Zegary mózgu - Projekt INMET

T E C H N I K A
–
M E D Y C Y N A
Odpowiedni trening umysłu może spowolnić proces starzenia. Magazyn „Restorative Neurology and Neuroscience” opublikował wyniki badań polskich naukowców. Po raz pierwszy na świecie udowodniono, że gry komputerowe usprawniające
czasowe opracowanie informacji poprawiają funkcjonowanie umysłowe osób starszych. Efekty treningu utrzymują się co
najmniej przez 18 miesięcy.
Zegary mózgu
Z prof. dr hab. Elżbietą SZELĄG, kierownikiem Pracowni Neuropsychologii w Instytucie Biologii Doświadczalnej
im. M. Nenckiego PAN i Katedry Neurorehabilitacji Szkoły Wyższej Psychologii Społecznej, rozmawia Irena Fober.
■ Czy ucinając sobie partyjkę z komputerem, możemy
usprawnić nasz umysł?
Powiązania” mowaruch” mają swoje
uzasadnienie w bliskości
neuroanatomicznej
reprezentacji ruchowoczuciowej ręki i aparatu
artykulacyjnego. Wiele
dowodów wskazuje,
że obie te funkcje są
osadzone na wspólnym
programie neuronalnym.
■ Tak, jeżeli będą to gry, które
optymalizują działanie neuronalnej matrycy czasowej.
■ Jakie znaczenie dla mózgu ma czas?
■ Pamięć, uwaga, komunikacja
językowa, podejmowanie decyzji, aktywność ruchowa, ewaluacja emocjonalna, wszystkie te
funkcje mają swoją specyficzną dynamikę czasową. Rzadko
zdajemy sobie sprawę, że mową
rządzą określone reguły czasowe - spółgłoski zwarte: t, d, k, g
w każdym języku trwają maksymalnie ok. 40 ms. Proszę spróbować przedłużyć głoskę t...
10
Zdjęcie: Archiwum
Indianie z Wenezueli, Papuasi z Nowej Gwinei albo
afrykańscy buszmeni operując
narzędziami po 3 s aktywności
robią przerwę. Różne kulturowo nabyte gesty naturalne, podrapywanie się, potakiwanie,
zaprzeczanie, machanie ręką
Prof. Elżbieta Szeląg jest inicjatorką i wiceprzewodniczącą międzyna pożegnanie też trwają ok.2narodowego programu TIMELY COST (6. Program Ramowy), który
3 s. Myślę, że niezręcznie by
tworzy sieć prawie 200 naukowców z kilkunastu krajów zajmująsię pani poczuła, gdybym pocych się badaniami zegarów mózgu, czyli czasowego przetwarzadając rękę na powitanie, przenia informacji.
trzymała pani dłoń. Zazwyczaj
■ tyyy..., ale to już nie jest
odbieramy to awersyjnie, gdyż
„t”, lecz „y”.
■ Cóż, tak nas wyposażyła ewolucja, że wymawiania pewnych jesteśmy przyzwyczajeni do czegoś innego. Pani mózg działa
spółgłosek nie można przedłużać. Kolejny przedział czasowy – ok. w standardzie 3-sekundowego okna, a ja przedłużając uścisk, wy200 ms – dotyczy sylab, następne piętro jest związane z płynną chodzę z ram tej naturalnej matrycy czasowej.
wypowiedzią. Po ciągu wyrazów, który trwa ok. 3 s, muszę zrobić
przerwę. Dla mnie jest to przerwa logiczna, potrzebna, żeby za- ■ Czy mózgi naszych najbliższych krewniaków też działastanowić się, co dalej powiedzieć, a pani ma wtedy szansę, aby ją w ten sposób?
przetworzyć to, co powiedziałam.
