Hogyan lehet okosabbá válni

Az idegtudományok határvidékén a kutatók olyan eszközöket találnak ki, amelyek fokozzák a tanulási képességeket, a viselhető idegstimulátoroktól kezdve a szellemi koncentrációt fokozó, viselhető idegstimulátorokon át a vezeték nélküli agy-agy kommunikációt biztosító fejhallgatókig. A gondolatok elektromos suttogását hallgatva egyes tudósok felfedezik, hogyan segíthetnek az idegsejteknek megerősíteni a tanultakat.

Mások, akik közül sokan a Pentagon kutatási részlege, a Defense Advanced Research Projects Agency által finanszírozottak, olyan módszereket dolgoznak ki, amelyekkel az agy tanulási kapacitását javíthatjuk azáltal, hogy természetes érzékszerveink körét kiterjesztjük más fényhullámhosszúságokra vagy elektromágneses frekvenciákra.

Ugyanakkor az oktatási szakértők azon dolgoznak, hogy megértsék, hogyan befolyásolja az osztálytermi oktatás és más tapasztalatok az agy fejlődését. Az Egyesült Államokban valaha végzett legnagyobb hosszú távú, a gyermekkori agyfejlődést vizsgáló tanulmány keretében egy évtizeden keresztül követik nyomon 11 000 fiatal kognitív változásait.

Az új agy-számítógép interfészek, mint például az Elon Musk Neuralink és mások által kifejlesztett interfészek, azt ígérik, hogy az agyon belüli nagysebességű kommunikációs kapcsolatok számának növelésével átalakítják a tanulást. A legtöbbjükhöz azonban agyműtétre van szükség, ami korlátozza alkalmazásukat az egészséges gyermekek és felnőttek körében.

A tanulás neurotechnológiájának fejlődése azt ígéri, hogy megváltoztatja az agy működését, és végső soron az énérzetünket is, mondják a tudósok. Az agyi stimulációs technikák például változásokat idézhetnek elő a viselkedésben és a jellemvonásokban, ami néha a személyes identitástudat megváltozásához vezethet - olvasható az APL Bioengineering című folyóiratban az agyi megfigyelési technológiákról megjelent új áttekintésben.

Az előrelépések kihívást jelentő etikai kérdéseket is felvetnek a hozzáférés, a méltányosság és a magánélet védelme terén. "Ha lenne egy protézis, amely javítaná egy személy memóriáját, az tisztességtelen előny lenne?" - mondja Robert Hampson idegkutató a Wake Forest Baptist Medical Centerben (Winston-Salem, N.C.).

"Nem akarunk társadalmi osztályokat létrehozni azok között, akik hozzáférhetnek a technológiához, és azok között, akik nem" - mondja Alfred Emondi, a Darpa Biológiai Technológiák Hivatalának programvezetője.

Linking Minds

Képzeljünk el egy olyan világot, ahol a diákok nem csak szemtől szembe, hanem elméről elmére gondolnak a tanáraikkal. Egy olyan vezeték nélküli fejhallgató, amely képes információt megosztani az egyik agy és a másik agy között, a következő hónapokban megkezdheti preklinikai tesztelését - mondják a tudósok -, és ezzel egy lépéssel közelebb hozza a valósághoz az osztálytermi elmék és a számítógépes hálózatokkal való vezeték nélküli agykapcsolatok világát.

Egy 18 millió dolláros védelmi minisztériumi projekt keretében a Rice Egyetem neuromérnöke, Jacob Robinson által vezetett tudósok a fejlett optikai fizikát, nanotechnológiát, mágneses stimulációt és géntechnológiát kombinálják egy olyan viselhető rendszerben, amely fényt használ az egyik agyban zajló idegi aktivitás dekódolásához, és mágneses mezőket a másik agyban zajló aktivitás kódolásához, mindezt kevesebb, mint egy huszadmásodperc alatt.

"Képes lennénk egy szóra vagy egy képre gondolni, és ez a kép közvetlenül és szinte azonnal átkerülne valakihez" - mondja Dr. Robinson.

