Nie udało się jeszcze określić sposobów kodowania złożonej myśli w mózgu, nie potrafimy wyjaśnić, jak idee zamieniają się w słowa ani w jaki sposób tworzy się trwała pamięć. Jednak według naukowców odkrywamy kolejne tajemnice mózgu, które umożliwią opracowanie neurotechnologii uczenia się.
Na marginesach neuronauki badacze konstruują futurystyczne urządzenia zwiększające naszą zdolność uczenia się. Niektóre z nich to przenośne stymulatory nerwowe, pozwalające zwiększyć naszą koncentrację, inne to skomplikowane zestawy słuchawkowe, które mają umożliwić bezprzewodowy przesył informacji z jednego mózgu do drugiego.
Śledząc elektryczną aktywność mózgu, naukowcy odkrywają, jak usprawnić nasz proces uczenia się. Inni, w większości finansowani przez amerykańską Agencję Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych (Defense Advanced Research Projects Agency), naukową sekcję Pentagonu, próbują zwiększyć zdolność mózgu do uczenia się przez rozszerzenie naszego naturalnego zakresu zmysłów o inne długości fal świetlnych lub częstotliwości elektromagnetyczne.
Równolegle do tych badań pracują eksperci od edukacji, którzy starają się zrozumieć, w jaki sposób przyjęty przez nas model edukacji i siedzenie w szkolnej klasie wpływają na rozwój naszych mózgów. W ramach największego w USA długoletniego badania rozwoju mózgu u dzieci obserwuje się zmiany poznawcze u 11 tys. uczniów przez dziesięć lat.
Interfejsy mózg-komputer, nad którymi pracuje między innymi Neuralink, firma Elona Muska, mają zwiększyć ilość szybkich połączeń w mózgu, a w efekcie zmienić sposób uczenia się, jednak ceną za to jest operacja mózgu.
Wszystkie te – oraz inne – postępy, jakie poczyniliśmy w neurotechnologii, mogą zmienić sposób funkcjonowania naszych mózgów i przyswajania informacji, a co za tym idzie – wpływać na nasze poczucie własnej wartości. Oprócz tego możliwość stymulacji mózgu to także możliwość zmiany zachowania, a nawet cech charakteru. Czasopismo „APL Bioengineering” opublikowało nowy przegląd tych zagadnień, z którego wynika, że tego typu ingerencje mogą nawet zmieniać czyjąś tożsamość.
Tego typu badania i odkrycia prowadzą jednak do trudnych pytań natury etycznej. „Gdyby istniała proteza, która poprawiłaby pamięć danej osoby, czy byłaby to nieuczciwa przewaga?” – zastanawia się neurobiolog Robert Hampson z Wake Forest Baptist Medical Center w Winston-Salem, N.C.
„Nie chcemy tworzyć klas społecznych składających się z tych, którzy mają dostęp do technologii, i tych, którzy go nie mają” – twierdzi Alfred Emondi, kierownik programu w Biurze Technologii Biologicznych Darpa.
Chmury z neuronów
W klasach przyszłości uczniowie nie będą ograniczeni do wysłuchiwania słów nauczyciela. Będą mogli przejmować wiedzę bezpośrednio z jego umysłu. Naukowcy uważają, że bezprzewodowy zestaw słuchawkowy umożliwiający wymianę informacji pomiędzy dwoma mózgami może wejść w fazę testów klinicznych już za kilka miesięcy. Będzie to kolejny krok w stronę łączenia umysłów ze sobą, a także bezprzewodowego podłączania mózgu do sieci komputerowych.
Projekt opracowywany jest w amerykańskim Departamencie Obrony, a jego budżet wynosi 18 mln dolarów. W jego ramach naukowcy pod kierownictwem Jacoba Robinsona neuroinżyniera z Uniwersytetu Rice, łączą zaawansowaną fizykę optyczną, nanotechnologię, stymulację magnetyczną i inżynierię genetyczną. Efektem ma być przenośny system, który za pośrednictwem światła dekodować będzie aktywność neuronów w jednym mózgu, a następnie zakoduje ją w formie pola magnetycznego przesyłanego do innego mózgu. Choć jest to skomplikowane, odbywać się będzie w ułamku sekundy.
