Чому одним дітям легко дається математика, а іншим — читання? Науковці давно знають, що ці навички залежать від роботи різних ділянок мозку. Однак нове дослідження показало, що між ними може існувати спільний біологічний механізм. Учені виявили зв'язок між успішністю дітей у математиці та читанні, структурою сірої речовини мозку й розподілом рецепторів, які реагують на нейромедіатор глутамат.

Про це повідомляє PsyPost із посиланням на дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications. Команда науковців зі Стенфордського університету проаналізувала дані 991 дитини віком від 7 до 14 років і з'ясувала, що ділянки мозку, структура яких пов'язана з навчальними досягненнями, мають характерний розподіл NMDA-рецепторів.

MIND MIND by СТАН Мозок, свідомість і майбутнє mental health Читати в Telegram ›

Як мозок допомагає дітям навчатися читати й рахувати

Читання та математика належать до складних когнітивних навичок. Щоб прочитати текст, дитина має розпізнати літери, пов'язати їх зі звуками, зрозуміти значення слів і утримати інформацію в пам'яті. Математичні завдання потребують розуміння чисел, логічного мислення, робочої пам'яті та здатності послідовно виконувати дії.

За ці процеси не відповідає одна окрема ділянка мозку. У навчанні беруть участь цілі мережі нервових структур, які обмінюються інформацією та координують свою роботу.

Попередні дослідження вже показували, що об'єм сірої речовини в окремих ділянках мозку може бути пов'язаний із математичними та мовними здібностями. Проте науковці досі намагаються зрозуміти, які біологічні процеси лежать в основі цих зв'язків.

Одним із можливих механізмів є робота нейромедіаторів — хімічних речовин, за допомогою яких нервові клітини передають сигнали одна одній.

Саме тому автори нового дослідження вирішили перевірити, чи пов'язаний розподіл рецепторів нейромедіаторів у мозку зі структурними особливостями, які супроводжують розвиток навичок читання та математики.

Що таке глутамат і чому він важливий для навчання

Глутамат — основний збуджувальний нейромедіатор центральної нервової системи. Він бере участь у передаванні сигналів між нейронами, формуванні пам'яті та процесах навчання.

Особливу роль відіграють NMDA-рецептори — білкові структури на нервових клітинах, які реагують на глутамат і беруть участь у регуляції активності нейронів.

Ці рецептори важливі для нейропластичності — здатності нервової системи змінювати зв'язки між клітинами під впливом досвіду. Завдяки нейропластичності мозок може засвоювати нову інформацію, формувати навички та адаптуватися до навчальних завдань.

Наприклад, коли дитина багаторазово тренується читати, її мозок поступово вдосконалює взаємодію між мережами, що відповідають за зорове розпізнавання символів, мовлення та розуміння змісту.

Водночас NMDA-рецептори — лише один із компонентів складної системи навчання. Їхня робота не визначає самостійно рівень інтелекту чи успішність дитини.

У дослідженні взяли участь 991 дитина

Наукову роботу очолив Юань Чжан зі Стенфордського університету. Дослідники використали дані двох незалежних груп дітей із типовим розвитком віком від 7 до 14 років.

Перша група охоплювала 760 дітей із дослідницької бази Healthy Brain Network Інституту дитячого розуму (Child Mind Institute). Середній вік учасників становив 9,7 року, а 275 із них були дівчатами.

Друга група складалася з 231 дитини, залученої до досліджень Стенфордського університету. Середній вік цих учасників становив 9,2 року, а 98 були дівчатами.

Усі діти проходили стандартизовані тести, які оцінювали чотири навички: виконання арифметичних обчислень, розв'язування математичних задач, читання окремих слів і розуміння прочитаного тексту.

Крім того, науковці аналізували результати магнітно-резонансної томографії мозку. Вони дослідили об'єм сірої речовини у 218 ділянках і визначили, які структурні особливості були пов'язані з кращими результатами навчальних тестів.

Після цього отримані дані порівняли з уже створеним атласом розподілу 19 типів нейромедіаторних рецепторів і транспортерів у мозку.

Такий підхід дозволив перевірити, чи збігаються ділянки мозку, пов'язані з успішністю в навчанні, з ділянками, де поширені певні рецептори.

Які рецептори виявилися пов'язаними з математикою та читанням

Найпослідовніший результат дослідники отримали саме для NMDA-рецепторів.

WELL WELL by СТАН Wellness без міфів: від сну до медичного канабісу Читати в Telegram ›

В обох групах дітей ділянки мозку, де об'єм сірої речовини був тісніше пов'язаний із результатами тестів із математики та читання, частіше відповідали зонам із вищою щільністю NMDA-рецепторів.

Цей зв'язок повторився у двох незалежних вибірках, що підвищує впевненість у тому, що результат не був випадковою особливістю однієї групи.

Водночас сила зв'язку була помірною. Розподіл NMDA-рецепторів пояснював приблизно від 8% до 20% відмінностей у просторових закономірностях між ділянками мозку.

Дослідники також перевірили інші нейромедіаторні системи, зокрема пов'язані з дофаміном, серотоніном, ацетилхоліном і гамма-аміномасляною кислотою (ГАМК).

