Молекулы радости: как наш мозг создает нейронные связи и формирует привычки и интеллект

Когда-то считалось, что мозг взрослого не пластичен, но оказалось, что это не так. Отдельные нейроны и целые структуры могут менять связи и формировать их, адаптируясь к изменениям. Термин «нейропластичность» был введен польским нейрофизиологом Ежи Конорским еще в середине прошлого века, но исследовать нейропластичность начали сравнительно недавно.

Статья проверена кандидатом медицинских наук, неврологом Euromed Clinic — Павлом Сергеевичем Дыниным.

Синаптическая пластичность

Синапс — это промежуток между двумя нейронами, где они обмениваются информацией. Активный нейрон выпускает в синапс нейротрансмиттеры, которые сообщают пассивному, что ему делать: активироваться или оставаться пассивным. В нашем мозгу около ста миллиардов нейронов, каждый из которых связан с тысячами других, и процесс «общения» между ними занимает доли секунды. Синаптическая нейропластичность — это «привычка» нейронов к тому, что некий конкретный нейрон часто возбуждает своего «соседа». Иными словами, если нейроны часто общаются, им хочется делать это чаще и чаще. Совсем как людям.

Если такое происходит со множеством нейронов в одной области, появляются целые «команды» нейронов — нейросети. Именно так формируется память или новые навыки. Мы приучаем «команды» нейронов общаться, активируя их снова и снова нашей стимуляцией (учимся кататься на лыжах, например), и в какой-то момент связь «команды» становится прочной и тело легко повторяет знакомые движения.

Наоборот, если мы долго не пользуемся ранее привычными навыками, тропинки зарастают — нейроны в этой области общаются реже, и связи между ними слабеют. Так мы забываем ненужный нам иностранный язык, а пациент, оказавшийся на зондовом кормлении, разучивается глотать. Казалось бы, от этого явления один вред, но нет: именно так можно, например, отучить себя от предрассудков (усилием воли перестать плохо думать о людях другой национальности) и даже ослабить депрессию. Когнитивные терапевты предлагают пациентам найти привычные «дорожки», по которым ходят их депрессивные мысли, и протоптать взамен них другие, а эти оставить «зарастать». И это работает.

Запомнить всё: общие рекомендации

Если вы сталкиваетесь с большим потоком информации на учёбе или в работе и вам нужно постоянно держать данные в голове, есть способы добавить мозгу несколько гигабайтов памяти.

Поймите значения

Согласно «кривой забывания», составленной немецким психологом Германом Эббингаузом, срок хранения новой информации в мозге человека при механическом заучивании и без понимания не так высок. Через час можно вспомнить лишь 60% изученного, через 10 часов — 35%, а спустя неделю — не более 20%.

Осмысленная же информация загружается в долгосрочную память и, следовательно, хранится намного дольше, особенно если периодически правильно её повторять.

Повторяйте правильно

Есть универсальный алгоритм повторения информации, состоящий из 3 этапов:

1. Загрузка. Цель этапа — создать максимально прочную нейронную связь, повторяя небольшой объём: в среднем 5 единиц информации подряд, пока следующее и предыдущее повторения не сравняются по скорости.
2. Закрепление. Этап представляет собой регулярные повторения информации в течение недели. Задача — дойти до максимальной скорости и удерживать её 7 дней, каждый раз увеличивая время до следующего повторения. Повторять нужно таким же образом, как на этапе загрузки.
3. Сохранение. Главная задача — периодически повторять информацию, чтобы скорость не снижалась.

Подробный алгоритм правильного повторения информации вы узнаете из этого видео.

Алгори

Когда вы повторяете информацию, разделите её на 2 типа:

• легко вспоминается;
• не вспоминается или вспоминается хуже.

По такому принципу удобно запоминать иностранные слова. Если вы используете карточки (подробный алгоритм описан в статье), при втором повторении разделите их на 2 стопки: те слова, которые вспомнились моментально, и те, что вспомнились чуть медленнее или не вспомнились вообще. С каждой группой нужно работать отдельно, чаще повторяя именно «сложные» карточки.

«Воронка» позволяет повторять легче и эффективнее, поэтому с большим объёмом информации рекомендуем поступать таким образом.

Интервальное повторение

При обычных интервальных повторениях мы вспоминаем материал по одному разу через конкретные промежутки времени. Но эти промежутки подходят далеко не всем — у каждого человека свои особенности памяти.

Представьте, что вам надо вскипятить воду. Вряд ли вы будете включать и выключать газ через определённые промежутки времени: через 2 минуты, потом через 10, потом через 15. Лучше вскипятить воду сразу и поддерживать температуру.