„Można by pomyśleć słowo lub obraz i bezpośrednio i prawie natychmiastowo przenosić go do kogoś innego” – mówi doktor Robinson.
Aby odczytywanie aktywności neuronów było możliwe, naukowcy chcą wykorzystać inżynierię genetyczną, by zmodyfikować neurony, które po terapii genowej miałyby w czasie swojej aktywności pochłaniać światło. Ta technika jest już w trakcie opracowywania, choć początkowo miała służyć leczenia choroby Alzheimera. Jeśli uda się wywołać drobne fluktuacje światła za sprawą neuronów, zmiany te mogą być wychwytywane przez detektory fotonów (kolejny nowy wynalazek) zlokalizowane w zestawie słuchawkowym. Stamtąd już możliwe będzie przekazanie ich do innego mózgu. W celu zapisania informacji sygnały magnetyczne aktywowałyby neurony odbiorcze.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley oraz amerykańskiego Instytutu Produkcji Molekularnej uważają, że już za 20-30 lat, jeśli eksperymenty się powiodą, uda się stworzyć sieć tego typu nieinwazyjnych połączeń neuronowych, która będzie funkcjonowała jak „Internet myśli”, tworząc chmurę połączonych w czasie rzeczywistym neuronów. Da to dostęp do superkomputerowych pamięci, a także umożliwi przetwarzanie danych i tworzenie systemów sztucznej inteligencji.
„Czekam na dzień, w którym ludzie będą łączyć swoje mózgu w miejscu pracy i w szkolnej klasie, a nawet w sytuacjach społecznych” – przyznaje doktor Robinson.
Na dobrą pamięć
Bioinżynierowie próbują też wzmocnić pamięć za pomocą implantów mózgowych. Ich działanie opiera się na wychwytywaniu i korygowaniu błędów potencjalnie zachodzących w naszym mózgu w trakcie kodowania nowych informacji.
Grupa naukowców z Wake Forest i Uniwersytetu Południowej Kalifornii w Los Angeles pod przewodnictwem doktora Hampsona odkryła podczas ostatnich testów, że ich urządzenie wszczepiane chirurgicznie może zwiększyć wydajność mózgu podczas prostych testów pamięciowych nawet o 37 proc. Testy objęły 15 ochotników, którzy wcześniej cierpieli na ciężkie przypadki padaczki, więc w ramach jej leczenia mieli już wszczepione elektrody w różnych częściach mózgu, w tym w hipokampie.
Badania te zmierzają do stworzenia bezprzewodowej protezy pamięci. Wyglądem mogłaby przypominać czapkę, a jej włożenie pomagałoby uczyć się nowych rzeczy. Taka technologia znajdowałaby szerokie zastosowanie, począwszy od osób cierpiących na chorobę Alzheimera, przez żołnierzy po urazach mózgu, a skończywszy na studentach przygotowujących się do egzaminów. Jej rozwinięcie zajmie jednak jeszcze kilkadziesiąt lat.
„Pamięć jest niezbędna dla naszych funkcji poznawczych. Pozwala nam tworzyć narrację naszego życia” – mówi Matthew Pava, kierownik programu w Biurze Technologii Biologicznych Darpa.
To nie jedyny taki projekt. Kilka grup testuje także eksperymentalne implanty w korze skroniowej. To obszar zaangażowany w przypominanie sobie słów. Innym obszarem szczególnego zainteresowania jest hipokamp, który działa jak centrala do uczenia się i przypominania sobie informacji.
