Нейронауки об образовании: что это такое и зачем они тем, кто учит?

В Высшей школе экономики стартовал регулярный семинар по междисциплинарному направлению «Нейронауки об образовании». Раз в три недели исследователи будут обсуждать открытия и проблемы этой новой научной области.

На встречах ждут не только учёных и тех, кто готовится ими стать, — они открыты и для преподавателей вузов, школьных учителей и других профессионалов сферы. Из этого репортажа вы узнаете:

• что это за область — нейронауки об образовании;
• какие бывают методы изучения мозга;
• чем нейронауки могут быть полезны школам и вузам;
• как сблизить науку и практику;
• и зачем педагогам «нейрограмотность».

Что изучают нейронауки об образовании

Регулярный семинар по нейронаукам об образовании (по-английски Educational Neuroscience) — смелая идея, ведь эта исследовательская область ещё только формируется. Об этом на открытии семинара рассказала научный сотрудник Института образования психолог Анастасия Петракова.

По её словам, пока нет даже сообщества специалистов именно по нейронаукам об образовании — это или исследователи мозга, которые заинтересовались сферой обучения, или психологи образования с интересом к работе мозга, либо учёные других специальностей. Например, одним из докладчиков семинара был аспирант департамента психологии ВШЭ Андрей Фабер — медицинский физик по первому образованию.

Что же объединяет таких разных специалистов? Анастасия Петракова перечислила основные цели, к которым стремятся исследователи в нейронауках об образовании:

• Во-первых, перенести результаты исследований о нейронных механизмах обучения в образовательную практику. Из исследований методами нейровизуализации (подробнее о них читайте далее) становится известно, какой активностью мозга сопровождаются заучивание новой информации, воспоминания, состояние покоя и другие действия. Возможно, нейронауки об образовании смогут превратить знания о том, как между группами нейронов появляются, крепнут или исчезают связи, в новые подходы к обучению.
• Во-вторых, исследовать, как образование воздействует на нервную систему, в том числе на мозг. Мозг меняется вслед за любым опытом, в том числе образовательным. Каким именно его делает то или иное обучение и к чему это ведёт, ещё только предстоит понять.
• В-третьих, объединить нейронауки, исследования образования и психологию. Многими вопросами, которыми задаются сегодня исследователи в новой области нейронаук об образовании, традиционные образовательные дисциплины занимаются уже давно. И шансы на верные (и полезные на практике) ответы будут выше, если нейроучёные, психологи, педагоги и другие специалисты будут работать вместе или хотя бы учитывать результаты из смежных дисциплин.

Читайте также:

10 принципов эффективного обучения от исследователя мозга

С помощью каких технологий учёные изучают мозг

Какие из методов нейронаук подходят для образовательных задач, рассказал аспирант и стажёр-исследователь научно-учебной лаборатории нейробиологических основ когнитивного развития ВШЭ Андрей Фабер.

Для исследований образования пригодны только неинвазивные методы — то есть те, для которых не нужно проникать в черепную коробку. К счастью, таких уже немало.

Электроэнцефалография (ЭЭГ)

Представляет собой запись электрической активности мозга с помощью электродов, закреплённых на коже головы. В последние годы большое развитие получили портативные ЭЭГ — с ними испытуемые могут двигаться и вести себя более естественно (число электродов в таких приборах гораздо меньше, и качество измерений, как правило, ниже).

Метод позволяет фиксировать изменения в мозге практически в реальном времени, но обладает невысоким пространственным разрешением. То есть по данным ЭЭГ можно точно сказать, когда активность мозга изменилась, но лишь приблизительно определить, в какой точке это произошло.

Магнитоэнцефалография (МЭГ)

Регистрирует не сами электрические импульсы, а магнитное поле, которое они создают. Для этого даже не нужно ничего крепить к голове — все необходимые датчики находятся внутри «шлема», который надевается на голову испытуемого. Метод точный, но очень дорогой — редко какой исследовательский центр может себе позволить аппаратуру для него. К тому же МЭГ-системы нельзя перевозить, и для исследований, например, в школьных классах они неприменимы.

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Позволяет получать изображения внутренних органов, используя явление ядерно-магнитного резонанса. Для этого ядра атомов водорода (его много в человеческом теле — в составе воды и не только) возбуждают электромагнитными волнами безопасной для организма частоты, а потом регистрируют выделенную ядрами энергию.

В образовательных исследованиях могут быть полезны такие виды МРТ мозга:

• анатомическая (структурная) — статичные «снимки»;
• функциональная — практически «видео», на котором реакции мозга видны в динамике;
• диффузионно-тензорная — визуализация проводящих путей мозга.

Анатомическая МРТ позволяет получить данные о строении мозга и выявить его индивидуальные особенности, которые могут отвечать за различия в когнитивных способностях.

Диффузионно-тензорная МРТ показывает, какие группы нейронов связаны между собой и насколько сильно.

Функциональную МРТ (фМРТ), основанную на измерении кровотока в сосудах мозга (интенсивность кровотока связана с активностью нейронов), можно рассматривать как аналог ЭЭГ. Она точнее, чем ЭЭГ, фиксирует активность в пространстве, но каждый «кадр» получается с небольшим отставанием по времени.

При этом во время фМРТ испытуемый, конечно, находится в условиях, очень далёких от привычных для обучения — решать задачки, лёжа в томографе, совсем не то же самое, что в классе. Отчасти поэтому учёных-когнитивистов особенно интересует фМРТ покоя. Этим методом регистрируется активность нейросетей, которые работают в состоянии «блуждания ума» (mind-wandering), когда у испытуемого нет конкретной задачи (или он от неё отвлёкся).