Te ciągi wyrazów nazywają się frazami (w piśmie są to zdania, ■ Badania etologiczne przeprowadzone przez niemieckich napo których stawiamy kropkę lub przecinek). Mierzyliśmy długość ukowców na szympansach i pawianach wykazały, że ich aktywfrazy u ludzi władających różnym językiem ojczystym. I niezależ- ność ruchowa, np. gdy poklepują się albo sięgają kijem po bananie, czy mówili po polsku, angielsku czy rosyjsku, wszędzie wystę- na, jest podobnie segmentowana. Im małpa stoi niżej w rozwoju,
powała segmentacja: tok mówienia – pauza. Takie 3-sekundowe tym segment ruchowy trwa krócej.
okna występują również u ludzi mówiących po chińsku, który jest
Wynika z tego, że matryca neuronalna jest nam przekazana
językiem tonalnym, a nie fonetycznym. Zmierzyliśmy też, jak długo ewolucyjnie. Jeżeli przyjmiemy, że na tej matrycy zasadza się kotrwa fraza w przypadku zaburzonej płynności wypowiedzi, czyli u munikacja językowa, może to oznaczać, iż małpy człekokształtne
osób jąkających się. I co się okazało? Jest ona prawie dwa razy dłuż- mają neuronalne zręby do nauki języka migowego, aczkolwiek
sza, trwa nawet 5-7 s. Dlatego tak niechętnie słuchamy jąkających możliwości nabycia tej umiejętności są bardzo kontrowersyjne.
się ludzi. Nie wynika to z naszego złego wychowania, lekceważenia
czy złej woli, lecz jest efektem innego działania mechanizmów mó- ■ A ludzie posługujący się językiem migowym?
zgowych kontrolujących mowę. Mózg słuchacza jest już przygotowany na następną treść, a osoba jąkająca się spóźnia.
■ Niesłyszące dziecko, które ma głuchych rodziców, przechoCiekawe, że 3-sekundowe okno dotyczy nie tylko mowy, ale dzi te same etapy rozwoju mowy, co dziecko słyszące. Najpierw
również innych aspektów funkcjonowania człowieka. Jest wiele do- jest to okres gaworzenia manualnego, potem tworzenia wyrazów
wodów, które pokazują, że mowa i ruch są funkcjami ściśle powią- w języku migowym, później zdań, w których jest zachowana segzanymi. Rysowanie szlaczków inspiruje rozwój językowy dzieci, zaś mentacja czasowa podobna do istniejącej w języku oralnym. Czyli
u pacjentów po udarze stosuje się ćwiczenia ruchowe ręki.
język migowy i oralny bazują na tym samym podłożu neuronalPRZEGLĄD TECHNICZNY 26/2012
T E C H N I K A
–
nym, jedynie wyjście z systemu jest inne – albo przez aparat artykulacyjny, albo przez ruchy ręki.
Mamy dowody, że podobna segmentacja czasowa występuje
w przypadku każdej funkcji poznawczej. Na tej samej matrycy
neuronalnej jest osadzony język, pamięć, uwaga, ocena emocjonalna, wykonywanie ruchu, planowanie i podejmowanie decyzji.
■ Co się dzieje, gdy ta matryca czasowa ulegnie rozregulowaniu?
■ Wówczas pojawiają się zaburzenia funkcji poznawczych. Około 30% dzieci nie rozwija w sposób naturalny komunikacji językowej. Wśród nich jest grupa dzieci, których rozwój motoryczny
i intelektualny jest prawidłowy, a zaburzona jest jedynie domena
językowa. Pod wpływem ćwiczeń logopedycznych albo stymulacji
środowiskowej w większości przypadków mowa w końcu zaczyna
doganiać wiek biologiczny.
Pozostaje jednak spory odsetek dzieci, u których mimo intensywnej rehabilitacji rozwój języka ciągle szwankuje. Los tych
dzieci jest bardzo ciężki, ponieważ wiele z nich nigdy nie opanuje
w pełni komunikacji językowej. Gdy 3-latek mówi tylko kilka wyrazów, pediatrzy najczęściej zalecają czekanie, ale czekanie nie
ma sensu, gdyż mijają okresy krytyczne dla rozwoju mowy, które wiążą się z aktywnym rozwojem sieci neuronalnej. Nie da się
opanować mowy w wieku kilkunastu lat. U podłoża takich problemów nie leży uszkodzenie mózgu, ale deficyt występuje w sferze
funkcjonalnej, gdyż sieć neuronalna nieprawidłowo przewodzi
informacje. Dzieci z wadliwym działaniem matryc czasowych nie
stosują pełnych form gramatycznych, mają ubogie słownictwo, nie
rozumieją wszystkiego, co przy często wysokim ilorazie inteligencji daje poczucie ograniczenia.
