Perspektywy - Fizyka UMK
advertisement
Perspektywy Neuroedukacja jest jeszcze w powijakach, wiele jeszcze nie wiemy. Neuroplastyczność można będzie regulować, przygotowując mózgi do uczenia i kreatywnego myślenia. • Uczenie niemowląt: ciekawość, eksploracja, pamięć robocza … • Rola emocji i mechanizmy uwagi w neuroplastyczności. • Głębokie kodowanie, wiele skojarzeń, motywacja, glukoza i tlen. • EEG do testowania poziomu wiedzy i wczesnej diagnostyki. • Neurofeedback i relaksacja jako przygotowanie mózgu do uczenia: Sita. • Bezpośrednia stymulacja mózgu: DCS, TMS. • Farmakologia? Chyba niezbyt precyzyjna. Teorie pedagogiczne i socjotechnika coraz ściślej związane z neurobiologią. Czemu rozsądni ludzie wierzą w dziwne rzeczy, np. teorie spiskowe? Stabilność Na wyobrażenia o naturze ludzkiej wpływ mają głównie religie, tłumaczące jaki jest świat. Kompromis stabilność-plastyczność: od neuronów po społeczeństwa. Mity i religie gwarantowały dużą stabilność, brak plastyczności przyczynił się do upadku kultur. Wymarłe religie miały wpływ na współczesne; język Sumeryjski przez ponad 3000 lat był językiem liturgicznym! Nauka ma ciągle niewielki wpływ. Medytacja i emocje Dalaj Lama, “The Science and Clinical Application of Meditation” SFN-Washington (2005). Regulacja emocji, inteligencja emocjonalna, wymaga treningu – kto to potrafi? “Investigating the Mind” MIT- Cambridge, MA (2003) Harold Camping ogłasza koniec świata na 21 maja 2011. Familyradio.com nieco zawstydzone ogłasza, że był to „duchowy sąd” a w październiku 2011 będzie ostateczny koniec. Następne końce świata będą równie popularne … Koniec świata to niezwykle silny mem rosnący na podłożu różnych proroctw. Krajobraz neuronauk Opisowa: badania strukturalne, neurobiologia i fizjologia. Neuroanatomia: warstwy, mikroobwody, kolumny, pola funkcjonalne, konektonomika … anatomia porównawcza. Poziom komórkowy: neurobiologia + biofizyka neuronów, komórek gleju … rola bakterii, wirusów, ścieżki sygnałowe … Poziom molekularny: neuro+ genetyka, chemia, endokrynologia, farmakologia, … neuro+psycho+farmakologia, immunologia … Genomics, proteomics, metabolomics, interactomics, transcriptomics, organellomics, secretomics, neurolipidomics, ligandomics, connectomics … Na liście omics.org jest już ponad 250 różnych biologicznych „omics”! Skąd wiem coś o sobie? • Część to obserwacja skutków mojego działania, korelacja ruchu i percepcji, wewnętrzne mechanizmy nagrody, które wpływają na rozwój mózgu (mowa, ruch). • Enaktywizm: działaj, eksploruj, to będziesz wiedział … • Część to wewnętrzny przepływ informacji. • Teoria umysłu (ToM): wnioskuję o stanach mentalnych innych (obserwacje zewnętrzne, neurony lustrzane) jak i swoim własnym (obserwacje wewnętrzne). Pierwsze przykazanie naukowców (ale rzadko teologów): • Nie będziesz stawiać swoich wyobrażeń (czcić fałszywych bożków) przed Rzeczywistością. Rozwój sieci podstawowej (DMN) Słowo „gain” – trajektoria warstwy semantycznej rzadko powraca do podobnych stanów, jest mniej aktywnych obszarów niż dla słów konkretnych. Aktywność spontaniczna Obszary czerwone i żółte zwiększają aktywność przy pobudzeniu zmysłów, obszary niebieskie i zielone zmniejszają. M.D. Fox et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 9673 (2005). 