Könnte diese 'Thinking Cap' Hilfe Sie lernen?

Charlie Heck, Multimedia-Nachrichtenredakteur bei der US National Science Foundation (NSF), trug dieses Artikels Leben der Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Wir haben gehört, dass es mehr als einmal in der Grundschule: "Time to Ihre schlauen Köpfe anziehen." Eines Tages könnte Studenten genau das tun. Nach Vanderbilt University Psychologe Geoffrey Woodman Wissenschaftler sind jetzt mit immer mehr Tools ausgestattet, um das Gehirn besser zu verstehen, und jetzt können sie auch einzelne Neuronen belauschen.

Woodman näherte sich NSF, und mit ihrer Unterstützung Woodman und sein Team von der Universität Visual Cognitive Neuroscience Laboratory getestet ihre Theorie, dass die elektrische Stimulation von medialen frontalen Kortex des Gehirns kann lernen zu steigern und Entscheidungsfindung verbessern. [Elektrische Gehirn Booster (versuchen Sie nicht dieses zu Hause) (Galerie)]

Im folgenden bietet Woodman Q + A mit Kontext für die Forschung.

NSF: Was ist der medialen frontalen Kortex und wie wirkt sich dieses Denken Mütze aus seiner Funktion?

Geoffrey Woodman: Die Rinde ist die äußere Schicht des Gehirns. Kortex ist tatsächlich kurz für Neokortex, Neo bedeutet neu, weil dieser Teil des Gehirns scheint ein ziemlich neues Produkt der Evolution zu sein. Medial bezieht sich auf den mittleren Teil des Kopfes. Frontale bezieht sich auf das Stirnbein des Kopfes. Wenn Sie Ihre Zunge auf dem höchsten Punkt auf dem Dach des Mundes setzen, dann ist gerade nach oben ab diesem Zeitpunkt die Position, die wir mit elektrischem Strom stimuliert.

Die denken Mütze ist ein einfacher Begriff für das, was Wissenschaftler transkranielle Gleichstrom-Stimulation nennen. Transkranielle bedeutet einfach, dass der elektrische Strom durch die Knochen des Kopfes (oder Schädel) geht. Gleichstrom ist die Art des unveränderlichen, konstanter Strom erhalten Sie aus einer Batterie (z. B. eine 9-Volt). Dies steht im Gegensatz zu Wechselstrom, der aus unserer Steckdose kommt. Wir verwenden extrem schwachen Gleichstrom Stimulation, putting-Leitgummi Pads auf den Köpfen der Menschen und dieser extrem schwachen Strom durch den Kopf und das Gehirn für 20 Minuten laufen. Der Strom ist so schwach, dass es schwer ist zu sagen, wenn der Stimulator auch auf. [Zweisprachige Menschen sind wie Gehirn "Bodybuilder"]

Unsere Arbeit zeigt, dass wir verändern die Aktivität des Gehirns von der medialen frontalen Kortex kommen dachte, und mehr vor allem verbessern, wie schnell Menschen grundlegende Aufgaben lernen können. Ausgehend von grundlegenden Neurowissenschaften, verursacht der elektrische Strom der denken Mütze Gehirnzellen zusammen in koordinierter Weise Feuer, und infolgedessen, Informationsvermittlung im Gehirn effizienter.

NSF: Das Gehirn scheint die letzte Grenze in der Wissenschaft zu sein. Was macht Neurowissenschaften so geheimnisvoll, faszinierend und warum machst du das?

G.W.: Es ist erstaunlich, dass wir deutlich wissen mehr über die Funktionsweise des Universums als wie drei Pfund Fleisch-Funktionen in unseren Köpfen. Dies ist verwunderlich, denn diese Lücke nicht durch einen Mangel an Interesse ist. Wir alle denken darüber, wie wir denken. Zum Beispiel "erinnern nicht warum ich mein Jubiläum?" Die Wissenslücke zwischen der körperlichen und der geistigen Welt war durch eine alte philosophische Überzeugung, dass der Verstand kann nicht sich selbst zu verstehen. Allerdings haben seit ein wenig mehr als ein Jahrhundert, Wissenschaftler clevere Experimente entwirft damit sie, Hypothesen testen können, wie unser Geist arbeitet. Diese Arbeit hat erheblich beschleunigt, da wir Aufnahmen und Manipulationen der Hirnaktivität mit einfachen Labor Aufgaben, die uns erlauben kombiniert haben, bestimmte psychische Funktionen zu isolieren. [Wer rettet die Erde? Der geniale menschliche Geist (Op-Ed)]

NSF: Wie kurz-und Langzeitgedächtnis passt in Ihre Forschung?