Az idegi aktivitás leolvasásához a kutatócsoport géntechnológiával fogja megváltoztatni az idegsejteket, hogy azok aktív tüzelés közben elnyeljék a fényt, adaptálva egy olyan génterápiás technikát, amelyet már az Alzheimer-kór kezelésére fejlesztenek. Ezeket az apró fényingadozásokat egy fejhallgatóban elhelyezett, újonnan kitalált fotonérzékelőkkel lehet érzékelni, majd továbbítani egy másik agyba. Ahhoz, hogy az információt a fogadó oldalon írni lehessen, mágneses jelek aktiválnák a fogadó neuronokat.

Ha minden sikerül, az összekapcsolt agyak egy napon az elme osztálytermét hozhatják létre. A Berkeley-i Kaliforniai Egyetem és az amerikai Molekuláris Gyártási Intézet tudósai azt jósolják, hogy 20-30 éven belül az ilyen nem invazív neurális kapcsolatok a "gondolatok internetéhez" vezethetnek, amely valós időben összekapcsolja az idegsejteket a hatalmas felhő-számítógépes hálózatokkal, hozzáférést biztosítva a szuperszámítógépes tárolási és feldolgozási képességekhez és a mesterséges intelligencia rendszerekhez.

"Elképzelem azt a napot, amikor az emberek a munkahelyükön és az osztályteremben, sőt még a szociális helyzetekben is összekapcsolódnak majd az agyukkal" - mondja Dr. Robinson.

A memória növelése

A memória erősítése érdekében a biomérnökök olyan agyi implantátumokkal kísérleteznek, amelyek növelik tanulási képességünket, mivel elkapják és kijavítják azokat a hibákat, amelyeket az agy az új információk kódolása során elkövethet.

A Wake Forest és a Los Angeles-i Dél-kaliforniai Egyetem kutatói Dr. Hampson vezetésével a közelmúltban végzett tesztek során megállapították, hogy a műtéti úton beültetett kísérleti eszközük akár 37%-kal is növelheti a teljesítményt egyszerű memóriateszteken. A rendszert 15 olyan önkéntesen tesztelték, akiknek agyának különböző részeibe, többek között a hippokampuszba is, már korábban elektródákat ültettek be sebészi úton, a súlyos epilepszia kezelésére szolgáló agytérképezési eljárás részeként.

A végső cél egy olyan vezeték nélküli memóriaprotézis, amelyet valódi gondolkodó sapkaként bárki viselhetne, aki valami újat szeretne tanulni, a traumás agysérülésekből felépülő veteránoktól kezdve az Alzheimer-kórban szenvedő időseken át az érettségire készülő diákokig. Ez talán még évtizedekre van innen.

"A memória alapvető fontosságú a kognitív működésünkhöz. Ez teszi lehetővé, hogy megalkossuk életünk történetét" - mondja Matthew Pava, a Darpa Biológiai Technológiák Hivatalának programvezetője, aki ennek és más memóriaimplantátumoknak a kifejlesztését finanszírozza, hogy segítse a harcban agysérülést és ebből eredő memóriavesztést szenvedett katonákat.

A tanulási képességek javításának reményében több kutatócsoport kísérleti implantátumokat tesztel a halántékkéregben, amely a szavak felidézésében érintett terület, valamint a hippokampusz nevű, tengeri ló alakú neuronok sűrűn telepített csoportjában, amely a tanulás és az információk felidézésének kapcsolótáblájaként szolgál.

A Wake Forest és az USC legutóbbi kísérlete a sérült memória sejteket egészséges neuronokból rögzített elektromos jelekkel stimulálta. Miközben az önkéntesek növényekről, állatokról és tájakról készült képeket tanulmányoztak, az implantátum folyamatosan figyelte agyi aktivitásukat. Amikor a memóriaképzés során rosszul működő agysejteket észlelt, egy megfelelően működő neuron jelét játszotta le. Úgy tűnt, hogy ez felülírja a hibás jelet, és biztosítja, hogy a megfigyelt kép emlékezete helyesen kódolódjon, mondják a tudósok.

