Бодрствующий мозг учится в четыре раза быстрее, чем спящий +12


AliExpress RU&CIS

Исследователи из Национальных институтов здравоохранения США записали активность нейронов мозга людей при обучении. Они обнаружили, что в перерывах между обучением мозг в три раза быстрее воспроизводит сжатые воспоминания, чем во время обучения. Кроме того, бодрствующий мозг в четыре раза быстрее запоминает навыки, чем спящий. 

Общие принципы работы человеческой памяти известны давно. Она обусловлена активностью нейронов и нервных путей, объединяющих клетки. Полученные из окружающей среды данные органы чувств преобразуют в электрические импульсы. Импульсы многократно проходят по нервным путям, благодаря чему происходит запоминание информации. Поскольку все процессы в мозге требуют много энергии, неиспользуемую информацию нейроны «забывают» и тратят энергию на востребованные цели.

Команда нейробиологов из Национальных институтов здравоохранения США в ходе нового исследования изучала процесс перехода знаний из кратковременной памяти в долговременную (консолидация). Они поставили целью выяснить, как именно бодрствующий мозг переводит информацию в долговременную память. 

Исследователи предположили, что для этого мозг многократно реактивирует паттерны нейронной активности с новой информацией. Таким образом, основная часть обучения навыкам происходит в перерывах между обучением в автономном режиме, а не во время самого обучения. 

Для проверки гипотезы учёные собрали группу испытуемых из 33 правшей с нормальными показателями неврологического обследования. Исследователи отмечают, что в группу не вошли музыканты. Структурные и функциональные связи между нейронами в мозгу музыкантов отличаются от связей у людей, не занимающихся музыкой. В слуховых областях обоих полушарий мозга музыкантов присутствуют усиленные функциональные связи, поэтому нейроны могут иначе усваивать навыки. 

Отобранные исследователями участники повторяли одну и ту же отображённую на экране последовательность пяти клавиш. В это время исследователи визуализировали мозговую активность методом магнитоэнцефалографии (МЭГ). Также учёные собрали данные МЭГ за пять минут до занятия и пять минут после его окончания.

В условия выполнения задачи учёные включили требование набирать последовательность пальцами левой неведущей руки и закрепили за каждой клавишей свой палец. Испытуемые выполнили 36 повторений по 10 секунд с перерывами по 10 секунд между каждым повтором. Общее время занятия составило 12 минут.   

(А) Испытуемые многократно вводят последовательность 41324 левой рукой, нажимая клавишу 4 указательным пальцем, 3 средним пальцем, 2 безымянным пальцем и 1 мизинцем. Всего 36 повторений по 10 секунд на каждый с перерывами по 10 секунд между каждым повторением. Вся тренировка длилась 12 минут + по 5 минут отдыха до и после начала занятий, записанные МЭГ. (В) Кривая производительности. Навык измеряется как правильная скорость набора последовательности — seq/с. Средняя производительность быстро росла в начале обучения. 95 % всего обучения произошло в первых 1—11 испытаниях. (С) Скорость seq/с используется для количественной оценки прироста производительности во время практики (голубой) и во время отдыха (сиреневый) в ходе раннего периода обучения. (D) Скорость seq/с во время занятий (голубой), во время отдыха (сиреневый) и общее во время всего раннего обучения (зелёный). Повышение навыков происходит в промежутках между периодами бодрствования, а не во время активной практики. Толстые горизонтальные линии и связанные с ними прямоугольники показывают среднее значение по группе.   
(А) Испытуемые многократно вводят последовательность 41324 левой рукой, нажимая клавишу 4 указательным пальцем, 3 средним пальцем, 2 безымянным пальцем и 1 мизинцем. Всего 36 повторений по 10 секунд на каждый с перерывами по 10 секунд между каждым повторением. Вся тренировка длилась 12 минут + по 5 минут отдыха до и после начала занятий, записанные МЭГ. (В) Кривая производительности. Навык измеряется как правильная скорость набора последовательности — seq/с. Средняя производительность быстро росла в начале обучения. 95 % всего обучения произошло в первых 1—11 испытаниях. (С) Скорость seq/с используется для количественной оценки прироста производительности во время практики (голубой) и во время отдыха (сиреневый) в ходе раннего периода обучения. (D) Скорость seq/с во время занятий (голубой), во время отдыха (сиреневый) и общее во время всего раннего обучения (зелёный). Повышение навыков происходит в промежутках между периодами бодрствования, а не во время активной практики. Толстые горизонтальные линии и связанные с ними прямоугольники показывают среднее значение по группе.   

Данные МЭГ исследователи дешифровали методом опорных векторов. Для обучения четырёх дешифраторов исследователи использовали отрезки данных с активностью мозга во время нажатия клавиш (по дешифратору на каждый палец). После применили дешифраторы к данным МЭГ, записанным до, во время и после выполнения заданий. Дешифраторы искали повторения нейронной активности в диапазоне 25–2 500 мс. К концу обучения средняя последовательность повторений (41324) составляла 1037,7 ± 61,7 мс. 

