Как стимуляция мозга может сделать умнее: эксперимент DARPA позволил ускорить обучение на 40%

Ученые из Университета Макгилл (McGill University) и HRL Laboratories нашли способ на 40% ускорить ассоциативное обучение путем неинвазивной транскраниальной стимуляции мозга (transcranial direct-current stimulation, tDCS). Примечательно, что исследование спонсировалось Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Его результаты были опубликованы в октябре 2017 года в журнале Current Biology.

Исследователи обнаружили, что во время стимуляции префронтальной коры постоянным электрическим током происходят изменения функциональных связей между различными областями головного мозга, что значительно увеличивает скорость обучения у приматов.

Автор исследования, Прэйвин Пилли (Praveen Pilly), специалист в области нейробиологии и биомедицинского инжиниринга, ранее занимался изучением свойств разных типов нейронов и их влиянием на внимание, память, процесс обучения и усвоения информации. В нынешнем эксперименте, проведенном на макаках, он применил неинвазивное устройство, осуществлявшее стимуляцию током участка мозга, отвечающего за когнитивные функции. Эксперимент, показал, что обучение животных ускорилось после стимуляции при силе тока 2 мА в течение одной секунды.

«В ходе эксперимента мы установили электроды на кожу головы и формировали индивидуальные модели неинвазивной стимуляции префронтальной коры. Эта область мозга контролирует многие ключевые функции, включая принятие решений, когнитивный контроль и контекстную память. Префронтальная кора связана почти со всеми другими кортикальными отделами мозга, и ее стимулирование распространяет эффект на другие участки коры больших полушарий. Поведенческий эффект был подтвержден, когда животные научились быстрее находить награду», — рассказал Пилли.

Поведенческой задачей в этом эксперименте было ассоциативное обучение приматов. Макаки должны были сформировать произвольные ассоциации между визуальными ориентирами и местом, где они получат награду – кусочки еды. Первые попытки поиска еды по визуальным ориентирам заняли около 15 секунд. А после того, как только животное запоминало место получения вознаграждения, ему требовалось приблизительно 2 секунды, чтобы вспомнить ориентиры и найти цель. 

Для того, чтобы «заучить» связь между визуальными обозначениями и едой, каждому из испытуемых понадобились в среднем 22 попытки. Однако если во время получения награды использовали tDCS, результаты менялись: под воздействием электростимуляции приматы учились распознавать визуальные обозначения всего за 12 попыток, то есть на 40% быстрее.  Это исследование показало, что увеличение скорости обучения обусловлено модулированной связью между различными областями мозга, а не скоростью возбуждения нейронов, как считалось раньше.

Кроме того, исследованием Прайвена Пилли было доказано, что tDCS вызывает низкочастотные колебания в ткани коры больших полушарий, которые изменяют функциональную связь не только между участками, ближайшими к очагу стимуляции, но и между удаленными областями мозга. Эти изменения коррелируют с влиянием tDCS на поведение, управление вниманием, запоминание деталей и другие задачи, связанные с обучением. Ученые считают, что испытанное ими устройство сможет стать доступным для широкого применения уже через 5-10 лет.

Неинвазивная транскраниальная стимуляция префронтальной коры уже неоднократно использовалась в ходе предыдущих исследований в различных целях — от реабилитации после инсульта до попыток улучшения когнитивных способностей мозга. Предыдущие исследования показали, что tDCS может помочь в развитии словесной памяти, когнитивных функций и даже улучшить обучение математике. Другие исследователи считают, что tDCS может быть полезной при лечении депрессии и болезни Паркинсона.