"Ez majdnem olyan, mintha lenne egy jobb változatunk, amely megtanít arra, hogy amikor alacsony a memóriafunkciónk, jobb memóriafunkciót tudjunk elérni" - mondja Dong Song, az USC biomérnöke és a tanulmány társszerzője.

Egyelőre az eszköz meggyőző bizonyítékot nyújt arra, hogy a tudósok képesek az agy egyik legmagasabb rendű funkcióját - az emlékek tárolásának és felidézésének képességét - fokozni. Ez az első alkalom, amikor a tudósok képesek voltak azonosítani a páciens saját agysejtjeinek memóriakódját vagy mintáját, és lényegében "beírni" ezt a kódot, hogy a meglévő memória jobban működjön, mondják a Darpa tisztviselői.

Energizáló gondolat

Gondolj egy pacemakerre az elme számára, amely felerősíti a tanulási képességeket. A Darpa által finanszírozott kutatók módot találnak arra, hogy a kulcsfontosságú idegek mikroimpulzusokkal történő áramellátásával fokozzák az agy teljesítményét. Ha ez egyszer megvalósíthatóvá válik, valaki, aki egy apró elektródát vagy egy speciális készüléket visel tanulás közben, évek helyett hónapok alatt folyékonyan beszélhet egy új nyelvet.

A kutatók a nyaktól a hasig futó, a hangulatot, az immunválaszt, az emésztést és a szívverést irányító vagus idegre, valamint az arc és az állkapocs érzékszervi információit továbbító trigeminális idegre összpontosítottak. A technikát kutató tudósok szerint az e kritikus idegrostokra juttatott csöppnyi elektromos áram olyan neurotranszmitterek felszabadulását idézheti elő az agyban, mint az acetilkolin, a dopamin, a szerotonin és a noradrenalin, amelyek erősítik a szinaptikus kapcsolatokat, és így hatékonyabbá teszik a tanulást.

Ezek javíthatják a figyelemfelkeltő képességünket, a minták felismerését és megértését, az utasítások megjegyzését és az új információk rendszerezését. A törekvés egy olyan technikát fejleszt tovább, amelyet eddig főként a krónikus fájdalom kezelésére használtak. Több mint 100 000 beteg kapott már vagusideg-implantátumot a kezelhetetlen epilepszia, a kezelésre rezisztens depresszió, a klaszteres fejfájás és a migrén kezelésére.

A tudósok azonban még nem tudják, hogyan lehet finomhangolni az elektromos impulzusokat, hogy olyan agyi állapotot idézzenek elő, amely elősegíti a tanulást, vagy hogy vannak-e komoly káros mellékhatásai a gondolkodást serkentő idegek beültetésének.

"Ha ezeket a dolgokat egyre kevésbé invazívvá tudjuk tenni, miközben biztosítjuk, hogy az idegeket is bevonjuk, akkor elkezdhetünk túllépni azon, hogy ezt csak sérült vagy beteg embereknek csináljuk" - mondja Justin Williams, a Wisconsin-Madison Egyetem Darpa által finanszírozott idegmérnöke, aki azt vizsgálja, hogy az idegstimuláció hogyan hathat a tanulásra.

Játék az agyban

Jan L. Plass a kognitív fejlesztés jövőjét összetört avokádók, egy éhes polip és egy csapat szeszélyes idegenben látja. Ezek mind szereplői három kísérleti mobiljátéknak, amelyeket Dr. Plass, a New York-i Egyetem digitális tanulás szakértője és a "Handbook of Game-based Learning" című könyv társszerzője a New York-i Egyetem, a City University of New York és a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem fejlődéspszichológusaival, idegtudósaival és oktatási szakembereivel közösen készít.

A négyéves és idősebb gyermekek számára készült ingyenes játékok célja a kognitív készségek, köztük a munkamemória, a koncentráció és a mentális rugalmasság fejlesztése. A játékok egy négyéves, az Oktatási Minisztérium által finanszírozott projekt eredményeként jöttek létre. A tervezésük hatékonyságát alátámasztó kutatásokat nyolc lektorált tudományos közlemény dokumentálja. Bár a szülők és a tanárok több ezer online oktatójáték és alkalmazás közül választhatnak, kevés bizonyíték van arra, hogy más agyjátékok javítják a tanulási készségeket - derül ki a Journal of Experimental Psychology című folyóiratban idén megjelent tanulmányból, amely a legnagyobb ilyen jellegű tanulmány.

