Учёба, мозг и ДНК: как обучение влияет на нас физиологически

Мы точно знаем, что диета или занятия спортом влияют на нас физиологически. Ограничение калорий в рационе поможет сбросить лишний вес, а занятия в спортзале — нарастить мышцы. А что насчёт чтения книг и решения учебных задач?

Оказывается, процесс обучения не только укоренён в биологических механизмах, но и активно меняет их на самых разных уровнях — начиная от внутриклеточных изменений и заканчивая функционированием всего мозга.

С какими биологическими процессами связано запоминание нового

Мы привыкли думать, что ДНК даётся нам от рождения и не меняется на протяжении жизни. Действительно, последовательность нуклеотидов в нашей ДНК неизменна. Но то, как ДНК проявит себя, зависит от так называемых эпигенетических процессов, которые могут, условно говоря, «включать» одни гены и «выключать» другие.

Образно последовательность нуклеотидов в ДНК можно представить как пианино, а эпигенетические процессы — как проигрывание мелодии. Эта «мелодия» определяет, как наши генетические задатки проявят себя в реальности, и именно «мелодия» очень чувствительна к воздействиям внешней среды, в частности — к обучению. Как это работает?

Из школьного курса биологии мы знаем, что гены содержат в себе информацию, необходимую для синтеза различных белков. Эпигенетические механизмы — это особые биохимические процессы, которые происходят в непосредственной близости от ДНК и приводят к тому, что какие-то гены работают более активно (то есть на их основе производится больше белка), а какие-то — менее.

Говоря по-научному, эпигенетические процессы регулируют экспрессию генов. К этим процессам относятся модификации гистонов (то есть белков, которые находятся в хроматине вместе с ДНК), присоединение метильной группы к ДНК (модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК) и другие биохимические механизмы.

Самый изученный из генов, которые активируются при обучении, называется с-Fos. Он относится к так называемым ранним генам, то есть к тем, которые первыми «включаются» в ответ на особую ситуацию и запускают активацию других генов.

Исследования показывают, что при обучении с-Fos активируется в нейронах гиппокампа, миндалевидного тела и префронтальной коры. Благодаря этому нейроны начинают меняться и изменять связи друг с другом — так происходит запоминание новой информации. Интересно, что активация c-Fos также характерна на ранних этапах развития организма. Таким образом, процессы биологического развития и процессы обучения имеют общие эпигенетические маркеры.

Как обучение изменяет нейроны и нейронные связи

Эпигенетические механизмы тесно связаны с феноменом нейропластичности, который учёные открыли относительно недавно.

Итак, наша нервная система состоит из нейронов — взаимосвязанных клеток, которые хранят, обрабатывают и передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Долгое время считалось, что нервная система статична — то есть связи между нейронами и их структура остаются неизменными, как только человек достигает зрелого возраста.

Однако современная наука выяснила, что это не так: нейроны способны менять свою структуру и свойства, а также разрывать старые связи и создавать новые с другими нейронами. Это происходит, когда мы осваиваем новые знания и навыки. Именно это явление и назвали нейропластичностью.

Целый ряд научных работ доказывает, что нейропластичность — ключевой психофизиологический процесс, благодаря которому вообще возможно обучение. И его исследование позволяет выявлять интересные закономерности. В частности, то, как развитие одних способностей может косвенно «потянуть» за собой улучшение других.

Так, в одном эксперименте учёные из Стэнфорда провели для младших школьников четырёхнедельную образовательную программу для развития когнитивных навыков счёта, сравнения и упорядочивания чисел. По итогам программы дети не только улучшили свои результаты в математике, но и заметнее проявили установку на рост — то есть у них выросла убеждённость в том, что они могут развивать свои интеллектуальные способности, прилагая усилия. Это сопровождалось изменениями в функциональной связанности таких областей мозга, как передняя поясная кора, полосатое тело и гиппокамп, а также повышением активности этих участков при выполнении когнитивных заданий.

Читайте также:

Книжная полка: «Гибкое сознание», Кэрол Дуэк

Кстати, судя по всему, учёба и когнитивные тренировки способны даже менять объём серого вещества (то есть тел и коротких отростков нейронов) в мозге. Такие изменения зафиксировали испанские учёные, после того как их испытуемые прошли 200-минутный курс тренировок рабочей памяти.

Почему дети и взрослые учатся по‑разному

Если человеческий мозг нейропластичен, то нейрофизиологические процессы, благодаря которым мы учимся, не зависят от возраста? К сожалению, это не так.