G.W.: Dies ist eine ausgezeichnete Frage. Selbst jemand, der nicht nichts über Psychologie und Neurowissenschaften weiß ist bewusst, dass es verschiedene Arten von Speicher. Ich kann mich erinnern zahlreiche Veranstaltungen vom Kindergarten bis zur sechsten Klasse, aber wenn ich in die Küche gehe ich weiß nicht mehr, was ich kam zu bekommen. Menschen finden in der Regel es nützlich zu wissen, dass dies normal ist. Phosphoreszierendes Gedächtnis – auch bekannt als Arbeitsspeicher in modernen Theorien – vorübergehend speichert Informationen, die wir für eine anstehende Aufgabe benötigen. Obwohl diese Art von Speicher in unserer Zeit von entscheidender Bedeutung ist, da wir von Aufgabe zu Aufgabe wechseln, es ist etwas zerbrechlich und hält nicht sehr viel. Der durchschnittliche gesunde junge Erwachsene kann über drei einfache Objekte im Kurzzeitgedächtnis, und auch diese gesunde junge Erwachsene verlieren einige dieser Informationen, wenn Sie abgelenkt, wie gezeigt wird etwas wie neu, wenn wir in unserer Küche gehen. Im Gegensatz dazu Langzeitgedächtnis scheint im wesentlichen unbegrenzt in ihrer Eigenschaft zu sein, aber unser Versagen kommen aus einer Unfähigkeit, die wichtige Informationen aus dem Langzeitgedächtnis zu ziehen, wenn wir sie brauchen. In vielen Experimenten versuchen Psychologen und Neurowissenschaftler, einen dieser Typen von Speicher zu studieren zu isolieren.

In unserer Arbeit, wir untersuchen wie Kurzzeitgedächtnis und langfristigen Speicher arbeiten zusammen. Wir verwenden Labor Aufgaben, die Leute bitten, für ein bestimmtes Objekt zu suchen. Diese Aufgabe ist wie die Suche nach Ihrer verlorenen Schlüssel in Ihrem Haus. Wir haben Leute, die für ein bestimmtes Objekt im Array Array von Objekten betreuen. Wie man erwarten würde, die Menschen bekommen besser als diese Aufgabe jedes Mal, wenn sie es tun. Was unsere Maßnahmen der Hirnaktivität ermöglichen ist wie Kurzzeitgedächtnis und Langzeitgedächtnis gleichzeitig dazu beitragen, die Wahrnehmung dieser Aufgabe. Was unsere Studien gezeigt haben, ist, dass beide dieser Arten von Speicher tragen, wie wir Informationen zur gleichen Zeit zu verarbeiten. Unsere neuere Experimente haben untersucht wie Hirnstimulation Aufgabenleistung verbessert und beschleunigt lernen. Was unsere simultanen Messungen der Aktivität des Gehirns zeigen, dass Langzeitgedächtnis die Quelle dieser beschleunigten Lernens scheint, zu sein, obwohl es in nur wenigen Sekunden bis Minuten entfaltet.

NSF: Kannst du uns ein wenig über die Experimente, die Sie hatten die Probanden zu tun? Lernen sie schneller und machen weniger Fehler usw.?

