Włodzisław Duch
CZY NEURONAUKI POMOGĄ NAM ROZWINĄĆ PEŁNY POTENCJAŁ?

Od 22 lat w marcu organizowany jest Brain Awareness Week, czyli Tydzień Mózgu. Głównymi organizatorami są Society for Neuroscience oraz Dana Alliance for Brain Initiatives. Society for Neuroscience organizuje największe konferencje naukowe na świecie, przyjeżdża na nie ponad 30 tysięcy osób, prezentowane są wszystkie aspekty badań związanych z mózgiem, od oddziaływania leków, psychofarmakologii do technik neuroobrazowania, badań behawioralnych, psychiatrii i modelowania komputerowego.

W 2017 roku było to ponad 800 wydarzeń w około 80 krajach. Celem jest uświadomienie globalnej opinii publicznej postępów i korzyści z badań nad mózgiem. A jest się nad czym zastanawiać - tylko w Europie straty spowodowane chorobami mózgu oceniane są na ponad 800 mld euro rocznie. Badania nad mózgiem mogą się przyczynić do znacznego zmniejszenia tych strat, jednakże wsparcie ze strony wszystkich krajów europejskich jest na poziomie 0.9 mld euro rocznie, do czego przemysł (głównie firmy farmaceutyczne) dokłada nieco ponad 3 mld euro.

Chociaż możliwości rozwoju zdolności intelektualnych, artystycznych czy fizycznych człowieka są uwarunkowane genetycznie, to do osiągnięcia ograniczeń z tego wynikających jest zwykle daleko. Niestety nie osiągamy swoich maksymalnych możliwości, marnujemy ludzki potencjał. Dotyczy to w ogromnej mierze krajów rozwijających się: ocenia się, że ponad 200 milionów dzieci do 5 roku życia nie rozwija się prawidłowo z powodu biedy, ubóstwa, chorób, niedożywienia, braku odpowiedniej stymulacji w dzieciństwie (International Child Development Steering Group, The Lancet, 2007). W krajach rozwiniętych są również liczne problemy rozwojowe - dysleksja i dysgrafia dotykają ok. 10 procent populacji w Polsce, Wielkiej Brytanii czy USA, a dyskalkulia ok. 4-6 procent społeczeństwa. Pozostałe 90 procent też nie rozwija w pełni swoich talentów.

To jest WIELKIE SPOŁECZNE WYZWANIE! W zatrważający sposób marnujemy ludzki potencjał na każdym kroku! Dobra wizja rozwoju powinna się opierać na trosce o człowieka, od poczęcia do starości, wspomaganiu pełnego rozwoju jego talentów, a przede wszystkim wczesnej prewencji nieprawidłowości rozwoju. W idealnym świecie dzieci rodziłyby się zdrowe, dobrze odżywione, chętne do eksploracji świata... Szkoła pomagałaby 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 pomagałoby utrzymać jak najdłużej wysoką jakość życia.

W starożytnej Grecji odróżniano naukę umiejętności i sztuk, którą uważano za mechaniczne nabywanie umiejętności, od paidei, czyli właściwej edukacji. Paideia była procesem kształtowania natury ludzkiej, drogą do osiągnięcia pewnego ideału zalet charakteru, doskonałości nazywanych arete (analogiczne do paramita w Indiach): cierpliwości, współczucia, mądrości. Paideia obejmowała zarówno trening fizyczny (gymnasion), umysłowy (sztukę oratorską, retorykę, podstawy nauk), jak i duchowy (muzykę i zasady moralne). Igrzyska olimpijskie, konkursy poetyckie i literackie, były pochodną paidei. Grecy łączyli swoje ideały wychowania z polityką, przygotowaniem do zarządzania i demokracją. W odniesieniu do charakteru człowieka arete to stan umysłu, z którego wynikają właściwe reakcje i emocje. W 1982 roku M. Adler założył National Paideia Center przy University of North Carolina, ruch zmierzający do głębokiej reformy edukacji na świecie (https://www.paideia.org).


