясняет Карас.

“Человек, которому недавно установили устройство, может быть более восприимчив к обучению, чем тот, кто пользуется им долгое время и чей мозг уже пришел в стабильное состояние”, – говорит Карас. “Если существует безопасный способ ненадолго возобновить обучение, то это могло бы им помочь приобрести навыки интерпретации сигналов от имплантата”.

В настоящее время исследователи работают над выявлением молекул, которые вызывают изменения в матриксе, регистрируют действия мозга в течение короткого периода времени, когда матрикс ослабевает для обучения, а также изучают роль матрикса в потере слуха и связанных с ней расстройствах.

“Загвоздка в том, что, по-видимому, один и тот же матриск нужен и для того, чтобы учиться, и для того, чтобы удерживать в памяти полученные знания”, – говорит она. «В долгосрочной перспективе мы надеемся научиться временно открывать этот матрикс по своему желанию, чтобы сделать процесс обучения более доступным».