6 sieci podstawowych Normalne świadome doświadczenie wzrokowe wymaga aktywacji wszystkich obszarów Różne ‘Ja’ w mózgu Northoff i inn, Self-referential processing in our brain, 2006 CMS, Cortical Midline Structures, korowe struktury przyśrodkowe, są siedliskiem procesów odnoszących się do „ja” w testach werbalnych, przestrzennych, emocjonalnych, rozpoznawania twarzy. Dobrze ukryte, rzadko ulegają uszkodzeniom, pośredniczą w komunikacji pomiędzy układem limbicznym, pniem mózgu i korą. Proto-ja: ciało, autobiograficzne ja: pamięć; społeczne ja: relacje. Innowacyjna edukacja Rozwój innowacyjnej edukacji Rozwój innowacyjnej edukacji „od przedszkola do matury”: w obszarze szkolnictwa podstawowego i gimnazjalnego należy wprowadzić i rozpowszechnić eksperymentalne formy nauczania, które wywołają większe zainteresowanie naukami ścisłymi i w przyszłości przełożą się na wybór studiów na kierunkach technicznych i ścisłych. Innowacyjna edukacja Rozwój innowacyjnej edukacji Rozwój innowacyjnej edukacji „od przedszkola do matury”: w obszarze szkolnictwa podstawowego i gimnazjalnego należy wprowadzić i rozpowszechnić eksperymentalne formy nauczania, które wywołają większe zainteresowanie naukami ścisłymi i w przyszłości przełożą się na wybór studiów na kierunkach technicznych i ścisłych. Równowaga biochemiczna • Niepewność, strach => aktywacja ciała migdałowatego => aktywacja osi podwzgórze-przysadka-nadnercza (HPA): wydzielanie kortykotropiny (CRT) => aktywacja przysadki i ACTH => kortyzol wydzielany z nadnerczy => neurotransmitery (adrenalina, noradrenalina, dopamina). • Czemu lubimy się bać? W ten sposób uczymy się większej elastyczności reakcji organizmu! Byle nie za długo … • Krótkoterminowo: kortyzol zwiększa poziom cukru we krwi, zwiększa koncentrację receptorów kortyzolu, wspomaga uczenie zwiększając plastyczność mózgu w hipokampie i ciele migdałowatym (pamięć nieprzyjemnych zdarzeń). • Długoterminowo: nadprodukcja kortyzolu, hipermetabolizm mózgu, przewlekły stres, osłabienie układu odpornościowego i wzrostu. • Wysoki poziom oksytocyny zmniejsza reakcje stresowe. Maja Maja: świat postrzegany to wytwór naszej wyobraźni! Wiatr trzepotał świątynną chorągwią. Dwóch mnichów wiodło spór. Jeden mówił, że flaga się porusza, inny twierdził, że to wiatr. W żaden sposób nie potrafili dojść do zgody. Wtedy Szósty Patriarcha powiedział: - Nie porusza się ani wiatr, ani chorągiew, Wasz umysł jest tym, co się porusza. Porusza się wiatr, porusza się flaga, porusza się umysł: Zbłądzili wszyscy. Ktoś, kto wie, jak otwierać usta, Nie widzi, że schwytany został w pułapkę słów. Mumonkan (Bezbramna brama) Chiny, 13 wiek Świat to twór naszej wyobraźni … Chociaż część tego, co postrzegamy dochodzi przez zmysły od obiektów znajdujących się przed nami, inna część (a może to być większa część) zawsze pochodzi z naszej własnej głowy. William James, The Principles of Psychology, 1890 Rozwój: podsumowanie • Potrzebna jest jak najwcześniejsza obserwacja. • Działanie mózgu zależy od genetycznego fenotypu, ale środowisko i procesy uczenia wpływają na fenotypy na każdym poziomie. • W pierwszym dwóch latach życia rozwój mózgu jest bardzo szybki, synaptogeneza i apoptoza zmienia strukturę mózgu, powstają nowe neurony migrujące do kory przedczołowej, nie działa więc dobrze pamięć robocza. • Konieczne są symbiotyczne relacje z opiekunami dzięki stymulacji