Podobny problem występuje u dorosłych, którzy przeszli udar
mózgu. W jego wyniku ok.60% pacjentów traci w różnym stopniu
kompetencję językową. Jedni nie rozumieją, co się do nich mówi,
inni mają problemy z płynnym wypowiadaniem się, ograniczając
frazę do jednego wyrazu. Pojawiają się kłopoty z aktualizacją słowa – taka osoba patrząc np. na filiżankę, mówi „to coś z białym
uchem”. W wielu przypadkach problemy wynikają ze zniszczenia
neuronalnej sieci przedjęzykowej.
■ Czy matryce czasowe również się starzeją?
■ Spektakularnym przejawem zdrowego starzenia się jest spowolnienie. Ma ono wpływ na działanie mechanizmów, które
obsługują „zegary mózgowe”, czyli różne poziomy czasowego
opracowywania informacji. Starszy człowiek porusza się wolniej
i mówi wolniej, wolniej przetwarza informacje, dlatego do starszych ludzi należy mówić wolniej. U osób w podeszłym wieku
(normy światowe określają próg starości powyżej 65. roku życia)
głównym problemem jest słabsza pamięć, koncentracja uwagi,
gorsze przetwarzanie informacji.
■ Czy można temu zaradzić?
■ Do tej pory zalecano ćwiczenia wybiórczo ukierunkowane na
usprawnienie poszczególnych funkcji poznawczych. My postanowiliśmy dobrać się do leżących u ich podstaw mechanizmów
i spróbować zoptymalizować działanie matrycy czasowej.
Skoro bowiem działanie umysłu zasadza się w oknach czasowych, zaś w różnych deficytach te okna są zaburzone, odwracamy kota ogonem: usprawniamy okna i patrzymy, czy poprawi
się funkcjonowanie umysłowe. I to właśnie udokumentowaliśmy
w naszych badaniach – nastąpił transfer poprawy na funkcje,
których bezpośrednio wcale nie trenowaliśmy – pamięć, uwagę,
zdolność uczenia się.
M E D Y C Y N A
Dostrajanie zegarów
Netiology Sp. z o.o., która zajmuje się świadczeniem usług
związanych z obsługą IT, projektowaniem oraz opieką merytoryczną nad multimediami o tematyce zdrowotnej, jest biznesowym partnerem w projekcie INMET („Innowacyjny program
wspierający terapię mowy oraz terapię innych zaburzeń funkcjonowania poznawczego”). Ma za zadanie zamienić opracowane
przez zespół prof. Szeląg eksperymentalne wersje diagnostycznych i terapeutycznych algorytmów na atrakcyjne gry komputerowe. Powstają dwa produkty – dla dzieci z opóźnieniem rozwoju
mowy oraz dla osób starszych, wykazujących związane z wiekiem
deficyty funkcjonowania umysłowego.
Zestaw gier dla małych pacjentów pozwoli im trenować
w formie zabawy w „domowej klinice rehabilitacji”. Aplikacja
będzie przyjazna dla dzieci, które z powodu swoich deficytów
mają utrudniony kontakt z otoczeniem. Dla takiego kilkulatka zrozumienie, w jaki sposób przełożyć ruch myszki na to, co dzieje
się na ekranie komputera, może być zbyt trudne. Zamiast klikać
myszką, o wiele łatwiej dotknąć przycisk na ekranie. Dlatego program powinien działać nie tylko na komputerach stacjonarnych
i laptopach, ale również na nowoczesnej generacji tabletach.
Na przykład jedna z gier przypomina popularną grę memo,
odmianą jej będzie memo dźwiękowe – dzieci będą odwracały
na ekranie elementy graficzne, pod którymi kryją się nie obrazki,
ale dźwięki. Ponieważ jednym z najważniejszych odkryć, na którym bazuje oprogramowanie, jest obserwacja, iż dla rozumienia
języka kluczowe jest przetwarzanie pewnych głosek w określonych oknach czasowych, część treningu będzie polegała na uczeniu odbiorców poprawnego rozpoznawania głosek. Ułatwieniem
będzie sztucznie spowolniona mowa.