By przypominać o różnych cnotach, wartościach moralnych, w starożytności stosowano personifikacje. Greccy i rzymscy bogowie symbolizowali pewne wartości, np. bogini Aequitas trzymająca wagę i róg obfitości reprezentowała sprawiedliwość, Pallas Athena mądrość i męstwo, a Veritas prawdę. Cnoty w chrześcijaństwie reprezentowali różni święci. W Kościele Świętej Trójcy i Najświętszej Marii Panny w Strzelnie na kolumnach wyrzeźbiono 36 personifikacji, połowa z nich to cnoty a druga połowa przywary. Na przedstawionym zdjęciu przedstawiona jest cierpliwość.

By zrozumieć jak można wspomagać rozwój ludzkiego potencjału koniecznych jest wiele badań naukowych. Misją naszego Laboratorium Neurokognitywnego w Interdyscyplinarnym Centrum Nowoczesnych Technologii UMK jest lepsze zrozumienie procesów rozwojowych, biologicznych podstaw zachowania i specyficznych umiejętności, związków pomiędzy działaniem mózgów i umysłów, oraz wdrażanie wynikających z tych badań innowacji społecznych wspomagających rozwijanie pełnego potencjału człowieka w ciągu całego życia. Chcielibyśmy opracować metody monitorowania, korygowania nieprawidłowości rozwoju i oddziaływania pomagającego rozwijać zdolności ludzi na każdym etapie ich życia, pomagając im osiągnąć pełny potencjał intelektualny. Zaczęliśmy od niemowlaków, bo w tym okresie tworzą się fundamenty późniejszego rozwoju: słuch fonematyczny i muzyczny, ciekawość i chęć eksploracji świata, pamięć robocza i myślenie abstrakcyjne oraz inne percepcyjne i poznawcze zdolności. Jak można pomagać w ich rozwoju? Tworząc inteligentne interaktywne zabawki, łóżeczka i kojce, analizujące automatyczne reakcje dziecka na zmianę bodźców. Niemowlę to mały naukowiec w kołysce! Nawet najbardziej kochająca mama nie nauczy swojego dziecka języka, którego sama nie zna... Możemy wspomóc rozwój percepcji, ale potrzeby miłości nie zmechanizujemy!

Dlaczego doskonalenie mózgów to ważne zagadnienie? Wszyscy mamy wiele problemów związanych z emocjami i funkcjami poznawczymi, samoregulacją, zrozumieniem swoich prawdziwych potrzeb, które pomagają osiągnąć życiowy sukces w dłuższym okresie czasu. Mamy problemy z pamięcią: zapominaniem, fałszywymi wspomnieniami. Racjonalna ocena swoich reakcji emocjonalnych jest trudna. Ulegamy złym nawykom i różnym uzależnieniom. Mamy trudności z radzeniem sobie i oceną w złożonych sytuacjach, podejmowaniem decyzji przy niepełnej informacji. Trudno jest przewidywać skutki swoich działań, rozważając scenariusze "co-by-było-gdyby" nie dostrzegamy odmiennych punktów widzenia.

W skrócie: nie uczymy się jak sobie radzić w życiu, jak kształtować swoje mózgi/umysły, jak być szczęśliwym w życiu. Entuzjazm dla możliwości wykorzystania technologii w edukacji nie okazał się uzasadniony, ani multimedia ani dostęp do informacji nie wywołały tu dostrzegalnej poprawy. Cyfrowa mądrość nadal wydaje się jednak wielką szansą, ale może też być jeszcze większym zagrożeniem. Pedagodzy, podobnie jak psychiatrzy, opierali się tylko na obserwacji zachowania, nie mając wglądu w mózgi, na które wpływali. Tymczasem edukacja to rzeźbienie mózgu! Uczenie zmienia fizyczne połączenia i możliwe procesy zachodzące w mózgu, które przebiegają drogami wyżłobionymi przez nauczyciela. Neurony mają ogromne drzewka dendrytyczne, tysiące połączeń z innymi neuronami, a takie neurony jak komórki Purkinjego nawet 200 tysięcy rozgałęzień! Jest więc w czym rzeźbić. Mamy milion miliardów połączeń w mózgu i w ciągu dnia około 10 procent ulega pewnej modyfikacji. Procesy konsolidacji pamięci, zachodzące w znacznej mierze w czasie snu, wzmacniają zmiany tylko w najważniejszych ścieżkach, osłabiając pozostałe.