С нейронными связями ситуация аналогичная — интервалы лишь мешают им быстрее закрепиться. Когда нейронные связи прочные, информация забывается медленнее и быстрее воспроизводится в памяти. Почему мы помним известную строчку «Мороз и солнце, день чудесный!»? Всё это работа крепких нейронных связей.

Источник: giphy.com

Поэтому повторять следует до тех пор, пока скорость воспроизведения материала не перестанет расти, то есть темп последних 4–5 повторений будет примерно одинаковым. Промежутки между предыдущим и последующим повторениями нужно постепенно увеличивать, а скорость воспроизведения всегда доводить до максимума. Через некоторое время вы будете всё быстрее и быстрее вспоминать изученное.

Важно: при каждом новом цикле повторений следите за тем, чтобы скорость воспроизведения не падала.

Настройтесь на позитив

Как ни странно, наш настрой и мысли напрямую влияют на процесс. Если изначально вы будете постоянно говорить себе: «У меня никогда не получится выучить это» или «Я не справлюсь с этим никогда», то вряд ли вы достигнете цели. Старайтесь использовать лишь позитивные утверждения, чтобы программировать свой мозг на работу и отличный результат.

Скажите себе: «Я всё вспомню!», «У меня хорошая память, и я с лёгкостью перескажу этот сложный параграф». Дайте себе понять, что так или иначе у вас всё получится.

Пластичность целых областей мозга

Области, отвечающие за определенные функции, могут увеличиваться и уменьшаться в результате тренировки. Например, в коре мозга людей, упражняющихся в игре на фортепиано, очень быстро увеличиваются области, которые отвечают за движения пальцев. Более того, области увеличивались, даже когда участники исследования лишь думали о том, как они будут играть. Также доказано, что у опытных водителей такси гиппокамп, отвечающий в том числе за пространственное мышление, становится больше по мере увеличения водительского стажа.

На этом основан принцип реабилитации мозга после травмы или инсульта. Предположим, у пациента плохо работает левая рука. Ему предлагают ограничить движения здоровой руки и попробовать действовать поврежденной. Мозг начинает увеличивать размеры зоны, отвечающей за поврежденную руку, вовлекая в процесс управления рукой здоровую часть двигательного отдела, включая соответствующие зоны в противоположном полушарии. Таким образом, мозг реорганизует свою деятельность, адаптируется, и рука начинает шевелиться лучше.

На нейропластичности основаны методы, связанные с биологической обратной связью. Эти методы позволяют лучше научить мозг управлять разными функциями организма, например, зрением при некоторых видах его нарушения. Метод предполагает тренировки с приборами, дающими обратную связь при выполнении специальных упражнений. По-видимому, наше зрение на три четверти делает мозг. Обучаясь адаптироваться к тем особенностям зрения, которые невозможно исправить, можно научить мозг корректировать неверную картинку и «неправильными» глазами видеть более «правильно». В школах зрения нейропластичность используется путем выполнения специальных заданий: читать надписи разного цвета и размера, оценивать расстояние до объекта. Задания предлагает программа, оценивающая прогресс пациента.

Это интересно. Существует теория, что именно наша нейропластичность — виновник фантомных болей при ампутации конечностей.

Ученые полагают, что когда область, отвечающая за ощущения, идущие от ампутированной руки или ноги, «лишается работы», соседние области спешат взять их функцию на себя. В результате та часть тела, за которую они отвечали изначально, начинают воспринимать ощущения «за себя и за того парня» (то есть, ампутированную конечность).

Виды нейронов и нейронных связей

Нейроны можно обнаружить в различных органах человека, а не исключительно в головном мозге. Большое их количество расположено в рецепторах (глаза, уши, язык, пальцы рук – органы чувств). Совокупность нервных клеток, которые пронизывают наш организм составляет основу периферической нервной системы. Выделим основные виды нейронов.

Слаженная работа нейронов трех типов выглядит так: человек «слышит» запах шашлыка, нейрон передает информацию в соответствующий раздел мозга, мозг передает сигнал желудку, который выделяет желудочный сок, человек принимает решение «хочу есть» и бежит покупать шашлык. Упрощенно так это действует.

Самыми загадочными являются промежуточные нейроны. С одной стороны, их работа обуславливает наличие рефлекса: дотронулся до электричества – отдернул руку, полетела пыль –зажмурился. Однако, пока не объяснимо как обмен между волокнами рождает идеи, образы, мысли?

Единственное, что установили ученые, это тот факт, что любой вид мыслительной деятельности (чтение книг, рисование, решение математических задач) сопровождается особой активностью (вспышкой) нервных клеток определенного участка головного мозга.

Есть особая разновидность нейронов, которые именуются зеркальными. Их особенность заключается в том, что они не только приходят в возбуждение от внешних сигналов, но и начинают «шевелиться», наблюдая за действиями своих собратьев – других нейронов.