dotykowej, wokalizacjom, ruchom ciała, oczu i wyrazom twarzy. • Nowe ścieżki neuronalnych pobudzeń pozwalają na rozpoznawanie i nadanie behawioralnego sensu percepcji, zmniejszając stresu wynikający z braku przewidywalności. Monitorowanie niemowląt Urządzenia monitorujące: przekazują dźwięk, czasami obraz, grają muzyczkę + mierzą temperaturę, rzadko czujniki ruchu. Brak: czujników oddechu, smoczka telemetrycznego z ciągłym pomiarem temperatury. Obserwacja częstości i siły ssania u małych niemowląt jest podstawą do wnioskowania o ich stanie pobudzenia, zainteresowaniu jedzeniem lub zabawą, ale są też nowsze techniki. Alarm w przypadku zaburzeń oddychania, zapobiegnie zespołowi nagłej śmierci niemowląt (główna przyczyna zgonów do 1 roku). Telemetric pacifier Wireless communication receiver A/D converter Database of speech sounds Nasza Symfonia la-la … la-ra-ra… sound sequences D/A converter Control unit RAM Speaker • Projekt inteligentnej kołyski i zabawek kognitywnych, do wczesnej diagnostyki, wykrywania nieprawidłowości rozwoju, ciągłego monitorowania dziecka i ukierunkowania rozwoju. • Inteligentna kołyska: czujniki ruchu, smoczek telemetryczny, mikrofony i kamery. • Stymulacja słuchu, wzroku i dotyku, analiza reakcji. • Stymulacje rozwoju słuchu fonematycznego umożliwią dzieciom naukę dowolnego języka, w tym języków tonalnych. • Stymulacje rozwoju słuchu muzycznego. • Rozwój inteligencji przez stymulację pamięci roboczej. • Rozwój ciekawości i potrzeby działania dziecka. s Audiovisual device (reward) Database of reward patterns Non-volatile memory Kreatywność i demencja? • Bruce L. Miller, Craig E. Hou, Emergence of Visual Creativity in Dementia. Arch Neurol. 61, 842-844, 2004. Miller et al (UCSF) opisali pacjentów z otępieniem czołowo-skroniowym którzy pomimo uszkodzeń lewego przedniego płata skroniowego rozwinęli ciekawe zdolności artystyczne. W tego typu otępieniu zachowana jest dobra pamięc, pacjenci potrafią wykonywać proste kopie rysunków, ale część z nich zaczyna malować i ich zainteresowanie sztuką wzrasta pomimo rozwoju choroby. Pojawia się przymus tworzenia, często w realistycznym lub surrealistyczny stylu. Czemu? Efekt uwolnienia zahamowanych? Zahamowanie pojęć werbalnych które tamują artystyczne zapędy? Stopniowa zmiana połączeń kory? Dziwna kompensacja utraty funkcji? Związek z zespołem sawanta i TMS (A. Snyder, MindLab Sydney). rTMS i zespół savanta Allan W. Snyder et al. (Centre for the Mind, The University of Sydney), Savant-like skills exposed in normal people by suppressing the left fronto-temporal lobe. Journal of Integrative Neuroscience, 2003 R.P. Chi, A.W. Snyder, Facilitate Insight by Non-Invasive Brain Stimulation, PLoS One 2011 Niektóre upośledzone umysłowo osoby wykazują nadzwyczajne zdolności do zapamiętywania, liczenia, rysowania, czy muzyki – zespół sawanta. Czy można zamienić zdrowego człowieka w takiego Sawanta? Silne pole magnetyczne (3 T) o niskiej częstości przyłożone do lewego płata skroniowoczołowego pomogło lepiej rysować 4 z 11 uczestników eksperymentów. Efekt utrzymuje się przez pewien czas po stymulacji. Zauważono też wpływ na uwagę wzrokową i inne funkcje. rTMS i zespół savanta Rysunki po sesji TMS są nieco bardziej intersujące. Learning styles 1st D Kolb perception-abstraction: C=Central M=Motor coupling within sensory SS areas, vs. coupling