każdy, kto nauczył się grać na instrumencie muzycznym, wie, że przekładanie nut na arkuszu na ruchy palców jest początkowo łatwe, ale z czasem staje się bardziej automatyczne. Ta powszechnie ceniona cecha uczenia się motorycznego została opisana w 1967 roku przez Paula Fittsa i Michaela Posnera. W książce zatytułowanej Human Performance znani psychologowie zaproponowali trzy etapy uczenia się umiejętności motorycznych: fazę poznawczą, fazę asocjacyjną i fazę autonomiczną.
w pierwszym etapie ruchy są powolne, niespójne i nieefektywne, a duża część ruchu jest kontrolowana świadomie. W drugim etapie ruchy stają się bardziej płynne, niezawodne i wydajne, a niektóre części ruchu są kontrolowane automatycznie. W trzecim etapie ruchy są dokładne, spójne i wydajne, a ruch jest w dużej mierze kontrolowany automatycznie. Nie było jednak jasne, w jaki sposób poszczególne etapy uczenia się motorycznego oddziałują na systemy neuronowe w mózgu.
w badaniu opublikowanym w tym numerze PLoS Biology, Nicolas Schweighofer z Uniwersytetu Południowej Kalifornii i Hiroshi Imamizu z Uniwersytetu Tokijskiego połączyli modelowanie obliczeniowe z danymi behawioralnego i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI), aby stworzyć mapę pamięci motorycznych o różnych skalach czasowych (ryc. 1). Według autorów, wyniki rzucają nowe światło na klasyczną teorię psychologiczną i mogą być potencjalnie wykorzystane do poprawy strategii rehabilitacji umiejętności motorycznych po uszkodzeniu mózgu.
uczenie się odbywa się w różnych regionach mózgu w różnych skalach czasowych. Cztery panele na rysunku reprezentują stałe czasowe, które charakteryzują szybkość zmian. Źródło obrazu: Hiroshi Imamizu.
w nowym badaniu 21 zdrowych ochotników wykonywało zadania adaptacji wzrokowo-ruchowej, podczas gdy ich aktywność mózgu była mierzona za pomocą fMRI. Na początku każdej próby biały krzyżyk (kursor) pojawił się na środku ekranu, a testerzy manipulowali joystickiem, aby przesunąć kursor do czerwonego lub niebieskiego kółka, które pojawiło się u góry ekranu. Ale było niedopasowanie wzrokowo-motoryczne: kursor był obracany o 40 stopni w stosunku do rzeczywistego kierunku ruchu. Z biegiem czasu badani nauczyli się dostosowywać do tego obrotu, dostosowując ruch joysticka w przeciwnym kierunku.
dane behawioralne ujawniły wiele etapów uczenia motorycznego, z szybką adaptacją występującą w blokach dziewięciu badań i powolną adaptacją występującą w blokach. Następnie naukowcy opracowali model, aby określić, które systemy neuronowe były zaangażowane w różne etapy uczenia się motorycznego. Odkryli, że szybkie uczenie się odbywające się w ciągu pięciu sekund było związane z aktywnością w obszarach czołowych i ciemieniowych mózgu. Natomiast pośrednie uczenie się od dwóch minut do około półtora godziny wiązało się z aktywnością w przednim obszarze dolnego płata ciemieniowego. Najwolniejszy etap uczenia się, który rozwijał się w ciągu godzin, był związany z aktywnością przednich do przyśrodkowych części móżdżku—regionu mózgu, który odgrywa ważną rolę w kontroli motorycznej.
wyniki te są zgodne z wcześniejszymi badaniami pokazującymi, że obszary czołowe są zaangażowane we wczesne etapy uczenia się uwagi, pobudzenia, wizualnej analizy ruchu, przestrzennej pamięci roboczej, pamięci ruchów dłoni i planowania ruchu. Podobnie, obszary ciemieniowe są znane odgrywać rolę we wczesnych etapach uczenia się psychicznego i wzrokowo-ruchowego rotacji. Zebrane razem wyniki sugerują, że początkowe fazy poznawcze i asocjacyjne uczenia motorycznego rekrutują obszary czołowe i ciemieniowe mózgu, podczas gdy późny etap autonomicznego uczenia się zależy od przednio-przyśrodkowego móżdżku. Tak więc, łącząc wiele uzupełniających się technik, naukowcy dostarczyli głębszych wglądów w klasyczną i wpływową teorię psychologiczną zaproponowaną kilkadziesiąt lat temu.