От чего зависит нейропластичность

• От состояния сосудов. Чем активнее кровоснабжение мозга, тем лучше работают нейроны.
• От возраста. Все-таки нейропластичность выше у молодых, чем у пожилых людей.
• От тренировки. Чем чаще мы повторяем определенное действие, чем интенсивнее и методичнее мы стремимся обучиться, тем выше вероятность, что нейроны будут кооперироваться для выполнения этого действия.
• От времени начала тренировок. После травмы или инсульта лучше начинать тренироваться как можно раньше, так как иначе мозг успевает адаптироваться к происходящему (перестает учитывать поврежденные функции), и активизировать их со временем становится труднее.
• От разнообразия практики. Чем чаще мы применяем нейропластичность, тем она выше. При обучении конкретному навыку растет обучаемость нашего мозга вообще.

Строение нейрона

На рисунке приведено строение нейрона. Он состоит из основного тела и ядра. От клеточного тела идет ответвление многочисленных волокон, которые именуются дендритами.

Мощные и длинные дендриты называются аксонами, которые в действительности намного длиннее, чем на картинке. Их протяженность варьируется от нескольких миллиметров до более метра.

Аксоны играют ведущую роль в передаче информации между нейронами и обеспечивают работу всей нервной системы.

Место соединения дендрита (аксона) с другим нейроном называется синапсом. Дендриты при наличии раздражителей могут разрастись настолько сильно, что станут улавливать импульсы от других клеток, что приводит к образованию новых синаптических связей.

Синаптические связи играют существенную роль в формировании личности человека. Так, личность с устоявшимся позитивным опытом будет смотреть на жизнь с любовью и надеждой, человек, у которого нейронные связи с негативным зарядом, станет со временем пессимистом.

Упражнения, направленные на повышение нейропластичности

Все эти упражнения связаны с тем, чтобы предложить своему мозгу выполнять привычные для него вещи непривычным образом и собирать для этого «другие команды» нейронов. Тренируя мозг на непривычные действия, мы держим его в тонусе и улучшаем обучаемость.

• Действовать не ведущей рукой

Для начала можно попробовать чистить зубы или есть другой рукой. По мере того как вам будет проще делать это, перейдите обратно на ведущую руку.

• Выключать зрение

Попробуйте есть, принимать душ, делать другие привычные вещи с закрытыми глазами (только осторожно).

• Менять мелкие привычки

Найдите десять новых способов добраться до работы. Пообедайте не в том месте квартиры, где вы это делаете обычно.

• Смотреть на мир перевернутым

Можно делать это, заглядывая «под коленки», как это делают дети, или переворачивать привычные предметы и разглядывать их в другом ракурсе.

По некоторым исследованиям, регулярная медитация и физические нагрузки также позволяют повысить нейропластичность.

Эпоха

При инициализации нейронной сети эта величина устанавливается в 0 и имеет потолок, задаваемый вручную. Чем больше эпоха, тем лучше натренирована сеть и соответственно, ее результат. Эпоха увеличивается каждый раз, когда мы проходим весь набор тренировочных сетов, в нашем случае, 4 сетов или 4 итераций.

Важно
не путать итерацию с эпохой и понимать последовательность их инкремента. Сначала n раз увеличивается итерация, а потом уже эпоха и никак не наоборот. Другими словами, нельзя сначала тренировать нейросеть только на одном сете, потом на другом и тд. Нужно тренировать каждый сет один раз за эпоху. Так, вы сможете избежать ошибок в вычислениях.

Ошибка

Ошибка — это процентная величина, отражающая расхождение между ожидаемым и полученным ответами. Ошибка формируется каждую эпоху и должна идти на спад. Если этого не происходит, значит, вы что-то делаете не так. Ошибку можно вычислить разными путями, но мы рассмотрим лишь три основных способа: Mean Squared Error (далее MSE), Root MSE и Arctan. Здесь нет какого-либо ограничения на использование, как в функции активации, и вы вольны выбрать любой метод, который будет приносить вам наилучший результат. Стоит лишь учитывать, что каждый метод считает ошибки по разному. У Arctan, ошибка, почти всегда, будет больше, так как он работает по принципу: чем больше разница, тем больше ошибка. У Root MSE будет наименьшая ошибка, поэтому, чаще всего, используют MSE, которая сохраняет баланс в вычислении ошибки.
MSE

Root MSE

Arctan

Принцип подсчета ошибки во всех случаях одинаков. За каждый сет, мы считаем ошибку, отняв от идеального ответа, полученный. Далее, либо возводим в квадрат, либо вычисляем квадратный тангенс из этой разности, после чего полученное число делим на количество сетов.