within central CC areas. World Strong C=>S leads to vivid imagery dominated by sensory experience. Autism: vivid detailed imagery, no S=Sensory generalization. Attention = synchronization of neurons, limited to S, perception SS strongly binds attention, no chance for normal development. Asperger syndrome strong C=>S activates sensory cortices preventing understanding of metaphoric language. If central CC processes dominate, no vivid imagery but efficient abstract thinking is expected - mathematicians, logicians, theoretical physicist, theologians and philosophers ideas. Learning styles 2nd D Kolb passive-active dimension, C=Central M=Motor observation – experimentation: motor-central processes MC, sensory-motor processes MS. World Autistic people: processes at the motor level MM, S=Sensory leads to repetitive movements, echolalia. The Learning Styles Inventory is a tool to determine learning style. Divides people into 4 types of learners: • divergers (concrete, reflective), • assimilators (abstract, reflective), • convergers (abstract, active), • accommodators (concrete, active). 4 styles and more Assimilators think and watch: prone to abstract thinking, reflective observation, inductive reasoning due to strong connections S=>C and within CC, weak connections from S=>M and C=>M. Convergers combine abstract conceptualization, active experimentation, using deductive reasoning in problem solving. Strong CC and C=>M flow of activity. Divergers focus on concrete experience SS, strong CS connections and CC activity facilitating reflective observation, strong imagery, novel ideas but weak motor activity. Accommodators have balanced sensory, motor and central processes and thus combine concrete experience with active experimentation supported by central processes SCM. Objective tests of the learning style may be based on brain activity. Co wie dorosły? Na obrazku częstość przyznawania prazepustki w zależności od pory dnia dla 1000 decyzji 8 sędziów izraelskich z 20-letnim stażem pracy (S. Danziger 2011). Kiedy szansa na przepustkę spada do zera trzeba nakarmić sędziego! Kiedy wykładowca jest głodny lepiej nie zdawać egzaminu. Samoregulacja i podejmowanie decyzji wymaga energii, tlenu i glukozy. Trudno jest myśleć po ciężkim wysiłku umysłowym, pojawiają się stererotypy. R.F. Baumeister, Ego Depletion and Self-Regulation Failure (2003). Wola to pobudzenie mózgu ... Obszary kory ciemieniowej i pola przedruchowego, które w wyniku drażnienia wywołały u 7 osób subiektywne odczucie intencji ruchu (trójkąty, kora ciemieniowa BA 39 i BA 40), złudzenie, że się naprawdę poruszyły (gwiazdki), oraz rzeczywiste ruchy (kółka, kora ruchowa BA6). M. Desmurget i inn. Science 2009. Uszkodzenia VMPC i moralność Ja i Mózg • Czy ja to mój mózg? Nie! Ja walczę ze swoim mózgiem, nie poddaję się popędom, neurotycznym impulsom, złym nawykom, ignoruję głupie myśli. • Jak zareaguję w nowej sytuacji? Jak strażnik czy jako więzień (Zimbardo)? Skąd mogę wiedzieć? • Tyle wiemy o sobie, ile nas sprawdzono (W. Szymborska). Trzeba się ciągle sprawdzać! • Mózg nie jest samodzielny, to tylko substrat dla umysłu, wyrzeźbionego w tym substracie. Mózg i Ja • Mózg ma mnie, nie ja mam mózg. • To mózg widzi i czuje, wszystkie nasze wrażenia i myśli są jego wytworem. Wnioski biologów: • Jesteśmy „mechanicznymi