Рукописный ввод, а не машинопись, приводит к широкому распространению мозговых связей: исследование ЭЭГ высокой плотности, которое может быть использовано в классе

Поскольку традиционный почерк постепенно заменяется цифровыми устройствами, важно изучить его влияние на человеческий мозг. У 36 студентов университета была зафиксирована электрическая активность мозга, когда они набирали слова от руки, визуально представляя их с помощью цифровой ручки, и печатали их на клавиатуре. Анализ связи проводился на основе данных ЭЭГ, записанных с помощью 256-канальной матрицы датчиков. При письме от руки паттерны мозговых связей были гораздо более сложными, чем при печатании на клавиатуре, о чем свидетельствуют широко распространенные паттерны когерентности тета-/альфа-соединений между сетевыми концентраторами и узлами в теменной и центральной областях мозга. Существующая литература указывает на то, что паттерны взаимодействия в этих областях мозга и на таких частотах имеют решающее значение для формирования памяти и кодирования новой информации и, следовательно, полезны для обучения. Наши результаты показывают, что пространственно-временная структура визуальной и проприоцептивной информации, получаемой с помощью точно контролируемых движений руки при использовании ручки, вносит значительный вклад в формирование связей в мозге, которые способствуют обучению. Мы настоятельно призываем к тому, чтобы дети с раннего возраста занимались рукописным письмом в школе, чтобы сформировать нейронные связи, которые обеспечивают мозгу оптимальные условия для обучения. Несмотря на то, что в школе важно поддерживать практику написания рукописных текстов, также важно идти в ногу с постоянно развивающимися технологическими достижениями. Поэтому и учителя, и учащиеся должны знать, какая практика в каком контексте дает наилучший эффект при обучении, например, при конспектировании лекций или при написании эссе.

Вступление

Цифровые устройства все больше и больше вытесняют традиционный рукописный ввод (Longcamp и др., 2006; Kiefer и др., 2015), и поскольку как письмо, так и чтение в классе становятся все более цифровыми, нам необходимо изучить последствия этой практики (Mangen and Balsvik, 2016; Patterson and Patterson, 2017). В настоящее время маленьким детям часто рекомендуется пользоваться клавиатурой, поскольку это менее требовательно и вызывает разочарование (Каннингем и Станович, 1990; Фейрс и Локман, 2018), позволяя им раньше выражать свои мысли в письменной форме (Хультин и Вестман, 2013). Как бы то ни было, было установлено, что обучение рукописному письму не только повышает точность написания (Каннингем и Станович, 1990) и улучшает память (Лонгкамп и др., 2006; Смокер и др., 2009; Мюллер и Оппенгеймер, 2014), но и способствует распознаванию и пониманию букв (Лонгкамп и др., 2005, 2008; Ли и Джеймс, 2016). Сообщалось о таких преимуществах для обучения независимо от того, пишете ли вы от руки традиционной ручкой или карандашом или цифровой ручкой (Osugi et al., 2019). Кроме того, исследования мозга показывают, что обучению способствует не только любая двигательная активность, но и то, что точная координация сложных движений рук при тщательном формировании каждой буквы при использовании ручки имеет решающее значение (Pei et al., 2021). По-видимому, ручка вызывает различные глубинные неврологические процессы, которые обеспечивают мозгу оптимальные условия для обучения и запоминания (Askvik et al., 2020).

Недавние открытия в области неврологии показывают, что нейронные процессы не так локализованы и статичны, как принято считать, но что мозг организован очень динамичным функциональным образом (Лопес да Силва, 1991; Сингер, 1993). В нормальных условиях несколько систем мозга постоянно работают сообща (Buzsáki, 2006), демонстрируя чрезвычайно гибкую организацию, при которой структурно различная нервная ткань участвует в нейронных цепях, которые лишь временно собираются для выполнения определенной задачи (Edelman and Gally, 2013; Van der Weel et al., 2019).. С такой точки зрения, нейроны могут полностью изменять свою функцию, когда они объединены в различные системы (Anderson, 2014). Буллмор и Спорнс (2009) называют этот тип гибкой организации мозга функциональной связью в отличие от структурной.

Электроэнцефалография хорошо подходит для изучения электрической активности мозга в зависимости от рукописного ввода и машинописи в миллисекундном масштабе. Это позволяет исследовать изменения в состоянии базовых активных сетей (Лопес да Силва, 1991) и может выявить постоянно меняющиеся пространственные паттерны активаций, характерные для любой конкретной задачи (Рудшеллер и др., 1996). В частности, исследования колебаний коры головного мозга, регистрируемых с помощью ЭЭГ высокой плотности, в настоящее время считаются незаменимым аспектом современной системной нейронауки (Fröhlich, 2016).