Эпигенетические изменения сопровождают не только развитие ребёнка и освоение новой информации, но и биологическое старение. Поэтому то, какие эпигенетические процессы запустятся при попытке что-то запомнить, сильно зависит от возраста человека. Отчасти в связи с этим у пожилых людей ухудшается память и способность к обучению. Учёные сейчас активно обсуждают создание медикаментов, которые могли бы влиять на эпигенетические процессы и тем самым улучшать когнитивные способности человека — или предотвращать их возрастную деградацию.

У развивающегося мозга ребёнка тоже есть свои «слабые места». Так, только по мере физиологического взросления у детей возрастает объём рабочей памяти — то есть число блоков информации, которое мозг способен обработать в короткий промежуток времени. Также это касается когнитивной гибкости — то есть умения переключаться между различными задачами и мыслительными стратегиями. Это необходимо учитывать при проектировании учебных заданий для дошкольников и младших школьников — задачи с большим количеством переменных, а также резкая смена типов задач вызовут у детей объективные трудности.

Также есть данные о том, что мозг детей и взрослых качественно по-разному реагирует на новую информацию. Так, в одном эксперименте взрослые и дети 5–12 лет выполняли задания, задействующие моторно-речевые навыки. Учёные отметили, что в результате у взрослых проявились изменения в областях мозга, отвечающих за обработку соматосенсорной (то есть осязательной) и звуковой информации, а у детей — в соматосенсорных и моторных областях.

Есть и ещё один важный аспект, влияющий на успешность обучения, — баланс нейромедиаторов в организме. Это сложные органические соединения, которые обеспечивают связь между нейронами мозга.

Исследования показывают, что в обучении принимают роль такие нейромедиаторы, как дофамин (отвечает за стремление к вознаграждению, то есть мотивацию), серотонин, ГАМК. И согласно результатам одного из исследований, из-за разницы в регуляции этого нейромедиатора у детей и взрослых дети учатся более эффективно по сравнению со взрослыми.

В целом исследователи сходятся в том, что мозг детей обладает большим потенциалом к пластичности в ответ на различные вмешательства из среды (в том числе образовательные), чем мозг взрослого человека.

Что всё это значит для образования

Во-первых, понимание того, что наша «физиологическая основа» на самом деле очень пластична, развеивает тот миф, что способности раз и навсегда даны от рождения, а образование и воспитание ничего не могут поделать с «дурной» наследственностью. Конечно, нам от рождения дана некая «биологическая база». Но она не остаётся статичной на протяжении жизни. Среда и, в частности, образование, может существенно её изменить.

Читайте также:

Как помочь ребёнку стать успешным в учёбе

Во-вторых, психофизиологические процессы обучения тесно связаны с процессами взросления и старения. При этом концепция lifelong learning — обучения на протяжении всей жизни — становится одной из главных тенденций в современном мире. И знания о возрастных изменениях в мозге помогут методистам и педагогическим дизайнерам создавать оптимальные образовательные программы для людей, которые хотят развиваться в любом возрасте.

В-третьих, важно помнить, что в нашем мозге заложена рефлекторная тяга к получению «лёгких удовольствий». Такое удовольствие, например, обеспечивает выброс дофамина в ответ на взаимодействие в соцсетях — и этот механизм уже давно эксплуатируют разработчики. В образовательной практике он тоже реализуется в форме геймификации, когда выполнение учебных заданий награждается чем-нибудь приятным, например, начислением очков и повышением в рейтинге.

Однако выброс дофамина способны вызывать и «сложные удовольствия», связанные с интеллектуальной деятельностью. Если ученик видит ценность в обучении, оно имеет для него личный смысл, то у него возникает не только внешняя мотивация (связанная с внешними стимулами, например, с получением высоких оценок), но и внутренняя — интерес и удовольствие от самого процесса познания. Поэтому педагогу стоит уделять внимание тому, как формировать этот вид мотивации у учащихся.

Читайте также:

Внутренняя и внешняя мотивация: как они связаны у учащихся

И конечно, очень важно обучать детей и подростков навыкам саморегуляции. К таким навыкам относятся, например, умение отложить игру и сосредоточиться на уроках, грамотное распределение времени при подготовке учебного проекта.

Наконец, внедрение нейроисследований в науки об образовании поможет понять, как образовательные программы активируют пластичность отделов мозга, ответственных за те или иные когнитивные процессы. В перспективе это, возможно, позволило бы оценивать эффективность и качественные характеристики разных программ. Например, убедиться, что курс А в большей степени развивает рабочую память, а курс Б — когнитивную гибкость.

Понимание, что и как развивают конкретные программы, в свою очередь, дало бы возможность проектировать сбалансированные учебные планы, направленные на комплексное развитие личности и учитывающие возрастную специфику аудитории.