Ostatnio naukowcom z Wake Forest i USC udało się pobudzić uszkodzone komórki pamięci za pomocą stymulacji sygnałami elektrycznymi, które zostały zarejestrowane przez zdrowe neurony. Ochotnicy oglądali obrazy roślin, zwierząt i krajobrazów, w tym czasie implant monitorował aktywność ich mózgu. Dzięki temu mógł wykryć źle działające komórki, a następnie odtworzyć sygnały prawidłowo funkcjonującego neuronu. To z kolei unieważniało wcześniejszy błędny sygnał, dzięki czemu oglądany obraz zostawał poprawnie zapisany w pamięci.
„To prawie jak posiadanie lepszej wersji ciebie, która uczy cię, gdy masz słabą pamięć, aby mieć ją lepszą” – mówi Dong Song, inżynier biomedyczny z USC i współautor badania.
Już w tej chwili testy dają przekonujące argumenty na to, że urządzenie poprawia niezwykle ważną funkcję naszego mózgu – przechowywanie i przywoływanie wspomnień. To pierwszy raz, gdy naukowcom udało się zidentyfikować kod komórek mózgowych pacjenta, a następnie wykorzystać go do usprawnienia działania pamięci.
Myśl pod prąd
Finansowani przez Darpa naukowcy szukają sposobów, by zwiększyć moc mózgu, zoptymalizować jego pracę za pomocą mikroimpulsów elektrycznych zasilających kluczowe nerwy. To jak rozrusznik serca, ale dla umysłu, a jego celem jest zwiększenie zdolności uczenia się. Jeśli uda się dopracować to rozwiązanie, to za pomocą niewielkiej elektrody lub odpowiedniego urządzenia, z którego skorzystamy w czasie nauki, będziemy w stanie opanować nowy język w kilka miesięcy – zamiast kilku lat.
Inni naukowcy skupiają się na działaniu dwóch nerwów: nerwu błędnego, który ciągnie się od szyi do brzucha i bierze udział w kontrolowaniu nastrojów, reakcjach układu odpornościowego, trawieniu i rytmie serca, oraz nerwu trójdzielnego, przekazującego informacje sensoryczne do twarzy i żuchwy.
Jeśli przyłożymy niewielką strużkę prądu do któregoś z tych nerwów, może to spowodować większe uwalnianie neuroprzekaźników w mózgu – acetylocholiny, dopaminy, serotoniny i noradrenaliny. Mają one zdolność wzmacniania połączeń synaptycznych, a to oznacza zwiększenie efektywności uczenia się, a dokładniej do koncentrowania uwagi, zauważania i rozumienia wzorców, zapamiętywania i organizowania zdobytych informacji.
W badaniach tych wykorzystuje się technikę, która wcześniej służyła do kontrolowania przewlekłego bólu. Implant nerwu błędnego wszczepiono przeszło 100 tys. pacjentów cierpiących na trudne przypadki epilepsji, depresji, klasterowych bólów głowy i migreny.
W tej chwili naukowcy nie potrafią jednak precyzyjnie dostrajać impulsów elektrycznych, nie potrafią zatem wywołać stanu optymalnego dla nauki. Poza tym poważnie niepożądane skutki uboczne takich zabiegów, choć nie są obecnie znane, pozostają możliwe.
„Jeśli uda nam się zmniejszyć inwazyjność tych urządzeń, a jednocześnie upewnić się, że angażujemy nerwy, będziemy mogli wyjść poza stosowanie ich u osób, które doznały urazu lub cierpią na jakieś dolegliwości” – mówi Justin Williams, neuroinżynier z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, który prowadzi badania nad wpływem stymulacji nerwowej na proces uczenia się.
Rozwój poprzez gry
Nieco inne podejście do poprawiania procesów poznawczych ma doktor Jan L. Plass, ekspert z Uniwersytetu Nowojorskiego, współautor książki „Handbook of Game-based Learning”. Jego zdaniem przyszłość leży w cyfrowym uczeniu się, dlatego wraz z kolegami zajmującymi się psychologią rozwojową, neurobiologią i edukacją opracował trzy eksperymentalne gry mobilne. Kierowane są one do dzieci w wieku poniżej czterech lat i można je pobrać za darmo. Ich celem jest poprawa umiejętności poznawczych, pamięci, koncentracji i elastyczności myślenia. To wynik czteroletniego projektu finansowanego przez amerykański Departament Edukacji. Skuteczność tych gier została udowodniona w badaniach opublikowanych aż w ośmiu pracach naukowych.