siłami natury” (A.R. Cashmore, PNAS 2010), wolna wola to kontynuacja wiary w witalizm. • Nie jesteś niczym innym jak pęczkiem neuronów (F. Crick). • Jesteś swoimi synapsami (J. LeDoux). Niedawno zrobiono … • Roboty - zabawki, pieski AIBO, roboty domowe – Wakamaru; roboty rozpoznające emocje i reagujące w emocjonalny sposób; • superkomputery o szybkościach 1015 op/sek, pamięciach ~1TB RAM, szybkość/pamięć rzędu ludzkiego mózgu. • pokazano możliwości budowy kwantowego komputera, jeśli by się udało spadnie wiele kartek; • implanty do nerwu ucha stosuje się rutynowo; sztuczna siatkówka znajduje się w fazie testów, • przeszczepiono głowę małpie (niedługo nam?); • znacznie postępy w sprzężeniu mózg-komputer, bezinwazyjnie (EEG) jak i podłączając kamerę bezpośrednio do kory wzrokowej; mózg małpy steruje robotem na odległość 900 km; • ewolucja robotów: zaprojektowane przez komputerowe programy, zbudowane przez roboty, obserwowane w środowisku i automatycznie ulepszane przez programy; • Powstają projekty globalnych symulatorów mózgu. Stopniowo w bliskiej przyszłości • komputery osobiste osiągną wydajność rzędu Tflp (1/1000 mózgu), superkomputery szybkością znacznie przewyższą mózgi; • powstaną roboty-zabawki i roboty opiekuńcze rozpoznające i wyrażające całą gamę emocji; • tłumaczenie maszynowe na żywo (przez telefon) stanie się popularne; • większość transakcji w elektronicznych sklepach i urzędach zachodzić będzie pomiędzy ludźmi i awatarami; • komputer stanie się partnerem pomagającym myśleć, wyszuka informację, inteligentne odpowie na pytania, podsunie skojarzenia; • tradycyjne nauczanie zastępowane będzie komputerowym; • bezpośrednie sprzężenie mózg-komputer będzie używane przez niewidomych, głuchych, sparaliżowanych, furiatów … • rozwinie się twórczość komputerowa; • powstaną zupełnie nowe zawody, zabraknie projektantów osobowości awatarów ... Poziomy Poziomy leżące wyżej w hierarchii nie dają się zwykle w pełni zredukować do poziomów bardziej podstawowych. Pojawiają się własności emergentne, które nie mają sensu na niższym poziomie, np. budowa trąby słonia jest nie tylko wynikiem genetyki i procesów rozwojowych, ale odbiciem ekosystemu, ewolucji gatunku, zmian klimatycznych które do tej ewolucji doprowadziły. Budowa i działanie mózgu nie wyjaśnią nam w pełni ludzkich zachowań bez uwzględnienia indywidualnej historii, kultury, języka i wielu innych aspektów, które stoją poza biologią. Fenomika neurokognitywna W krajach anglosaskich 20 lat temu wyodrębniła się interdyscyplinarna dziedzina związana z procesami uczenia się, określana jako „nauki o uczeniu się” (learning sciences). Główny wkład do jej powstania mają nauki kognitywne, psychologia wychowania, informatyka, antropologia, lingwistyka stosowana. Nauki o mózgu pojawiają się tu na razie w niewielkim stopniu, ale jest dość oczywiste, że do zrozumienia procesów uczenia się i tworzenia lepszych środowisk pozwalających na rozwój intelektualny na wszystkich etapach życia konieczne będzie zrozumienie fenotypów na wielu poziomach. Jest to jeszcze trudniejsze niż w przypadku fenomiki neuropsychiatrycznej, gdyż procesy uczenia się są bardziej złożone, a celem powinno być pełne rozwinięcie możliwości rozwoju człowieka, a nie tylko zrozumienie poważnych zaburzeń tego rozwoju. Taką dziedzinę można nazwać fenomiką