Dr. Plass első játéka, a Gwakkamolé a gátló kontroll, vagyis a figyelem, a viselkedés, a gondolatok és az érzelmek szabályozásának képességét hivatott gyakorolni. A CrushStations a munkamemória edzésére összpontosít. Az All You Can ET a kognitív rugalmasság, azaz a két különböző fogalomról való gondolkodás közötti váltás és az egyidejűleg több gondolattal való zsonglőrködés képességének edzésére szolgál.

"A játékok azon alapulnak, amit az agy működéséről, az információk feldolgozásának megtanulásáról és az érzelmek megéléséről alkotott elképzeléseinkről tudunk" - mondja Dr. Plass. "Ha tanulás közben pozitív, játékos állapotban vagyunk, ez bizonyítottan rendkívül hasznosnak bizonyul".

A játékok azonban még mindig egy folyamatban lévő kísérlet. Annak megállapítására, hogy valóban javítják-e az agyi funkciókat, a tudósok azt tervezik, hogy a Nemzeti Egészségügyi Intézetek által kifejlesztett kognitív tesztek szabványos készletével tesztelik a gyerekeket a játékok előtt és után.

A tanulók megfigyelése

A kutatók az unalom, a figyelmetlenség, az összpontosítás és a koncentráció valós idejű leolvasása érdekében szemmel tartják az agyat. A Baylor College of Medicine tudósai infravörös és ultraibolya szűrőkkel ellátott kamerával érzékelik a szem pupilláját tágító izmok apró változásait. Ez egy nem invazív és fájdalommentes módja az agy kémiájának megfigyelésének annak érdekében, hogy egy napon igény szerint javítani lehessen a tanulási körülményeket.

Prototípusuk egereken végzett tesztjei során a tudósok megállapították, hogy a pupillatágítás megbízhatóan jelzi a kulcsfontosságú neurotranszmitterek, például az acetilkolin szintjét, amelyek az egész agyban lévő neuronokra hatnak. Az acetilkolin befolyásolja a figyelmet, a tanulást és a memóriát.

Képes az agyat a figyelem eltereléséről a figyelemre váltani. Szinte minden olyan rendszernek, amelyet a memória, a figyelem vagy más idegi tanulási állapotok javítására terveztek, módot kell találnia arra, hogy az agyban lévő neurotranszmittereket nyomon kövesse. Ez a pupillán alapuló bioszenzor kritikus visszajelzést ígér az új ismeretek megszerzésére szánt kísérleti eszközök számára, mint például azok, amelyeket a vagus- és a trigeminális idegek mikroimpulzusokkal történő elektromos gerjesztésére terveztek.

Eddig a pupillaérzékelős kísérletek laboratóriumi állatokkal és néhány súlyos neurokognitív fogyatékossággal élő önkéntessel végzett vizsgálatokra korlátozódtak.

"Ha igazán érzékeny leolvasást kapnánk a pupilla dinamikájáról, akkor mérni lehetne, hogy az emberek figyelnek-e vagy elkötelezettek-e" - mondja Matthew James McGinley, a Baylor idegkutatója, aki a pupillán alapuló bioszenzor kutatásával foglalkozik. "Ezt be lehetne építeni az online tanulási eszközökbe, az információk ütemezéséhez, vagy akár a tanítási stratégia megváltoztatásához, ha az emberek már nem reagálnak."

A tudósok szerint, ha ezt az érzékelőt tökéletesítik, kontaktlencsékbe vagy virtuális valóság szemüvegekbe lehetne beépíteni. Számos laboratóriumban biomérnökök már most is dolgoznak olyan kísérleti kontaktlencséken, amelyek képesek a viselőjük biomarkereinek és egészségügyi mutatóinak megfigyelésére.

"Ez egy nap lehetőség lehet a kontaktlencse vásárlásakor" - mondja Dr. McGinley. "Ez olyan, mintha egy elektróda lenne az agytörzsben."