Neuroedukacja to interdyscyplinarna dziedzina łącząca wyniki neuronauk, psychologii i pedagogiki w celu opracowania bardziej efektywnych metod nauczania. Neurolog Henry Herbert Donaldson (1857-1938), napisał książkę "The Growth of the Brain: A Study of the Nervous System in Relation to Education" w 1895 roku, zaś pedagog Reuben Post Halleck (1859-1936) - "The Education of the Central Nervous System: A Study of Foundations, Especially of Sensory and Motor Training" w 1896! Już w XIX wieku ludzie marzyli o tym, by zrozumieć zachodzące w mózgu procesy i wykorzystać tę wiedzę, by zwiększyć sprawność nauczania.

W XXI wieku jesteśmy do tego gotowi. Genetyczny determinizm narzuca ogólne ograniczenia, ale jeśli nie prowadzi do deformacji czy większych uszkodzeń mózgu, wpływ środowiska na rozwój może być decydujący. Neuronalny determinizm to wynik doświadczeń życiowych, wychowania, kultury, w której się wychowujemy. Budowa mózgu określa cechy charakteru, temperament, ale i możliwości skojarzeń, myśli, doznawanych emocji, relacji międzyludzkich. Nie możemy myśleć inaczej, niż pozwala nam na to aktywność neuronalna. Często konfabulujemy, ale prawdziwa przyczyna pojawiania się naszych myśli i przekonań zależy od aktywności mózgu, czyli neurodynamiki. Podsumowuje to metafora: umysł to cień aktywności mózgu. Z tysięcy zachodzących w nim procesów koniecznych do utrzymania organizmu przy życiu, utrzymania homeostazy, równowagi, percepcji, uwagi, jesteśmy świadomi tylko nielicznych i to w niewielkim stopniu. By proces zachodzący w mózgu stał się świadomy, musi się odróżnić od innych tak, by można było mu przypisać jednoznaczną interpretację, np. werbalną etykietę. Wypowiadając kolejne słowa mój mózg przypisuje takie werbalne etykiety, fonologiczne reprezentacje kolejnym stanom swojej aktywacji. Niezwykle ważny jest zbiór wszystkich połączeń pomiędzy różnymi obszarami mózgu, czyli konektom, określający jak te obszary będą ze sobą współpracować. Badania prowadzone w ramach Human Connectom Project pokazały, że budowa indywidualnego konektomu jest silnie pozytywnie skorelowana z inteligencją płynną, kreatywnością, testami pamięci roboczej, zadowoleniem z życia, utrzymywaniem uwagi i odroczeniem nagrody, pozwalającym na większe zyski w przyszłości, ale negatywnie skorelowana ze skłonnością do uzależnień, agresji i słabymi wynikami w testach pamięci, uwagi i inteligencji płynnej.

Pełny opis wszystkich procesów decydujących o naszym zachowaniu i zdolnościach wymagałby uwzględnienia procesów na wielu poziomach, od genetyki po obserwację zachowania. Do pewnego stopnia próbuje tego dokonać neurofenomika psychiatryczna. NIMH, czyli Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego w USA, od 2008 roku rozwija nowe podejście do zaburzeń psychicznych. Zamiast tradycyjnej klasyfikacji za pomocą objawów, skupia się na zaburzeniach regulacji rozległych podsieci, opisujących najważniejsze procesy w mózgu. Research Domain Criteria (RDoC), czyli nowe kryteria badawcze, opierają się na próbie scharakteryzowania 5 dużych systemów odpowiedzialnych w mózgu za realizację zachowań negatywnych (strach, lęk, utrata, frustracja, awersja); zachowań pozytywnych (reakcje na nagrody, antycypację, chęć i preferencje działania, tendencje i hedonistyczne nawyki); mechanizmów poznawczych (uwagi, percepcji, pamięci deklaratywnej i roboczej, języka, kontroli i planowania działania); relacji społecznych (przywiązania, sprawstwa, komunikacji, samowiedzy, rozumienia siebie); mechanizmów regulacyjnych i pobudzających (rytmów okołodobowych, pobudliwości, przytomności). Uwzględniane są procesy genetyczne, molekularne, komórkowe, mikrostruktury zbiorów neuronów, fizjologia większych obszarów, obserwacje zachowania, jak i subiektywne odczucia. Powoli wszystkie te elementy są opisywane, a ich nietypowa kompozycja odpowiedzialna jest za specyficzne zespoły chorobowe. Fenomika kognitywna, czyli próba opisu bardziej subtelnych form zachowania w podobny sposób będzie jeszcze trudniejsza niż fenomika neuropsychiatryczna, ale nie ma tu chyba drogi na skróty.