Частота воспроизведения зависела от степени сжатия информации. В начале обучения нейроны сжали информацию о наборе клавиш (41324) до 50 мс (в 20 раз меньше, чем в конце обучения). Наибольшее число воспроизведений по 50 мс дешифратор обнаружил во время первых этапов эксперимента — 25 повторений на 10 секунд (в три раза чаще, чем во время обучения). 

Исследователи применили к полученным данным метод главных компонентов (PCA) и выяснили, что воспроизведение навыков проходит преимущественно в сенсомоторной, энторинальной и гиппокампальной областях. На эти области приходится около 67,8 % всех повторений. Учёных удивил этот факт, поскольку считается, что гиппокамп и энторинальная кора не играют существенной роли в формировании долговременной памяти. Оказалось, наоборот — они быстро взаимодействуют с сенсомоторной корой при обучении навыкам, описанным в исследовании. 

Полученные в ходе исследования данные говорят о том, что бодрствующий отдых в сочетании с практикой напрямую влияет на успех обучения. Память о полученных навыках лучше усваивается, если между упражнениями есть небольшие перерывы. Большую часть информации мозг усваивает в автономном режиме в бодрствующем состоянии и намного быстрее, чем предполагали исследователи. Консолидация памяти во время бодрствования проходит в четыре раза быстрее, чем во время сна.

Исследователи также обнаружили, что частота воспроизведений во время отдыха предсказывала качество обучения. Участники, у которых мозг чаще воспроизводил сжатую информацию в периоды отдыха, демонстрировали большие скачки производительности, чем остальные. 

Материалы исследования опубликованы в статье «Consolidation of human skill linked to waking hippocampo-neocortical replay»в журнале Cell DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109193.




Комментарии (13):

  1. EVolans
    /#23133902 / +1

    С учетом того что человек физиологически не может не спать, получается что самое оптимальное время обучения это когда спишь, а все остальное время это воспроизведение воспоминаний. А я то думал чего сны забываются моментально. (сарказм)
    В чем ценность информации что когда мозг отдыхает он работает меньше — это даже на бытовом уровне так всегда воспринималось и воспринимается. Или до этого были предпосылки что во сне, идет быстрей обучение или нахождение решений?

    • Alexufo
      /#23133944 / +4

      Как человек, пытающийся иногда записывать сны, могу сказать что сны забываются из-за смены некого лексического окружения. Если успеть сесть за комп и настрочить сон, на что есть минут 15, не отвлекаться ни на что, потом воспоминания испаряются. Но во сне вспоминаются забытые детали, оказываешься там и вспоминаешь новые детали прошлых снов. Как будто мозгу подменяют физические константы и окружение и он включает другое мышление и другую банку для памяти.

      Так получается вспоминать маршруты во сне, которые днём и не знал, что такой есть. И ещё я так и не разобрался, нет возможности записи, я вспоминаю стихи школьные во сне, по английски могу говорить гараздо свободнее, но есть подозрение что это может быть иллюзией.

      • Scinolim
        /#23134256 / +2

        Возможно, в эти 15 минут записывания сна вы как раз и придумываете на ходу все детали, а у мозга в этом состоянии имеется большой кусок времени незаполненный воспоминаниями, которые он с радостью дорисовывает как ему угодно ставя флажок «записанное верно, имело место в реальности, которую видел индивид во сне», так как это гарантированно неопровержимая информация.

        • Alexufo
          /#23134274 / +1

          Да уж)) Если бы я их дописывал)) я бы такие истории и сам сочинял))

      • megagnom
        /#23134616 / +1

        Где-то читал, что память связанна с состоянием. Например, кто-то выпивает в баре А. После закрытия бара А он (уже пьяный) идет искать другой и находит бар Б. Утром он не вспомнит, что был в баре Б и дорогу к нему. Но если снова напьется, то с лёгкостью найдет дорогу до бара Б.

        • Alexufo
          /#23135468

          Ага, прямо механизм замыканий из js

      • bullitufa
        /#23135054 / +1

        А поделитесь пожалуйста, с какой целью Вы записываете сны? Что дальше?

        • Alexufo
          /#23135466

          Сборник фантастических рассказов. Например последний был связан с тем что город убивал свое население каждый год. Одно неприметное здание излучало невидимые волны, которые испепеляли людей. Из-за них рвалось пространство и появлялись некие существа не особо опасные, но которых любила отстреливать элита. Я попал в город случайно в дождь, и под мостом увидел одно странное существо. Видимо я попал в город между периодами излучения волн. Решил проследовать за существом, так я нашел это здание, внутри которого люди не бегали в панике, а некоторые сидели на улице с ружьями, обязательно прислонившись к стульями к стенам здания. Пробыл я в городе 3 года так как наблюдал период 3 атак, вероятно был и дольше, потому что последнее что я помню, что источник в начал иссякать, частота атак увеличилась но сила каждой волны была значительно слабее.