Для деяких із них зв'язки спостерігалися лише в одній групі дітей або лише для окремих навчальних навичок. Натомість NMDA-рецептори виявилися єдиною системою, для якої закономірність повторилася в обох групах і стосувалася як математики, так і читання.

Чи однаково мозок працює під час читання та розв'язування задач

Хоча дослідники виявили спільний зв'язок із NMDA-рецепторами, просторові закономірності для математики та читання дещо відрізнялися.

У випадку математичних здібностей зв'язок простежувався в кількох великих мозкових мережах. Серед них були мережа пасивного режиму роботи мозку, мережа визначення значущості та ділянки, пов'язані зі складним обробленням зорової інформації.

Ці мережі беруть участь у різних когнітивних процесах, зокрема перемиканні уваги, інтеграції інформації та виконанні складних завдань.

Для читання найбільш послідовний зв'язок виявили в мережі високорівневого зорового оброблення. Вона охоплює ділянки, які допомагають мозку розпізнавати складні зорові образи, зокрема написані слова.

Це узгоджується з тим, що читання значною мірою залежить від швидкого й точного розпізнавання буквосполучень і слів.

Водночас результати математичних тестів і тестів на читання були тісно пов'язані між собою. Додатковий аналіз показав, що зв'язок із NMDA-рецепторами переважно відображав спільні структурні особливості мозку, пов'язані з обома навичками.

Отже, математика й читання можуть спиратися на частково спільні біологічні механізми, хоча використовують різні мозкові мережі.

Чи можна за структурою мозку передбачити успішність дитини

Результати дослідження не означають, що за допомогою МРТ можна визначити, наскільки добре дитина навчатиметься в школі.

Науковці аналізували статистичні закономірності на рівні груп і ділянок мозку, а не створювали індивідуальний тест для прогнозування здібностей.

Крім того, об'єм сірої речовини не є прямим показником інтелекту. На навчальні досягнення впливають численні чинники, зокрема якість викладання, попередній досвід, мотивація, умови навчання та індивідуальні особливості розвитку.

СТАН СТАН У TELEGRAM Що відбувається з вами всередині Читати в Telegram ›

Навіть якщо певні структурні характеристики мозку пов'язані з кращими результатами тестів, це не доводить, що саме вони спричиняють ці результати.

Можливий і зворотний зв'язок: регулярне навчання та набуття нових навичок можуть супроводжуватися змінами в організації мозкових мереж.

Чому результати не означають, що дітям потрібно підвищувати рівень глутамату

Одне з найважливіших обмежень дослідження полягає в тому, що науковці не вимірювали рівень глутамату або кількість NMDA-рецепторів безпосередньо в мозку дітей.

Натомість вони використали раніше створені карти розподілу рецепторів, отримані на основі позитронно-емісійної томографії понад 1200 здорових дорослих людей.

Ці карти порівнювали зі структурними МРТ-зображеннями дитячого мозку. Однак нейромедіаторні системи змінюються протягом розвитку, тому розподіл рецепторів у дорослих не обов'язково точно відображає їхню кількість і розташування в дітей.

Отже, дослідження не довело, що діти з більшою кількістю NMDA-рецепторів краще читають або рахують.

Також воно не дає підстав рекомендувати препарати, добавки чи інші способи впливу на глутаматну систему для покращення навчальних здібностей.

Глутамат відіграє важливу роль у роботі нервової системи, але його надмірна активність може бути шкідливою. Тому втручання в нейромедіаторні процеси без медичних показань не є безпечним способом покращення пам'яті або успішності.

Що відкриття означає для дітей із труднощами навчання

Дослідники припускають, що виявлений зв'язок може допомогти краще зрозуміти біологічні механізми розвитку математичних і читацьких навичок.

У перспективі такі знання можуть бути корисними для вивчення дислексії, дискалькулії та інших специфічних труднощів навчання.

Проте в новій роботі брали участь діти з типовим розвитком. Науковці не досліджували окремо дітей із дислексією, дискалькулією або іншими нейророзвитковими розладами.

Тому поки невідомо, чи спостерігаються аналогічні закономірності в цих групах і чи можна використати отримані результати для діагностики або корекції труднощів навчання.

Крім того, дослідження мало поперечний дизайн: науковці аналізували дані дітей у певний момент часу, а не спостерігали за змінами мозку протягом кількох років.

Щоб з'ясувати, як саме глутаматна система пов'язана з розвитком навчальних навичок, необхідні тривалі дослідження, які відстежуватимуть дітей у процесі дорослішання.

Що насправді допомагає дітям краще навчатися

Нове відкриття розширює розуміння біологічних основ навчання, але не змінює головного: розвиток математичних і читацьких навичок залежить від поєднання роботи мозку, досвіду та освітнього середовища.

Наявність певних нейробіологічних закономірностей не означає, що здібності дитини визначені від народження або не можуть змінюватися.

Навпаки, нейропластичність — один із механізмів, завдяки яким навчання взагалі стає можливим. Регулярна практика, відповідні віку завдання та підтримка вчителів допомагають дітям поступово опановувати складні навички.

Якщо дитина має стійкі труднощі з читанням або математикою, важливо не шукати причину лише в особливостях нейромедіаторів, а оцінити її навчальні потреби та за необхідності звернутися до відповідних фахівців.