Mózg po urodzeniu ma tylko 1 końcowej masy, ale w każdej sekundzie tworzy się ponad milion nowych połączeń synaptycznych! Mózg zaczyna wypełniać substancja biała, czyli długie wypustki neuronów łączących odległe obszary. W 3 roku życia będzie milion miliardów (1015), połączeń między neuronami, potem kilka razy mniej. Dojrzewanie to specjalizacja, pozostają utarte szlaki neuronowe. Jednakże nie każde dziecko ma w momencie narodzin jednakowy start. Badania prowadzone przez wiele lat między innymi przez D. L. Molfese z Uniwersytetu Louisville pokazały, że reakcja mózgu dziecka w drugim dniu życia na bodźce słuchowe mierzona za pomocą potencjałów wywołanych (ERP), czyli wielokrotnej prezentacji sylab i uśrednianiu wywołanych przez nie sygnałów EEG pozwala przewidzieć, czy 8 lat później dziecko będzie czytało normalnie, słabo lub będzie dyslektyczne z dokładnością do ponad 80 procent. Można stąd wciągnąć wniosek, że niektóre niemowlaki wymagają specjalnej stymulacji już od samego początku, tak by ich konektom rozwinął się w odpowiedni sposób. Wiemy też, że mózgi niemowlaków reagują już w pierwszych dniach życia na różnice dźwięków mowy, takich jak ba/ga/da - bi/gi/di. Już pomiędzy 10-12 miesiącem życia zanika zdolność do rozróżniania kontrastów fonetycznych języków obcych, np. la-ra, c-s, b-v w Japonii lub q-?-?-?-s-z w Polsce (są to symbole alfabetu fonetycznego). W efekcie pojawiają się trudności w różnicowaniu pewnych wyrazów w językach obcych, ale też rozróżnianie niektórych dźwięków w języku natywnym może być zaburzone. Jak możemy wzmocnić słuch fonematyczny?

Twoja matka mogła Ciebie nauczyć słyszenia tylko takiej mowy, którą sama zna! Okazuje się, że pasywne uczenie się polegające na oglądaniu programu w telewizji (np. Sezame Street po chińsku) lub słuchanie nagrań nie pomaga - potrzebna jest aktywna interakcja z człowiekiem. To dominujący obecnie pogląd, ale może zamiast chińskiej opiekunki wystarczy interaktywna zabawka? Musi tylko rozpoznać jak reaguje mózg dziecka, bo niemowlę jeszcze tego samo nie potrafi powiedzieć. Dlatego prowadzimy treningi niemowląt, badając kierunek ich spojrzenia, podczas gdy oglądają sterowaną wzrokiem animowaną bajkę, dzięki czemu możemy zauważyć, czy dziecko reaguje na pewne subtelne różnice w brzmieniu wyrazów wskazujące, z której strony pojawi się coś ciekawego. W naszym Laboratorium pracownia gier terapeutycznych, kierowana przez dr. hab. Jacka Matulewskiego (WFAiIS UMK) opracowała platformę programową służącą do łatwego przygotowywania spersonalizowanych aplikacji obsługiwanych wzrokiem, która może służyć nie tylko do badań niemowląt, ale i do wspomagania komunikacji osób niepełnosprawnych. Opracowała też grę-test diagnozujący zagrożenia dyskalkulią i trening stymulujący mózg tak, by pomóc w rozwinięciu u dzieci mentalnej osi liczbowej, która jest podstawą porządkowania, liczenia i wykonywania operacji arytmetycznych, czyli rozumienia zależności ilościowych.

