Mózg uczy się offline. Naukowcy odkryli, czemu po przerwie przychodzi olśnienie

Długo szukasz odpowiedzi, rezygnujesz i nagle – olśnienie. Ten moment nie jest tak przypadkowy, jak mogłoby się wydawać. Naukowcy dostrzegli w mózgu ślady procesów, które mogą za nim stać.

– Masz problem do rozwiązania i nie możesz znaleźć właściwego wyjścia. Wtedy ucinasz sobie drzemkę lub robisz coś relaksującego, a sprawa się wyjaśnia – w wywiadzie dla Medical Xpress mówi dr George Dragoi, profesor psychiatrii w Yale School of Medicine. Jak dodaje, po takim odpoczynku rozwiązanie potrafi pojawić się niemal samo.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie "Nature Communications" Dragoi oraz dr Baburam Bhattarai, były stażysta w jego laboratorium, sprawdzili, co może stać za takim "uczeniem się offline".

Kiedy uczymy się nowej umiejętności albo próbujemy rozwiązać problem, mózg nie ogranicza się do zapisywania nowych informacji. Korzysta również z tego, co już znajduje się w pamięci. Łączy wcześniejsze doświadczenia z nowymi danymi i wykorzystuje istniejące połączenia neuronalne w inny sposób. Dobrym przykładem jest nauka jazdy. Dla młodej osoby opanowanie podstaw może zająć kilka tygodni. Jeśli jednak po latach przesiądzie się do dużej ciężarówki, adaptacja prawdopodobnie będzie szybsza. Ma już doświadczenie za kierownicą. Mózg nie musi uczyć się wszystkiego od początku.

– Asymilujesz nowe elementy z posiadanymi już informacjami i niejako uczysz się tego na nowo. To zawsze proces adaptacji – tłumaczy Dragoi.

Nie bez znaczenia jest też sen. Kiedy odpoczywamy, mózg może łączyć nowe informacje z wiedzą zdobytą wcześniej.

– Mamy więc do czynienia z przeszłymi doświadczeniami i odrębnymi, już istniejącymi informacjami, a podczas snu mózg próbuje je ze sobą powiązać i scalić w całość – wyjaśnia naukowiec.

Badacze sprawdzili ten mechanizm na szczurach. Zwierzęta uczyły się poruszać po prostym labiryncie, w którym na nagrodę czekało jedzenie ukryte w jednym z sześciu miejsc. Każde z nich miało własny zapach i smak. Kiedy szczury nauczyły się już tych zależności, naukowcy zaczęli je zmieniać. Najpierw zamienili miejscami trzy pary "zapach–lokalizacja", a później kolejne trzy. Ostatecznie wszystkie sześć skojarzeń było inne niż wcześniej.

Szczury potrafiły zapamiętać pojedyncze zasady, np. że nie warto wracać do odwiedzonego miejsca. Wiedziały też, że lokalizacja, w której wcześniej była nagroda, nie musi być dobrym wyborem przy kolejnej próbie. Taka wiedza nie wystarczała jednak do rozwiązania całego zadania. Potrzebne było skojarzenie konkretnego zapachu z właściwą lokalizacją. Początkowo zwierzęta radziły sobie z tym słabo. Niezależnie od tego, czy musiały nauczyć się trzech nowych par, czy wszystkich sześciu, potrzebowały czasu, by odnaleźć zmienione miejsca. Potem następowała przerwa.

Szczury opuszczały labirynt i przez około godzinę odpoczywały. Po powrocie ich zachowanie wyraźnie się zmieniało. Znacznie szybciej trafiały do właściwych miejsc, jakby w czasie odpoczynku uporządkowały to, czego wcześniej nie potrafiły wykorzystać.

– Początkowo wydawało się, że żadne z nich się nie nauczyło – wspomina Dragoi. – A potem następowała godzinna przerwa na odpoczynek poza labiryntem. Po powrocie zdawały się znać wszystkie lokalizacje. Wyglądało to tak, jakby nastąpił moment olśnienia. Naukowcy postanowili więc sprawdzić, co dokładnie dzieje się wtedy w mózgu.

Jednym z podejrzanych mechanizmów były tzw. fale ripples, czyli krótkie okresy skoordynowanej aktywności neuronów. Pojawiają się one w hipokampie, strukturze mózgu odgrywającej ważną rolę w procesach pamięciowych. Towarzyszą im również zmiany aktywności w korze przedczołowej. Co istotne, naukowcy obserwują te zjawiska przede wszystkim podczas snu albo spokojnego czuwania. Nie są to długie okresy intensywnej pracy mózgu. Pojedyncza fala trwa zaledwie około 40–80 milisekund.

– Aktywność mózgu podczas snu jest chaotyczna, ale w trakcie tych fal wiele neuronów działa w sposób skoordynowany, generując oscylacje o wysokiej częstotliwości – wyjaśnia Dragoi.

Jedna z hipotez zakłada, że właśnie w takich momentach dochodzi do szybkiego przekształcania i konsolidowania połączeń neuronalnych. Mózg może wtedy porządkować informacje zebrane wcześniej i sprawdzać, jak połączyć je z tym, co już wie. Badacze poszli jednak o krok dalej. Wykorzystali słabe sygnały elektryczne, aby zahamować pojawiające się fale. Efekt był wyraźny: korzyść, którą zwierzęta czerpały z odpoczynku, zniknęła. Nie następowała już równie szybka poprawa w uczeniu się nowych skojarzeń.

– Skuteczniejszemu uczeniu się towarzyszyły tzw. fale tętniące. Gdy zablokowaliśmy te fale, zablokowaliśmy również szybkie uczenie się oparte na kojarzeniu faktów – mówi Dragoi.

Nie oznacza to jednak, że odkryto prosty “przycisk nauki” w ludzkim mózgu czy uniwersalną metodę na lepszą pamięć. Badanie przeprowadzono na szczurach, a mechanizmy zachodzące u ludzi są znacznie bardziej złożone. Naukowcy wskazują jednak, że podstawowe zasady koordynacji aktywności neuronalnej mogą być podobne u różnych gatunków. To właśnie dlatego wyniki mogą mieć znaczenie dla dalszych badań nad pamięcią i uczeniem się.

Mózg nie przypomina bowiem komputera, w którym każda informacja trafia do osobnej szuflady. Tworzy raczej rozległą mapę skojarzeń. Wiedza i wcześniejsze doświadczenia mogą stanowić drogi, którymi poruszają się nowe informacje. Czasem prowadzą one prosto do rozwiązania, a czasem pozwalają znaleźć zupełnie nowy skrót. W praktyce może to oznaczać coś bardzo prostego – kiedy utkniesz nad trudnym zadaniem, kolejna godzina wpatrywania się w ekran niekoniecznie będzie najlepszym ze sposobów na zmęczenie w pracy. Krótki spacer, spokojna przerwa czy sen mogą dać mózgowi czas na wykonanie pracy, której nie jesteśmy świadomi.

– Wystarczy na chwilę oderwać się od problemu i pozwolić, by mózg niejako wykonał pracę za nas – mówi Dragoi. – Odpoczynek sprzyja olśnieniom.

Dotyczy to szczególnie snu. Jak podkreśla naukowiec, osoby uczące się nowych rzeczy, w tym studenci, często próbują nadrabiać naukę kosztem odpoczynku. Tymczasem bez odpowiedniej ilości snu mózg może mieć znacznie gorsze warunki do utrwalania i łączenia nowych informacji. Czasem więc najlepszą strategią nauki nie jest kolejna godzina pracy. Jest nią właśnie przerwa.