Oczywiście na rynku znajdziemy tysiące gier edukacyjnych i aplikacji, jednak ich skuteczność rzadko kiedy udowadniana jest naukowo – na co wskazało badanie najpopularniejszych gier tego typu opublikowane w tym roku w „Journal of Experimental Psychology”.
„Gwakkamolé”, to pierwsza gra od doktora Plassa. Jej celem jest rozbudzanie zdolności do kontrolowania swojej uwagi, zachowania, myśli i emocji. Z kolei „CrushStations” pozwala na trening pamięci roboczej. „All You Can ET” natomiast wzmacnia elastyczność poznawczą, to znaczy trenuje zdolność „przełączania” myślenia o dwóch różnych koncepcjach.
„Gry są oparte na naszym rozumieniu tego, jak działa mózg, jak uczymy się przetwarzać informacje i jak przeżywamy emocje. Jeśli jesteś w pozytywnym, zrelaksowanym stanie podczas nauki, okazało się, że jest to niezwykle pomocne” – zauważa ich autor.
Wspomniane gry to wciąż trwający eksperyment. Badacze sprawdzają ich skuteczność poprzez testowanie funkcji mózgu u dzieci przed i po graniu.
Jak mierzyć koncentrację u uczniów
Naukowcy próbują też obserwować nasze mózgi i w czasie rzeczywistym wykrywać w nich sygnały nudy, nieuwagi, skupienia i koncentracji. Badacze z Baylor College of Medicine przyglądają się mięśniom rozszerzającym źrenicę oka. Robią to przy użyciu specjalnej kamery z filtrami podczerwonymi i ultrafioletowymi. Taki zabieg jest bezbolesny i nieinwazyjny, a pozwala na monitorowanie chemicznych przemian mózgu. Także w tym przypadku celem jest optymalizacja warunków uczenia się.
Prowadząc swoje badania na myszach, naukowcy zaobserwowali zależność między rozszerzeniem źrenic a poziomem kluczowych przy nauce neuroprzekaźników, między innymi acetylocholiny. Jej wyższy poziom wspomaga uwagę, pamięć i zdolność uczenia się. Zwiększając ilość acetylocholiny, można wywołać skupienie.
Praktycznie za każdym razem, gdy badany jest system poprawy pamięci czy uwagi, konieczne jest śledzenie aktywności neuroprzekaźników wewnątrz mózgu. Biosensory rejestrujące zmiany w źrenicach dostarczają istotnych informacji zwrotnych podczas testowania urządzeń mających zapewnić lepsze wyniki w nauce. Na razie przetestowano je na zwierzętach oraz kilku ochotnikach z poważnymi zaburzeniami neurokognitywnymi.
„Gdybyśmy dysponowali naprawdę czułymi odczytami dynamiki źrenicy, moglibyśmy otrzymać pomiar tego, czy ludzie zwracają uwagę lub są zaangażowani” – mówi neurobiolog Matthew James McGinley, który w Baylor prowadzi badania nad omawianym biosensorem. „Można by go zintegrować z narzędziami do nauki online, aby nadawać tempo informacjom, a nawet zmieniać strategię nauczania, gdy ludzie przestają reagować”.
Naukowcy są przekonani, że udoskonalenie tego czujnika pozwoli zamontować go w soczewkach kontaktowych oraz goglach do rzeczywistości wirtualnej. Prace nad eksperymentalnymi soczewkami kontaktowymi mogącymi monitorować biomarkery, a przez to także zdrowie osób, które je noszą, trwają już w wielu laboratoriach bioinżynieryjnych.
„To może być kiedyś opcja przy zakupie soczewek kontaktowych” – mówi dr McGinley. „To tak, jakby mieć elektrodę w pniu mózgu”.