Czy dzięki grom i multimedialnej edukacji możemy pomóc rozwinąć ludzki potencjał? Czy należy skupić się na technologii i zmienić cały system edukacyjny, by go dostosować do pokolenia cyfrowych tubylców? Paradoksalnie, zbyt łatwy dostęp do dowolnych informacji może utrudnić prawidłową edukację. Żeby szukać trzeba najpierw znaleźć! Potrzebna jest odpowiednia struktura przekazywanej informacji, a nie zalew obrazków. Samo słuchanie i oglądanie nie wystarcza. Studenci nie potrafią już robić notatek, mało piszą ręcznie, oglądają prezentacje i filmy edukacyjne. Pamięć epizodyczna pozwala co prawda zapamiętać zdarzenia po jednokrotnej ekspozycji, tworzy jednak tylko płytkie skojarzenia, a zamiana zapamiętanych epizodów na struktury pamięci semantycznej, które pozwalają na głębsze logiczne rozumowanie, nie jest łatwa. Wiedza wymaga powstania pamięci semantycznej, a to powolny proces wymagający wielokrotnych powtórzeń i skojarzeń z dobrze utrwaloną wiedzą.

Internet może mieć szkodliwy wpływ na zdolności poznawcze, zmniejszyć zdolności do koncentracji i kontemplacji studiowanego materiału. Opisał to N. G. Carr, w książce "The Shallows: What the Internet Is Doing to Our Brains" (2010). Co prawda już Sokrates skarżył się na wynalazek pisma, który miał spowodować utratę mądrości i pamięci (dialog z Fajdrosem), a podobne obiekcje formułowano w stosunku do druku. Jednak w dzisiejszych czasach przeciążenie informacyjne osiągnęło niepokojące rozmiary. Ciągłe przerzucanie się pomiędzy zadaniami (multitasking) ma wiele negatywnych cech i prowadzi do większego zmęczenia i błędów, wymagając wiele energii do resynchronizacji licznych obszarów mózgu przy przerzucaniu się pomiędzy wykonywanymi zadaniami.

Gdziekolwiek byśmy byli, uciekamy gdzie indziej... Powstają cyfrowe enklawy, w których umacniamy się w swoich przekonaniach. Imersja w wirtualnym świecie, który dzięki coraz lepszym okularom VR szybko staje się coraz bardziej popularny, znacznie pogorszy sytuację. Już jesteśmy w znacznej mierze sterowani przez algorytmy. Na nasze zachowanie wpływa wszystko, z czym mamy do czynienia; automatyczne filtrowanie informacji robią wszystkie większe firmy: Google, Amazon, Netflix, banki, giełda, sieci społecznościowe...

Potrafimy coraz lepiej podglądać, co się dzieje w mózgu, kiedy myślimy o konkretnych pojęciach, śledzić zmiany aktywacji w czasie czytania, oglądania filmów, a nawet odczytywać na podstawie analizy aktywacji układu wzrokowego o czym śnimy. Czy to pomoże nam rozwinąć swój potencjał? Może czas na bezpośrednie doskonalenie mózgów? "Dobry Bóg już zrobił, co mógł, teraz trzeba zawołać fachowca", jak śpiewano w kabarecie. Doskonalenie mózgów to wielkie wyzwanie dla nauki i techniki, ale trzeba tu postępować niezwykle ostrożnie. Wyzwaniem jest zapobieganie zaburzeniom, optymalizacja normalnego rozwoju. Dorastanie to coraz większa specjalizacja i zmniejszające się możliwości. Jak do tego nie dopuścić? Aktywność fizyczna i intelektualna z pewnością pomaga, ale dzięki rozwojowi nanotechnologii i technologii neurokognitywnych, na skrzyżowaniu bio-, info-, kogni- i nano-technologii, pojawia się coraz więcej możliwości bezpośredniej ingerencji w działanie mózgu. Z drugiej strony, odwrotna inżynieria mózgu pozwala przenosić pewne neurobiologiczne rozwiązania do urządzeń technicznych. Przykładem jest coraz lepsze tłumienie szumu tła w czasie rozmów telefonicznych, które osiągnięto dzięki zrozumieniu przetwarzania sygnałów akustycznych przez mózg.