Nie wszystkie problemy z komunikacją językową wynikają
z rozregulowania matryc czasowych, stąd też zanim pacjent zasiądzie do gry, powinien rozwiązać zestaw przesiewowych zadań
diagnostycznych. Takie proste narzędzie najprawdopodobniej
pojawi się również w internecie, będzie dostępne dla wszystkich
i bezpłatne. Dzięki temu rodzice, zanim zdecydują się na zakup
programu, będą mogli przekonać się, czy produkt pomoże ich
dziecku. Diagnostyka będzie również dostępna w wersji dla dorosłych.
Zarówno w przypadku dzieci, jak i osób starszych, neuronalne
mechanizmy leżące u podstaw proponowanej terapii są identyczne. Jednak typ zadań, odpowiedni dla 5-7-latka, może być nieadekwatny dla 65-letniej osoby, dlatego wersje programu różnić się
będą przede wszystkim warstwą wizualną.
Do kwietnia 2013 r. planowane jest zakończenie fazy implementacji projektu, do tego czasu powstaną wszystkie narzędzia
informatyczne w wersji prototypów. Następnie przez kilka miesięcy trwać będzie próbna faza pilotażowa. Wdrożenie przetestowanych przez pierwszych odbiorców gier zakończy się w 2015 r.
– Nasz projekt wpisuje się w trend określany angielskim terminem „gamification”. Jest to coraz intensywniej rozwijające się
na świecie zjawisko, polegające na wykorzystaniu mechaniki gier
do angażowania osób w procesy, które mają inne merytoryczne
znaczenie niż tylko zabawa – mówi dr Grzegorz Król, koordynator
projektu w spółce Netiology.
W języku polskim mówi się o grywalizacji bądź gryfikacji.
Miejmy nadzieję, że rywalizacja z komputerem doprowadzi graczy do prawdziwej gratyfikacji w postaci przyspieszenia opóźnionych zegarów w ich mózgach.
fi
Projekt INMET uzyskał dofinansowanie w ramach programu INNOTECH Narodowego Centrum Badań i Rozwoju
w ścieżce In-Tech.
PRZEGLĄD TECHNICZNY 26/2012
11
T E C H N I K A
–
■ Jak naprawia się matryce czasowe?
■ Służą do tego odpowiednio skonstruowane gry komputerowe. W naszych badaniach korzystaliśmy z programu Fast
ForWord, opracowanego w amerykańskiej firmie Scientific
Learning. Nie jest to jednak program przystosowany dla Polaków, dlatego wybraliśmy z niego tylko niektóre, niewerbalne
zadania. Na przykład przez słuchawki są prezentowane bardzo
szybko następujące po sobie bodźce dźwiękowe. To, co pani
usłyszy, zależy od przerwy, która je oddziela – jeśli jest bardzo
krótka, zlewają się w jeden dźwięk. Gdy okienko jest większe
niż 5 ms, słyszy pani dwa dźwięki, ale nie ma pewności, który
z nich był pierwszy, a który drugi. Zdrowe, młode osoby potrzebują ok. 40-70 ms przerwy do zidentyfikowania sekwencji
dźwięków. Mózg ludzi po 60. roku życia wymaga tu znacznie
dłuższego okna czasowego.
W przypadku niemal wszystkich narządów zmysłów okienko
pozwalające na rozróżnienie kolejności, czyli porządku w czasie
dwóch bodźców, wynosi kilkadziesiąt milisekund. Okna czasowe
wyraźnie przekładają się na uczenie, które polega na tworzeniu
się asocjacji pomiędzy dwoma sytuacjami – np. miejsca z bodźcem. Gdy na ekranie pojawiają się różne bodźce, trzeba zapamiętać, w którym miejscu znalazł się określony element.
■ Skąd wiadomo, że tak proste ćwiczenia rzeczywiście
poprawiają pamięć?