G.W.: Wir entwarfen eine sehr einfache Aufgabe, in der Menschen musste einfach ein Objekt sehen, die eine der beiden Farben sein könnte. Sobald sie konnte sagen, welche Farbe war es, sie hatten eine der beiden Tasten zu drücken, auf einem Gamepad (es ist wie eine Sony Playstation Controller). Der Trick dabei war, dass wir den Menschen nicht welche Taste sagen drücken, wenn sie jede Farbe sahen. Sie mussten das durch Versuch und Irrtum herauszufinden. Dies war noch härter, weil wir ihnen nur etwa eine halbe Sekunde gab, die richtige Taste drücken. Dies erlaubt uns, lernen während einer einfachen, aber anspruchsvollen Aufgabe zu messen.

Wir fanden, dass die Hirnstimulation Menschen insgesamt genauer gemacht. Dies war nicht, weil Menschen langsamer nach Hirnstimulation reagiert. Stattdessen wurden genauso schnell an die Tasten, sondern tat dies genauer. Diese Gesamtwirkung wurde teilweise durch Menschen, die nach Erhalt Hirnstimulation die Aufgabe schneller zu lernen. Menschen Verhalten und Gehirn-Aktivität sowohl zufolge lernten welche Taste drücken, erhalten eine bestimmte Farbe schneller als ohne Stimulation des Gehirns.

NSF: Wie lange diese Vorteile der brain Stimulation zuletzt?

G.W.: Wir liefen ein paar Experimente zu bestimmen, wie lange diese verbesserte Genauigkeit und lernen. Wir hatten zunächst gehofft, dass es einen oder mehrere Tage dauern würde. Allerdings haben wir festgestellt, dass die Auswirkungen eines Tages am folgenden Tag verschwunden waren. Um festzustellen, wenn die Effekte verschwinden, haben wir Menschen rund um das Labor für zwei Tage mit dem zweiten Tag dauert etwa acht Stunden. Wir sammelten Messungen der Grundlinie Aktivität am ersten Tag. Am nächsten Tag wir ihr Gehirn stimuliert und Aktivität für etwa drei Stunden gemessen. Nach einer Stunde Pause ihre Leistung und Aktivität des Gehirns für weitere drei Stunden gemessen. Wir fanden, dass 20 Minuten Hirnstimulation führte zu beträchtlichen Einfluss auf das Verhalten und die neuronale Aktivität, der bis zu fünf Stunden dauerte.

NSF: Können Sie uns ein wenig über die visuelle Suche Aufgaben und wie sie diese Forschung betrifft?

G.W.: Da wir kurz diskutiert, bevor die Suche nach bestimmten Objekten ist etwas tun wir alle jeden Tag unseres Lebens. Im Labor verwenden wir visuelle Suche Aufgaben um zu studieren, wie Menschen zu Objekten in einer komplexen Szene teilnehmen. Menschen haben angenommen, dass wenn Sie im Supermarkt für eine Tasche von Äpfeln, Einkaufen, dass die Taschen von Äpfeln visuelle Aufmerksamkeit zuteil wird, weil Sie eine Darstellung einer Tasche von Äpfeln im visuellen Arbeitsgedächtnis halten. Was eine Reihe von Experimenten in der NSF-geförderten Forschung gezeigt haben, dass das Lernen ist, und was im Langzeit-Gedächtnis gespeichert ist tatsächlich spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Aufmerksamkeit. Dies fordert eine Reihe von Ideen, die Wissenschaftler hatten zur Funktionsweise von Aufmerksamkeit. Die Forschung mit Hirnstimulation bietet uns eine Möglichkeit, direkt zu steuern, wie schnell wir lernen, und jetzt können wir sehen, ob wir schneller lernen können, Aufmerksamkeit mit im Langzeitgedächtnis gespeicherten Informationen zu kontrollieren.

NSF: Warum glauben Sie, dass die Stimulation von diesem Teil des Gehirns war effektiv zeigen Verbesserungen in den Aufgaben, die Sie verwendet?

