Новое исследование показывает, что мозг как зрячих, так и слепых людей адаптируется одинаково, когда они учатся использовать звуковые эхо для навигации в мире без зрения. Это новаторское исследование, опубликованное в Cerebral Cortex, является первым, в котором МРТ-сканирование использовалось для изучения активности мозга у зрячих и слепых участников до и после обучения эхолокации. Результаты показывают, что человеческий мозг обладает замечательной способностью к адаптации, независимо от зрительных способностей.
Способность человеческого мозга реорганизовываться и адаптироваться в ответ на новый опыт, известная как нейропластичность, была предметом интереса в нейронауке на протяжении десятилетий. Однако большинство исследований были сосредоточены на том, как адаптируются сенсорные области более высокого порядка, оставляя вопросы о первичных сенсорных областях, таких как зрительная кора и слуховая кора, без ответа. Ученые, стоящие за новым исследованием, стремились понять, можно ли наблюдать те же самые нейропластические изменения как у зрячих, так и у слепых людей при обучении новому сенсорному навыку, такому как эхолокация, в течение короткого периода времени
«Эхолокация — это увлекательный навык, которому можно научиться, и который позволяет нам понять способность человеческого мозга адаптироваться к обучению новым навыкам. Он также имеет реальные преимущества для людей с нарушениями зрения», — говорит автор исследования Лор Талер из Даремского университета, а также руководитель Лаборатории эхолокации человека.
В исследовании приняли участие 26 человек, в том числе 12 слепых и 14 зрячих, которые ранее не имели опыта использования щелкательной эхолокации. У слепых участников была разная степень потери зрения, большинство из которых произошло при рождении или вскоре после него. У зрячих участников было нормальное или скорректированное до нормального зрение.
Участники прошли 10-недельную программу обучения эхолокации, состоящую из 20 сессий. Каждая сессия длилась от 2 до 3 часов и включала практические задания, такие как различение размеров, восприятие ориентации и виртуальная навигация в лабиринте с использованием эхолокации. Участники также практиковали навигацию в реальных условиях с использованием эхолокации на основе щелчков под руководством экспериментатора.
Для измерения активности и структуры мозга все участники прошли МРТ-сканирование до и после программы обучения. Сканирование было сосредоточено на двух основных сенсорных областях: зрительной коре (V1) и слуховой коре (A1). Исследователи использовали эхоакустическую пространственную навигационную задачу во время сканирования, которая включала прослушивание предварительно записанных бинауральных эхолокационных звуков и вынесение перцептивных суждений о них.
Исследователи обнаружили, что как зрячие, так и слепые участники продемонстрировали значительные улучшения в способности к эхолокации во всех заданиях. Например, среднее время, необходимое для навигации в виртуальных лабиринтах, сократилось со 104,1 секунды до 40,9 секунды для зрячих участников и со 137,0 секунды до 57,23 секунды для слепых участников. Это улучшение подчеркнуло эффективность программы обучения.
Сканирование МРТ выявило значительные изменения в активности и структуре мозга после обучения. В зрительной коре (V1) как зрячие, так и слепые участники показали повышенную активность в ответ на звуки эха после обучения. Это увеличение было значительным как в левом, так и в правом V1 для контрастов эха и отсутствия эха.
В частности, процентное изменение сигнала (PSC) в левом V1 увеличилось с -0,009 до 0,089, а в правом V1 с -0,007 до 0,072. Эти результаты свидетельствуют о том, что V1, обычно связанный с обработкой визуальной информации, может также обрабатывать слуховые эхо, демонстрируя форму кросс-модальной нейропластичности.
Талер отмечает, что особенно удивил тот факт, «что часть мозга, которая считается первичной зрительной корой, учится реагировать на звук, и что она делает это как у людей, которые обычно зрячие, так и у слепых».
В слуховой коре (A1) правая A1 показала повышенную активность для контрастов звука и тишины, при этом PSC увеличилась с 0,187 до 0,254 после обучения. Кроме того, у слепых участников наблюдалось увеличение плотности серого вещества в правой A1, тогда как у зрячих участников не наблюдалось существенных изменений в этой области. Это указывает на то, что слуховая кора может претерпевать структурные изменения после обучения эхолокации, особенно у слепых людей.
Анализ всего мозга выявил дополнительное вызванное обучением увеличение активации в таких областях, как верхняя теменная долька, лобная кора и нижняя теменная долька. Эти регионы связаны с повышенным вниманием и пространственными способностями обработки, что позволяет предположить, что обучение эхолокации влияет не только на первичные сенсорные области, но и на когнитивные процессы более высокого порядка, связанные с пространственной навигацией и вниманием.
«Наше исследование показывает, что в мозге зрячих и слепых людей происходят значительные нейропластические изменения в ответ на относительно краткосрочное обучение эхолокации». Это показывает, насколько адаптивен мозг на самом деле, независимо от того, какой у вас сенсорный репертуар», - поясняет Талер. «Таким образом, вместо того, чтобы первичная зрительная кора слепых людей отличалась от таковой у зрячих людей, мы продемонстрировали, что наш мозг на самом деле реагирует схожим образом, когда обучается эхолокации. Это показывает, что независимо от того, сколько вам лет, если вы испытываете сенсорную депривацию, такую как потеря зрения, если вы практикуетесь, мозг адаптируется к обучению эхолокации».
Хотя исследование дает убедительные доказательства адаптивности мозга, необходимо учитывать несколько ограничений. Размер выборки был относительно небольшим, а продолжительность исследования ограничивалась 10 неделями. Возможно, что более продолжительные периоды обучения могут дать иные результаты, особенно в отношении вовлечения сенсорных областей более высокого порядка.
Будущие исследования могут быть направлены на устранение этих ограничений путем включения более крупных, более разнообразных выборок и изучения эффектов более длительных периодов обучения. Исследование нейронных механизмов у людей с врожденной полной слепотой позволит глубже понять роль раннего визуального опыта в формировании пластичности мозга.
Талер надеется повысить осведомленность о проблемах, связанных с нарушением зрения, и сделать эхолокацию доступной для всех, кто хочет ее изучить. На данный момент еще очень мало людей знают о ней или используют ее, и существуют препятствия как для использования, так и для доступа к ней.