■ Nie wystarczy, kiedy wnuczek powie, że chyba się babci poprawiło. Potrzebny jest warsztat diagnostyczny do oceny matryc
M E D Y C Y N A
czasowych. Opracowaliśmy pakiet kilkudziesięciu procedur,
zweryfikowanych w badaniach międzynarodowych, głównie we
współpracy z prof. Ernstem Pöppelem z Monachium, klasykiem
badań nad czasem, oraz naukowcami z uniwersytetu w Pekinie.
Mamy więc perfekcyjną baterię diagnostyczną, dzięki której możemy m.in. określić, jakie matryce czasowe uległy zaburzeniu, a
potem przeprowadzić numeryczną ocenę różnych rodzajów pamięci oraz kilkunastu aspektów uwagi.
Efekt ćwiczeń jest bardzo stabilny, badania wykazały, że u
osób w podeszłym wieku poprawa funkcji poznawczych
utrzymuje się nawet po 18 miesiącach od zakończenia
treningu składającego się z 32 sesji.
Amerykański program wykazał skuteczność, jednak niewątpliwie byłaby ona większa, gdyby był to program przygotowany
dla Polaków. Dlatego opatentowaliśmy swoją metodę trenowania
w oknach czasowych, opracowaliśmy własne algorytmy. Nasze
eksperymentalne testy bardzo dobrze sprawdzają się w pracy
badawczej, ale jeśli chcemy, żeby trafiły do poradni, muszą być
atrakcyjne i urozmaicone.
Świetną okazją do zrobienia produktu rynkowego, który
wykorzystuje ponad 20 lat pracy mojej i całego zespołu, są
granty aplikacyjne, aczkolwiek muszę przyznać, że naukowcowi nie jest łatwo znaleźć partnera z przemysłu. Naukowiec
wie, jak działają mechanizmy czasowe, ale jak działa rynek
– wiedzę ma zerową. Cel projektu jest ambitny, mamy pół roku
na zrobienie prototypu programu dla Polaków. Powstaną dwie
wersje, dla dzieci, u których zaburzenia mowy i języka wynikają z wadliwego działania matryc czasowych, oraz dla seniorów
65+. Produkt nie będzie drogi, ponieważ nie jest naszym celem stworzenie elitarnego programu dostępnego tylko w kilku
poradniach.
■ Czy ćwiczenie matrycy czasowej może też spowolnić
przebieg choroby Alzheimera?
■ Nie wiadomo jeszcze, czy u podstaw choroby Alzheimera
tkwią zaburzenia sieci neuronalnej i przekazywania informacji.
Nie odważę się powiedzieć, że w przypadku głębokich deficytów
o podłożu strukturalnym, jak odkładanie się płytek beta-amyloidu
czy atrofie korowe mózgu, tego rodzaju ćwiczenia mogą dać nadzieję, chociaż nie można wykluczyć, że w jakimś stopniu mogą
złagodzić objawy choroby.
Poza tym nie zapominajmy, że choroba Alzheimera w fazie
przedklinicznej, kiedy jeszcze nie potrafimy jej zdiagnozować,
rozwija się ok.12 lat. Pacjent zgłasza się z problemami z pamięcią,
ale nie wiadomo, czy jest to po prostu zapominalstwo, łagodne
zaburzenia poznawcze czy też zaburzenia poznawcze, które rozwiną się w kierunku demencji. Na tym etapie program mógłby
być użyteczny, trzeba tylko uczciwie przyznać, że w tym przypadku efekt ćwiczeń nie jest potwierdzony badaniami.
■ A czy można podkręcić zdolności umysłowe zdrowych
ludzi w średnim wieku?
Zdjęcie: Archiwum
■ Przeprowadziliśmy badania na studentach i muszę przyznać,
że ich wyniki mnie zaskoczyły. Młode, sprawne umysłowo osoby,
trenując matrycę czasową, poprawiły swoje funkcje poznawcze.
Były to bardzo dokładne badania, z wykorzystaniem metod neuroobrazowych – EEG i funkcjonalnego rezonansu magnetycznego.
Okazało się, że po terapii zmieniła się również aktywność sieci
neuronalnej. Oznacza to, że osiągnięta poprawa funkcji poznawczych ma podstawy neuroanatomiczne.
■ Dziękuję za rozmowę.
12
PRZEGLĄD TECHNICZNY 26/2012