Транскраниальная допплерография

Ультразвуковое исследование сосудов головного мозга. Головной мозг почти полностью закрыт плотными и толстыми костями черепа, есть лишь несколько «окон прозрачности», например, на висках. На них и направляют ультразвуковые зонды.

Как и у МРТ, у транскраниальной допплерографии есть функциональная версия. С её помощью можно узнать, как меняется кровоток в мозге во время различных действий. Ультразвуковое оборудование не такое громоздкое, как МРТ-сканеры или МЭГ-системы, но тоже применяется только в лабораторных условиях.

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия

Точнее, функциональная спектроскопия в ближней инфракрасной области (functional near-infrared spectroscopy, fNIRS). Для испытуемых этот метод похож на ЭЭГ, только без неприятного подчас закрепления на коже головы металлических электродов. Вместо них используются светодоводы, которые посылают волны инфракрасного света в мозг, и детекторы — они фиксируют, как свет возвращается. Результат позволяет оценить насыщенность крови в сосудах кислородом, а значит, интенсивность кровотока. По этим данным можно оценить активность участков мозга при различных действиях.

Читайте также:

Как люди учатся и учат? 20 ответов из исследований 2021 года

Какие бывают исследования и почему их трудно вести

Нейронауки об образовании сосредоточены, во-первых, на том, как внедрить в практику методы, основанные на нейрокогнитивных исследованиях обучения. Понимание работы мозга может помочь, например, обучению и поддержке нетипичных для массового образования аудиторий — детей с нейрофизиологическими нарушениями и другими ограниченными возможностями здоровья и людей старшего возраста.

Второе направление — оценка эффективности новых и традиционных образовательных методов, изучение того влияния, которое они оказывают на человека на нейрофизиологическом уровне.

Третье направление важно не только для образования — это поддержка «здоровья мозга». Тут в фокусе исследований вопросы о том, что улучшает, а что тормозит выполнение когнитивных задач, как снизить действие вредных факторов.

Чтобы развивать любое из этих направлений, важно повысить нейронаучную грамотность разных участников образовательного процесса.

Читайте также:

Как могут повлиять на образование достижения нейронаук

Увы, на пути любого нейроисследования в образовании множество препятствий. Даже повышать нейронаучную грамотность не так просто, как могло бы показаться. Как, например, вписать курс по основам нейронаук в программы повышения квалификации учителей? Педагоги и так перегружены, и для новой — причём довольно сложной — информации найти время и место нереально.

Проблемы создаёт и оторванность нейронаук (да и вообще исследователей) от образовательной системы. Учёным далеко не всегда понятно, реалистично ли внедрить новый подход в практику. А каждый тест и эксперимент, даже небольшой, — это отдельный научный проект, который требует выделения средств, людей, оформления, публикации результатов…

К тому же нельзя забывать, что у любых нейрокогнитивных исследований есть этические ограничения. В проектах в области образования, в особенности обучения детей, ограничения должны быть ещё строже. Для отдельных дисциплин, откуда учёные приходят в нейронауки об образовании, уже выработаны свои этические принципы. Но в цельную систему, которой смогут руководствоваться этические комитеты университетов, прежде чем дать или не дать разрешение на нейронаучный эксперимент в образовании, они ещё не объединены.

Словом, впереди у нейронаук об образовании долгий путь. Пока, подчеркнул Фабер, нейробиология, когнитивная психология и образовательные исследования развиваются преимущественно отдельно своими дорогами.

Отклики слушателей семинара (по данным организаторов, на него зарегистрировалось более 570 человек, и многие из них — педагоги), показали, что они сильно сомневаются в практической значимости современных нейронаук для образования. Возможно, существующие исследования выглядят слишком отвлечёнными и кабинетными. Какой вывод, например, педагог может сделать для своей практики из того факта, что материал урока лучше запоминают ученики, у которых на занятии активность мозга синхронизировалась с активностью мозга учителя? О том, как важна вовлечённость, знали и без этого. Не крепить же к каждому ученику электроды, чтобы «синхронизировать» принудительно.

Читайте также:

Нужны ли школе педагогические исследования

Как нейроучёным и педагогам «навести мосты»

Участники семинара пришли к тому, что связать нейронауки с образовательной практикой можно, если строить «мосты» с обеих сторон. Например, со стороны нейронаук требуются обновлённые подходы к исследованиям — более удобные для участников и приближенные к реальным условиям обучения. А учёным от представителей образования нужны более конкретные вопросы для изучения. Например, не про работу мозга вообще, а про проблемы освоения отдельных тем подростками определённого возраста с теми или иными характеристиками.

Чтобы ставить перед учёными такие вопросы и оценивать результаты их исследований, работникам образования и нужна нейробиологическая грамотность. А ещё она поможет отказаться от нейромифов — не соответствующих действительности популярных представлений о работе мозга. Например, часто можно услышать, что мозг большинства людей работает всего на 10% или что одно полушарие отвечает за креатив, а второе за логику. Ни то ни другое не верно.

Пока русскоязычных курсов по нейробиологии, предназначенных именно для педагогов, нет (во всяком случае, участники семинара таких не вспомнили). Прозвучала идея разработать такой курс: например, введение в нейронауки для студентов педвузов. Уже сейчас нейронауки об образовании изучаются на одной из магистерских программ Института образования ВШЭ — «Обучение и оценивание как наука».

В ближайшее время организаторы семинара договорились аккумулировать на отдельной площадке ссылки на качественные научно-популярные медиа, где выходят публикации о мозге (например, «ПостНаука» или «Нейроновости»), и на полезные книги. За новостями об этой инициативе, а также о следующих семинарах по нейронаукам об образовании можно следить на странице Института образования ВШЭ во «ВКонтакте».