          Ну и второе это исследование личных архетипов. На протяжении жизни снится один и тот же дом, с тайными ходами, периодами во времени, историями. Вот если везет я его исследую. Но зарисовать план так и не удается. Это были самые глубокие детские переживания.

          Обязательно присутствовало ощущение правильного перемещения телом в узком типа воздуховода,пространстве, для избегания опасности. В этот дом можно было попасть почти с любого опасного места раньше. Сейчас же дом стал больше местом сюжетов, чем местом для пряток от страхов.

          Ну и сон, это место где графика бывает лучше чем в реальности. Из некоторых и просыпаться не хочется.

          • bullitufa
            /#23137798

            А пробовали специалистам (на сколько их можно считать специалистами) по снам и психологам обращаться? Или может в литературе есть этому (повторение) какое-то объяснение?
            Я без издёвки!
            Интересно, это проклятие или классная тема, с повторяющимся сном?

            • Alexufo
              /#23138356

              Специалисты по снам разве что юнгианские аналитики, немного пробовал, образ дома конечно же я. Давно в доме могли жить чуть ли не динозавры, и я знал куда прятаться, по какому пути мне нужно пролезть, чтобы они от меня отстали. Я знал дом лучше них и знал куда залезть чтобы сделать этот чувственный зигзаг телом, переместиться в пространстве и вылезди в другом помещении. Это очень давно было. потом я уже привык и не прятался. Это все индицидуальные формы борьбы со страхами, это был вроде бы подростковый период.
              Нужно понимать, что сны не одинаковые, одинаковое чувство дома, который имеет разные формы, исторические периоды и разных жильцов. Я не могу передать но нахождение там это чувство абсолютной загадки. Нет ничего интересного в мире больше. Причем я бываю во сне в домах, но свой дом я прекрасно отличаю. Последнее чувство того самого дома это 5 этажное здание. Первые два три этажа я могу посещать свободно. 4 и 5 ый закрыты, разрушена лестница, она такая как в замке винтовая, разрушна. Первый этаж множество комнат, переходящих друг в друга, невероятный восторг перемещаться по ним и быть потрясенным новым содержанием каждой. Не все комнаты открыты, не все я могу посещать свободно. Они хорошо освещены.
              Второй я не помню, а вот третий с выключенным светом, больше похоже на больницу, там нет света и куча старого рентгеновского оборудования и прочие медицинские аппараты. 4- 5-ый даже не знаю что там! Но когда стоял на ступеньках и смотрел на их разрушение, обернулся и увидел дыру в стене, она тоже была разрушена, там был очень красивый восход. Это может быть такая ловушка, тебе картинку и ты сбиваешься с мотивации)) Со снами проблема в том что они сложны к воспроизведению и тем более анализу. Аналитик должен очень хорошо знать человека несколько лет, его быт, образ мыслей, чтобы хоть как-то попытаться прояснить смысл явлений. Но они могут и не иметь смысла. Это определяет сам человек — имеет ли смысл или нет. Поэтому я записываю сюжеты, которые меня удивляют.
              Например, на лифте меня перебросило между мирами. Если двойственность миров последние лет 5 в кино хорошо была обыграна, то этот сон приснился до этих сюжетов. Я оказался в милой лаборатории, где на меня напала детская игрушка. Ее кто-то быстро усмирил. Это было очень стремно. ЕЩе сотрудник лаборатории почесал репу типа, ты че, не знаешь чтоли? Формы одеждв не было и он не понял, что я тут лишний. Как выяснилось, в этом мире вещи ненавидели людей тем больше, чем чаще ты ими пользуешься. Любые, трусы, расчёски, но у этих вещей была другая физика, вещи не изнашивались, это идеальное решение для постройки любых двигателей. И задача лаборатории была в том, чтобы прекратить процесс ненависти к хозяину. Мир на этой физике был совсем другой, нельзя было пользоваться долго чем либо. Был закон, где строго регулировалась использование каждой вещи. У всех было всего по минимуму. Но я видел терракт. Кто-то на моих глазах довел машину до крайней точки. Она стала светится как и все такие вещи — ярко зеленым. Дали резко по тормозам, и убежали. А машина теперь обрела ненависть и способность наносить вред. но кажется они ее так заюзали что она еще должна была взорваться сильно. Это законодательно считалось там террактом.

              Особый прикол когда я этот лифт в Москве на ул. Бутырской увидел. Я еще немного стремался, заходить или нет))

    • BobcatKat
      /#23134098 / +1

      Считается, что основные процессы консолидации проходят во время сна. Исследование показало, что переход от кратковременной памяти к долговременной быстрее проходит в бодрствующем состоянии. Это важно, например, для планирования интервального обучения.

  2. A1054
    /#23134188 / +1

    Учёных удивил этот факт, поскольку считается, что гиппокамп и энторинальная кора не играют существенной роли в формировании долговременной памяти.

    О как