یک درس ویولن چگونه فعالیت مغز نوآموزان را تغییر می دهد؟

آرشه سیم را بوسید و نت باریکی، لرزان و نامطمئن به گوش رسید. بدن یک هنرجوی مبتدی برای اصلاح وضعیت خود تکان خورد. صدا خشن بود. سر کمی کج شد. مغز دوباره محاسبه کرد.

دانشمندان پس از تنها یک جلسه آموزش ویولن برای مبتدیان، تغییرات قابل اندازه‌گیری در فعالیت مغز را شناسایی کرده‌اند. 

همین صحنه کوچک، حرکت ناشیانه، نتی که درست نواخته نشد و سپس بهبودی اندک، آزمایشگاه یک پژوهش تازه بود که موسیقی، مهارت عملی و تصویربرداری قابل حمل از مغز را کنار هم آورد. پژوهشگران دانشگاه ناتینگهام ۲۲ هنرجوی تازه‌کار ویولن را دنبال کردند، در حالی که تلاش می‌کردند یک ملودی ساده را بنوازند و هم‌زمان مغز آن‌ها هنگام حرکت ثبت می‌شد. آنچه به دست آمد، داده‌ای ایستا نبود. روایتی کوتاه از یادگیری بود که در ریتم‌های الکتریکی مغز بیان می‌شد.

یک ویولن چوبی و کلاهی که گوش می‌دهد

اندازه‌گیری فعالیت مغز هنگام حرکت طبیعی، کاری به‌طور مشهور دشوار است. اسکنرهای سنتی بی‌حرکتی کامل می‌خواهند. آن‌ها همان حرکاتی را محدود می‌کنند که اهمیت دارند. این تیم از رویکردی متفاوت استفاده کرد: اوپی‌ام-مگ، یک سامانه مگنتوانسفالوگرافی پوشیدنی که در ناتینگهام توسعه یافته است. حسگرها درون کلاهی سبک قرار می‌گیرند و سیگنال‌های مغناطیسی را به یک واحد کنترل به اندازه کوله‌پشتی ارسال می‌کنند. افراد می‌توانند بچرخند، دست خود را دراز کنند و ساز بزنند، در حالی که فعالیت عصبی آن‌ها با دقت میلی‌ثانیه‌ای ثبت می‌شود.

اما مشکلی وجود داشت. بیشتر ویولن‌ها قطعات فلزی دارند. فلز میدان‌های مغناطیسی بسیار کوچکی را که نورون‌ها تولید می‌کنند دچار اعوجاج می‌کند و اندازه‌گیری‌ها را از بین می‌برد. راه‌حل، پیوندی میان صنایع دستی قدیمی و فناوری تازه بود. آلن کربی، نوازنده ویولن و سازنده ساز در ناتینگهام، همه قطعات فلزی یک ویولن استاندارد را جدا کرد و آن‌ها را با جایگزین‌های چوبی دست‌ساز عوض کرد. نتیجه، سازی کاملا کارآمد بود که بر اساس فرکانس‌های باروک کوک شده بود و سیگنال اسکنر را مختل نمی‌کرد.

آلن کربی هنگام کار روی یک ویولن.

کربی همچنین آموزش شرکت‌کنندگان را بر عهده داشت. پیش از هر درس، هر هنرجوی مبتدی اجرای او از قطعه «چشمک بزن، ستاره کوچک» را تماشا کرد و سپس تلاش کرد همان ملودی را داخل اسکنر بازنوازی کند. پس از این ثبت اولیه، آن‌ها یک درس کوتاه و متمرکز با کربی گذراندند و برای اسکن دوم بازگشتند. پژوهشگران فعالیت مغز را پیش و پس از آموزش مقایسه کردند تا ببینند الگوهای عصبی هنگامی که یک مهارت حرکتی شروع به شکل‌گیری می‌کند، چگونه تغییر می‌کنند.

گوش دادن به پیش‌بینی‌ها در مغز

دانشمندان دقیقا دنبال چه چیزی بودند؟ نه نورون‌های منفرد، بلکه نوسان‌ها، یعنی افت‌وخیزهای ریتمیکی که در جمعیت‌هایی از سلول‌های مغزی جریان پیدا می‌کنند. در این آزمایش، نوسان‌های باند بتا، امواج مغزی تقریبا در محدوده ۱۳ تا ۳۰ هرتز، به سیگنال اصلی مورد توجه تبدیل شدند. این امواج با کنترل حرکتی و همچنین با پیش‌بینی‌های مغز درباره پیامدهای اعمال مرتبط هستند.

وقتی برای نواختن یک نت آماده می‌شوید، مغز شما انتظاری می‌سازد: زمان‌بندی، زیر و بمی صدا و صوتی که باید از حرکت شما تولید شود. اگر واقعیت با این انتظار همخوان باشد، مغز تایید دریافت می‌کند. اگر صدا غافلگیرکننده باشد، این ناهمخوانی به داده‌ای برای به‌روزرسانی حرکت‌های آینده تبدیل می‌شود. به نظر می‌رسد ریتم‌های بتا همین بازخورد مربوط به پیامدهای مورد انتظار و واقعی را حمل می‌کنند.

یک شرکت‌کننده در حالی ویولن می‌نوازد که کلاه تخصصی اسکن مغز بر سر دارد؛ کلاهی که به پژوهشگران امکان می‌دهد فعالیت عصبی را در زمان واقعی پایش کنند و نشان می‌دهد مغز هنگام یادگیری مهارت‌های حرکتی تازه چگونه سازگار می‌شود. 