W ostatnich latach sztuczna inteligencja poczyniła ogromne postępy, wygrywając z mistrzami świata w szachy, go, pokera, czy Va banque, jak i w rozpoznawaniu obrazów. Analiza EEG i innych sygnałów pozwala na konstruowanie urządzeń pomagających automatycznie wyszukiwać relaksującą lub pobudzającą muzykę (Melomind), poprawić wyniki sportowców, pobudzając ich korę ruchową w momencie maksymalnego wysiłku (Haloneuro), używać neurofeedback i pola magnetycznego (TMS) do pobudzania zdolności artystycznych i kreatywności, analizować EEG, by skierować naszą uwagę na interesujące zdarzenia lub ważne pojęcia w czytanym artykule, czy też zwiększać zdolność do koncentracji, stymulując mózg prądem zmiennym (tDCS), co robią zarówno maniacy gier zręcznościowych, jak i piloci oraz żołnierze w czasie treningu. Aplikacje dodające energii rano czy przed treningiem i uspokajające wieczorem przed snem pozwalają na sterowanie swojego mózgu smartfonem (np. Thync). Wojsko próbuje wprowadzić do procedur treningu amerykańskich żołnierzy (Engagement Skills Trainer, EST) analizę EEG eksperta wykonującego bojowe zadanie i wielokanałowy stymulator przezczaszkowy (MtCS) dla studenta, który powinien u niego wywołać podobne stany mózgu, jakie wykazuje ekspert, by przyspieszyć transfer umiejętności pomiędzy mistrzem i uczniem.

Czy powstanie nowy gatunek Homo Sapiens Digital (HSD), cyfrowy transhuman? Dla HSD cyfrowe wzmacnianie zmysłów i funkcji mózgu stanie się częścią naturalnego środowiska. Cyfrowe wzmacnianie powinno dopełniać wrodzone zdolności i pomagać w mądrym podejmowaniu decyzji, korzystnych w dłuższym okresie czasu. To jednakże jest bardzo trudnym zadaniem. Neuronauki dają na razie edukacji ogólne wskazówki, wiele jeszcze nie wiemy. Neuroplastyczność mózgu będzie można regulować, przygotowując mózgi do uczenia i kreatywnego myślenia. Okienka plastyczności, dzięki stymulowaniu mózgu za pomocą takich technik jak DCS czy TMS, raczej nieprędko znajdą zastosowanie w szkole, w odróżnieniu od treningów wojskowych. Neurofeedback i relaksacja to ciekawe metody przygotowania mózgu do uczenia. Trzeba jednak zaczynać jak najwcześniej, rozwijając podstawy percepcji, rozbudzając ciekawość, chęć eksploracji świata, pamięć roboczą... Pedagogika i socjotechnika będą coraz bardziej związane z neurobiologią.

Zaczyna się wiek neuro-kog-info-nanocyborgów i sztucznego mózgu. Postęp przyspiesza, a osobliwość (singularity) może być już blisko. Stoimy przed wielkimi zagrożeniami, ale i szansami. Pora zacząć poważnie pytać: jak możemy pomóc rozwinąć w pełni potencjał człowieka, wspomagając rozwój i jakość życia od niemowląt do seniorów? Jak możemy lepiej zrozumieć i kontrolować swoje zachowanie? Jak na rozwój mózgu wpływa kultura, literatura, muzyka? Troska o pełny rozwój człowieka byłaby piękną podstawą strategii rozwoju. Musimy nauczyć się lepiej dbać o mózgi/umysły, głęboko zmienić edukację.

Może też być całkiem inaczej, bo możliwe będzie łatwe pranie mózgu, manipulacja opinią publiczną, wychowywanie fanatyków, a nawet przejęcie zdalnej kontroli nad mózgiem osoby, która stała się cyborgiem. Już teraz mamy zalew neurobzdur, od structogramu do kwantowej analizy ciała. Będzie jeszcze więcej bełkotu, a może i przymusowe czepki z elektrodami...

Prof. dr hab. Włodzisław Duch jest kierownikiem Laboratorium Neurokognitywnego, Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii UMK, przez wiele lat kierował Katedrą Informatyki Stosowanej UMK.