neurokognitywną, by podkreślić centralną rolę procesów neuronalnych. Nie podjęto jeszcze żadnych inicjatyw w tym kierunku, ale podobnie jak w przypadku psychiatrii, jeśli celem jest zrozumienie wszystkich aspektów związanych z uczeniem się i poszukiwanie optymalnych sposobów wspomagania tych procesów na każdym etapie życia, nie ma innej alternatywy. Clement Levallois et. al., Translating upwards: linking the neural and social sciences via neuroeconomics. Nature Reviews Neuroscience 13, 789-797, 2012. Translating upwards: linking the neural and social sciences via neuroeconomics Clement Levallois, John A. Clithero, Paul Wouters, Ale Smidts & Scott A. Huettel Nature Reviews Neuroscience 13, 789-797 (November 2012) Myślenie abstrakcyjne • G. Marcus et al, “Rule learning by seven-month-old infants”, Science 1999, Vol. 283, pp. 77 – 80. 7-miesięczne dzieci po 2 minutach przestają się intersować sekwencjami dźwięków ga ti ga, li na li, struktura ABA w nowej sekwencji wo fe wo jest im znana ale interesują się znowu jak słyszą wo wo fe o nowej strukturze AAB. • Inteligencja koreluje się z szybkością myślenia (synchronizacji neuronów, mielinizacji aksonów), pamięcią roboczą i gęstością synaptyczną widoczną w strukturze ERP. IQ rośnie (efekt Flynna). • Stad silna korelacja IQ z wynikami dyskryminacji bardzo krótkich prawie jednoczesnych dźwięków o różnej wysokości (np. J. Drescher, UMK). D.A. Stanley, R. Adolphs, Toward a Neural Basis for Social Behavior. Neuron 80, 2013 Co się komu kojarzy z pojęciem „Social neuroscience”. A miała być nowa jakość życia … Globalny problem Genetyka stwarza ograniczenia ale pozostawiając wczesny rozwój przypadkowi większość dzieci nie ma szans na osiągnięcie w pełni swoich potencjalnych możliwości. • Specjalne wydanie The Lancet, Styczeń 2007: Early childhood development: the global challenge. Artykuł: Developmental potential in the first 5 years for children in developing countries. At least 200 million children aged under 5 years fail to reach their potential in cognitive and socioemotional development, because of four causes: malnutrition that leads to stunting, iodine and iron deficiency, and inadequate stimulation in their first 5 years of life. W idealnym świecie Troska o rozwój człowieka, od poczęcia do starości, pozwoliłaby na pełny rozwój jego możliwości, teraz w zatrważający sposób marnujemy ludzki potencjał na każdym kroku. To jest dobra wizja rozwoju kraju. • W idealnym świecie dzieci rodziły by się zdrowe … Okres prenatalny to 9 najważniejszych miesięcy naszego życia, drobne błędy mają fatalne konsekwencje. • Byłyby dobrze odżywione Choroby cywilizacyjne zaczynają się coraz wcześniej … dzieci z cukrzycą, poważną otyłością, to efekty złego odżywiania – stąd potrzeba projektu EcoFoodMed, powiązania chorób cywilizacyjnych z żywnością i środowiskiem. W idealnym świecie • Środowisko stymulowało i monitorowałoby rozwój dziecka tak, by przebiegał on w możliwie najlepszy sposób. • Dzieci miałyby odpowiednią motywację, ciekawość i chęć eksploracji świata. • Szkoła pomagała by kształtować charakter i rozwijać kreatywność a nie marnować czas … • Człowiek rozwijałby się w kierunku mądrości, realizacji celów godnych wysiłku a nie tylko osobistej kariery. • Na starość środowisko i społeczeństwo pomagało by utrzymać jak najdłużej wysoką jakość życia.