با ردیابی فعالیت بتا هنگام تلاش شرکت‌کنندگان برای اجرای ملودی، تیم پژوهشی توانست امضای عصبی پیش‌بینی و پردازش خطا را در همان لحظه شکل‌گیری مشاهده کند. اسکنر پوشیدنی اجازه داد این امضاها زمانی اندازه‌گیری شوند که افراد به‌طور طبیعی حرکت می‌کردند، آرشه می‌کشیدند، انگشت‌گذاری می‌کردند و گوش می‌دادند، نه زمانی که بی‌حرکت در آزمایشگاه دراز کشیده بودند.

درسی کوتاه، تغییری قابل اندازه‌گیری

پس از تنها یک جلسه آموزش، پژوهشگران تغییرات قابل اندازه‌گیری در پویایی نوسان‌های باند بتا را شناسایی کردند. شرکت‌کنندگانی که بیشترین بهبود را در دقت و زمان‌بندی نشان دادند، بزرگ‌ترین تغییرات را نیز در همین ریتم‌های مغزی داشتند. این همبستگی علیت را ثابت نمی‌کند، اما یادگیری قابل مشاهده را به یک الگوی عصبی قابل اندازه‌گیری پیوند می‌دهد.

چرا این موضوع فراتر از تازگی این یافته اهمیت دارد که چند دقیقه آموزش می‌تواند نوسان‌های مغزی را تغییر دهد؟ زیرا همین ریتم‌ها در شکل‌های دیگر یادگیری حرکتی نیز نقش دارند و در بیماری‌های عصبی دچار تغییر می‌شوند. برای نمونه، نوسان‌های بتا در پژوهش‌های مربوط به بیماری پارکینسون، بهبود پس از سکته مغزی و افت شناختی دیده می‌شوند. مشاهده رفتار این نوسان‌ها هنگام حرکت طبیعی، پنجره‌ای تازه به سوی یادگیری سالم و اختلال‌های مرتبط با بیماری باز می‌کند.

این مطالعه همچنین نمایشی از مهندسی میان‌رشته‌ای است. پروفسور متیو بروکس، که هدایت کار اوپی‌ام-مگ را بر عهده داشت، این تلاش را ترکیبی از فیزیک، مهندسی طراحی، ریاضیات و مهارت موسیقایی توصیف کرد. ساخت سازها و تجهیزات پوشیدنی سر که حرکت واقعی را تحمل کنند و در عین حال کیفیت سیگنال را حفظ کنند، نیازمند تخصص در چندین حوزه بود. دستاورد آن، پلتفرمی است که می‌تواند مغز را در حال عمل مطالعه کند.

یافته‌ها مسیرهای عملی پیش رو را نیز نشان می‌دهند. تصویربرداری قابل حمل از مغز می‌تواند برای ارزیابی راهبردهای توان‌بخشی، پایش بهبود پس از آسیب یا تشخیص نشانه‌های اولیه زوال عصبی هنگام انجام کارهای روزمره به کار رود. همچنین ممکن است راهی برای سنجش این باشد که جلسه‌های آموزشی کوتاه چگونه عملکرد مغز را تغییر می‌دهند و بازخوردی مفید در اختیار معلمان و درمانگران قرار دهد.

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارتین، عصب‌شناس شناختی که در این مطالعه مشارکت نداشته است، گفت: «آنچه مردم را شگفت‌زده می‌کند این است که مغز با چه سرعتی مدل‌های خود از عمل و صدا را به‌روزرسانی می‌کند. ریتم‌های بتا مانند یک دفتر ثبت پیوسته عمل می‌کنند: آن‌ها همخوانی‌ها و ناهمخوانی‌ها را میان آنچه مغز پیش‌بینی می‌کند و آنچه واقعا رخ می‌دهد، علامت‌گذاری می‌کنند. دیدن این سیگنال‌ها در حالی که فرد حرکت می‌کند، مطالعه یادگیری در محیط‌های طبیعی را دگرگون می‌کند.»

مارتین افزود: «این رویکرد به ما امکان می‌دهد پرسش‌های متفاوتی مطرح کنیم. برای مثال، آیا می‌توانیم تغییرات ظریف در پردازش پیش‌بینی را که پیش از علائم بالینی ظاهر می‌شوند تشخیص دهیم؟ یا آیا آموزش هدفمند می‌تواند ریتم‌های آسیب‌شناختی را به سوی الگوهای سالم‌تر تغییر دهد؟ اکنون که فناوری لازم برای اندازه‌گیری آن‌ها هنگام رفتار واقعی وجود دارد، این‌ها فرضیه‌هایی قابل آزمون هستند.»

نتیجه‌گیری

یک درس کوتاه ویولن کاری فراتر از بهتر کردن یک ملودی لرزان انجام داد. این درس ردپایی قابل اندازه‌گیری در فعالیت مغز بر جای گذاشت و نشان داد که نخستین مراحل یادگیری حرکتی در الگوهای نوسانی مشخص ثبت می‌شوند. ترکیب سازی بدون فلز، آموزگار و سازنده‌ای ماهر، و سامانه پوشیدنی مگنتوانسفالوگرافی، این کشف را ممکن کرد. فراتر از کلاس درس، این پژوهش به راه‌های تازه‌ای برای مطالعه یادگیری و بیماری‌های عصبی در حالت حرکت اشاره دارد.

این آزمایش یادآور آن است که کارهای کوچک، یک حرکت آرشه یا اصلاح جای یک انگشت، می‌توانند شیوه سازمان‌دهی عمل در مغز را تغییر دهند. با ابزارهای عصبی پوشیدنی، دانشمندان اکنون می‌توانند این تغییر را هم‌زمان با وقوع آن دنبال کنند و از الگوهایی که می‌یابند برای آگاهی‌بخشی به درمان، توان‌بخشی و درک بنیادی ما از مغزِ در حال یادگیری بهره ببرند.