G.W.: Wir denken, dass die Stimulation wirksam war, weil dieser Teil des Gehirns eine wichtige Kreuzung in mehreren verschiedenen Gehirnnetzwerke ist. Die medialen frontalen Kortex ist von entscheidender Bedeutung für das Lernen und mit nahezu jedem anderen Teil des Gehirns verbunden ist entweder direkt oder über einen anderen Teil des Gehirns. Dies macht es kritisch für die Integration von visuellen Informationen und Kartierung dieser visuellen Eingabe auf bestimmte Reaktionen (z. B. die Presse eines Knopfes). Diese Region des Gehirns in früheren Arbeiten nachweislich besonders aktiv sein, wenn wir einen Fehler machen. Das heißt, wird dieser Teil des Gehirns zu erkennen, wenn wir Fehler gemacht haben. Diese Art der neuronalen Aktivität wird angenommen, dass kritische in ermöglicht es uns, unser Verhalten zu korrigieren und aus unseren Fehlern lernen. Durch die Stimulierung dieser Bereich des Gehirns waren wir so in der Lage, diese Funktion zu steigern und den Menschen lernen schneller und weniger Fehler machen.

NSF: Was sind einige der realen Welt Auswirkungen mit dieser Art von Technologie?

G.W.: Die Ergebnisse unserer Studie beitreten eine wachsende Zahl von Arbeit darauf hindeutet, dass nicht-invasive elektrischer Stimulation eine kognitive Verbesserung Technik für Menschen mit psychiatrischen und neurologischen Störungen sein kann. Es wurden eine Reihe von vielversprechenden Entdeckungen mit Elektrostimulation Methoden zur Verringerung der Defizite in Patientengruppen, wie Depression, Schizophrenie und Aufmerksamkeit Defizit-Hyperaktivitäts-Störung. Elektrischer Stimulation hat auch für Patienten mit Hirnverletzungen wie Schlaganfall bewährt. Neben der drogenfreien alternative Behandlungsmöglichkeiten für Patientengruppen gab es Untersuchungen, die belegen, wie Hirnstimulation funktionieren bei gesunden Erwachsenen in einer Vielzahl von Bereichen, einschließlich Sprache, Mathematik, Gedächtnis und motorische Koordination verbessern kann. Wir arbeiten derzeit mit Klinikern um festzustellen, ob die Art der Hirnstimulation, die wir in dieser Studie verwendet verwendet werden kann, um Menschen mit bestimmten psychischen Störungen helfen. Unsere vorläufigen Ergebnisse sind vielversprechend. Wir sind zuversichtlich, dass unsere Grundlagenforschung werden schnell Behandlungen, die den Menschen helfen und eine breite positive Wirkung auf die Gesellschaft haben können.

NSF: Welche Art von Aufgaben wahrscheinlich von der Art der Stimulation profitieren würden in dieser Studie verwendeten?

G.W.: Die Jury ist noch heraus auf wie breit diese Effekte werden könnte. Natürlich haben wir Verbesserungen in lernen, wie man reagieren auf Reize mit komplexe motorische Befehle gesehen. Zum Beispiel würden wir sagen voraus, dass Menschen schneller lernen können Regelfahrzeuge, eingeben, in virtuellen Umgebungen betreiben, vielleicht erwerben Feinmotorik, wie z. B. in der Chirurgie erforderlich. Experimente in unserem Labor und anderen Labors schauen ob wir das Erlernen des Materials im Allgemeinen zu beschleunigen. Ich bin sicher, dass alle von den nichtgraduierten Studenten wissen möchten, wenn sie diese Art der Stimulation verwenden und ihre Lehrbuch schneller lernen. Diese Experimente sind derzeit im Gange. Es gibt Gründe zu glauben, dass die Stimulation des medialen frontalen Kortex nicht sehr effektiv bei der Förderung dieser Art des Lernens sein würde, aber wir möglicherweise in der Lage, einen Teil des Gehirns zu finden, die diese Art des Lernens, auch helfen könnte.

Es gibt keine bekannten Nebenwirkungen der Gleichstrom-Stimulation in diesem Denken Mütze verwendet. Wir wollen jedoch vorsichtig sein, über seine Verwendung. Verwendung Langzeitstudien noch nicht existieren, und unser Feld muss noch zu überprüfen, dass keine Gefahren für Personen, die diese Technologie verwenden, um ihr lernen routinemäßig zu steigern.

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