Колебания мозга можно рассматривать как взаимодействие между корой головного мозга и таламусом, которые генерируются изменениями, связанными с контролем колебаний в нейронных сетях (Рудшеллер и Лопес да Силва, 1999). Считается, что сложные взаимодействия и возникающие в результате этого особые частоты отражают различные когнитивные процессы (Klimesch et al., 1994; Беренс и Хорнер, 2017). Временная организация возбуждения нейронов имеет решающее значение, поскольку предполагается, что она является основополагающей при формировании долговременной памяти в гиппокампе (Беренс и Хорнер, 2017).

Специфичные для частоты изменения в записях ЭЭГ могут наблюдаться как синхронизация, связанная с событиями (ERS), или десинхронизация, связанная с событиями (ERD; Pfurtscheller and Aranibar, 1977; Pfurtscheller and Lopes da Silva, 1999). Спектральный анализ используется для выявления различий в заданном диапазоне частот (Pfurtscheller et al., 1994; Salmelin and Hari, 1994; Klimesch et al., 1996) путем расчета временной динамики колебаний ЭЭГ и количественной оценки связанных с событиями усилений и/или подавления ритмов.

Недавнее ЭЭГ-исследование, проведенное нашей лабораторией, показало, что рисование от руки вызывает большую активность и задействует большие участки мозга, в отличие от набора текста на клавиатуре (Van der Meer и Van der Weel, 2017). Мы пришли к выводу, что использование тонких и замысловатых движений рук при составлении заметок, в отличие от нажатия клавиш на клавиатуре, которые требуют одного и того же простого движения пальцами, может быть более полезным для обучения (Ван дер Меер и Ван дер Веель, 2017). В последующем исследовании наблюдалась связанная с событиями синхронизированная активность в тета-диапазоне как у детей, так и у студентов в теменных и центральных областях мозга, но только при письме от руки (Askvik et al., 2020). Поскольку эти исследования показали, что письмо от руки облегчает обучение, в настоящем исследовании были дополнительно изучены нейробиологические различия, связанные с скорописью и машинописью в мозге молодых людей. В частности, мы исследовали, как различные области мозга взаимодействуют с помощью нейронных сетей при письме от руки, в отличие от набора текста на клавиатуре с использованием частотной модуляции и новейших методов анализа взаимосвязей в мозге (c.f., Solomon et al., 2017).

Методы

Участники

Сорок студентов университета в возрасте от двадцати с небольшим лет приняли участие в исследовании в Лаборатории неврологии развития Норвежского университета науки и технологии (NTNU). Данные ЭЭГ 36 студентов были достаточно хорошего качества и без искажений, чтобы их можно было включить в анализ. Данные, полученные от 12 взрослых участников, уже использовались для анализа в частотно-временной области (Askvik et al., 2020). В настоящем исследовании был проведен анализ взаимосвязей мозга для изучения базовых нейронных сетей, участвующих в выполнении задач рукописного ввода и машинописи. Участники были в основном студентами и были набраны в университетском городке. За участие они получили билет в кинотеатр стоимостью 15 долларов. Чтобы избежать эффекта перекрестного взаимодействия между двумя полушариями, в исследование были включены только правши, как это было определено в Эдинбургском исследовании леворукости (Oldfield, 1971). Разрешение использовать (пальцы) обеих рук вызвало бы множество непредвиденных воздействий на мозг, что затруднило бы интерпретацию результатов. Участники дали свое информированное письменное согласие, и было ясно указано, что они могут отказаться от участия в эксперименте в любое время без последствий. Региональный комитет по медицинской этике (Центральная Норвегия) одобрил исследование.

Экспериментальные стимулы и сбор данных ЭЭГ

Программа E-prime 2.0 была использована для индивидуального отображения 15 различных графических слов в Microsoft Surface Studio. Участники использовали цифровую ручку для рукописного ввода непосредственно на сенсорном экране и клавиатуру для ввода представленных слов.

Эксперимент включал в себя в общей сложности 30 испытаний, в которых каждое слово появлялось в двух различных условиях, представленных в рандомизированном порядке. В ходе каждого испытания участникам было предложено либо (а) написать курсивом правой рукой представленное слово с помощью цифровой ручки непосредственно на экране, либо (б) ввести представленное слово указательным пальцем правой руки на клавиатуре. Перед каждым испытанием команда "написать" или "напечатать" появлялась до того, как появлялось одно из целевых слов, и участникам давалось 25 секунд на то, чтобы либо написать от руки, либо набрать это слово несколько раз, разделяя его пробелом. Данные ЭЭГ записывались только в течение первых 5 секунд каждого испытания. Чтобы предотвратить появление артефактов, связанных с движениями головы и глаз, вызванными переводом взгляда с экрана на клавиатуру, напечатанные слова не появлялись на экране, пока участник печатал на машинке. Записи, подготовленные участниками (например, см. рис. 1), были сохранены для анализа в автономном режиме.

Источник