Когнитивная нейробиология процессов научения и восприятия языка: 2019 г. этап 3

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

Лаборатория Поведенческой Нейродинамики проводит исследования в области Когнитивной нейробиологии процессов научения и восприятия языка. Проект направлен на реализацию масштабной исследовательской программы по изучению нейрокогнитивных основ языка и научения.

Наши цели – расширение существующих на данный момент в этой области представлений и прояснение природы нейропластических изменений, практически мгновенно возникающих в ответ на предъявление новых речевых стимулов в процессе их освоения детьми и взрослыми.

Онтогенетические аспекты усвоения новых слов будут изучаться на детях, чей возраст не выходит за пределы критического для овладения языком периода.

Помимо установления механизмов вербального научения, одной из основных целей является уточнение мозговых основ хранения и обработки вербальной информации как таковой – посредством оценки работы задействованных в этом процессе структур, временной динамики их активации и взаимодействия между различными участками мозга, а также функциональных и анатомических связей между ними, – с выходом на установление потенциальных причинно-следственных связей.

описание для неспециалистов

Текущие исследования новой лаборатории преимущественно направлены на выяснение механизмов языкового научения. Способность человека к быстрому освоению новых слов, критическая с точки зрения языковой коммуникации, хорошо известна благодаря данным поведенческих экспериментов и наблюдений. В то же время, нейрональные основы этого жизненно важного навыка (известного также как 'fast mapping') до сих пор неизвестны. Проведенные ранее нейрофизиологические исследования показали, что новые мнемические следы могут формироваться в коре головного мозга почти мгновенно, в течение всего нескольких минут после предъявления нового слова (Shtyrov et al., 2010; Shtyrov, 2012). Такая способность к быстрому научению является специфичной для звуков родного языка и зависит от индивидуальных особенностей языкового опыта человека. Наши работы существенно расширяют это предметное поле и включают в себя несколько направлений исследований:
- перцептивное научение новым словоформам: согласно нашим предположениям, перисильвиева область коры, и особенно ее верхне-височная часть, играет решающую роль в формировании нейронных контуров, отвечающих за усвоение лексической информации. Эта гипотезу мы проверяем в различных нейрофизиологических экспериментах;
- определение специфических паттернов освоения бессмысленных словоформ и осмысленных слов, а также паттернов овладения различными типами значений – в частности, абстрактными и конкретными;
- сенсомоторное научение в процессе артикуляции. Согласно нашим теоретическим представлениям, построение связанных друг с другом мнемических контуров должно задействовать моторные и слуховые перцептивные области;
- обнаружение различных нейрональных путей, обеспечивающих разные типы освоения новых слов, – в первую очередь, имплицитное научение, основанное на использовании контекстной информации, и эксплицитное научение, осуществляемое с помощью прямых инструкций;
- сравнение особенностей нейродинамики, сопутствующей освоению новых слов, у взрослых носителей языка и у детей, что необходимо для уточнения существующих представлений о механизмах созревания мозговых систем, отвечающих за освоение языка.
Для достижения всех перечисленных целей мы сочетаем использование психолингвистических поведенческих экспериментов и средств нейровизуализации. Особое внимание при этом уделяется тончайшей балансировке всех параметров стимулов и строгому контролю над поведенческими параметрами научения, а также точным временным расчетам в отношении наблюдаемых нейрофизиологических эффектов. Мы используем ЭЭГ высокой плотности и нейростимуляционные методы (ТЭС) для того, чтобы одновременно зафиксировать нейродинамические процессы, связанные с процессами освоения языка, и установить причинно-следственные связи между мозговыми структурами и специфическими функциональными изменениями, сопровождающими языковое научение.

основные результаты по проекту в целом

Данный проект был направлен на решение двух основных задач: 1) реализацию исследовательской программы по изучению нейрокогнитивных механизмов усвоения новых слов; 2) создание в СПбГУ новой лаборатории, оснащение которой позволило бы обеспечить проведение широкого спектра нейро- и поведенческих исследований.
Основные результаты:
- разработаны кросс-дисциплинарные экспериментальные парадигмы для поведенческого и нейрофизиологического изучения механизмов, ответственных за освоение новых слов и формирование кортикальных репрезентаций нового языкового материала;
- проведены электрофизиологические эксперименты, показавшие существование двух равно эффективных на поведенческом, но различающихся на нейробиологическом уровне типов усвоения языковой информации – имплицитного и эксплицитного, а также описаны различия в подлежащих им мозговых механизмах;
- проведены экспериментальные работы по изучению нейрофизиологических процессов, лежащих в основе усвоения абстрактной и конкретной речевой информации;
- описаны особенности мозговых механизмов, отвечающих за моментальное речевое научение у детей дошкольного возраста;
- разработаны методы малоинвазивного стимуляционного воздействия на мозг для модификации (ускорения или замедления) процессов усвоения языкового материала;
- ведется дальнейшая проработка методов оптимизации процессов научения при помощи малоинвазивной нейростимуляции.
Научным коллективом Лаборатории с января 2017 до декабрь 2019 года были подготовлены и опубликованы 15 статей ведущего ученого и других членов научного коллектива по направлению научного исследования в научных изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science) (2017 год – 3 статьи; 2018 год – 5 статей; 2019 год – 7 статей). Кроме того, ряд статей на настоящий момент находится на стадии подготовки или рецензирования. Подготовлена и прошла государственную регистрацию 1 заявка на регистрацию интеллектуальной собственности, авторами которого являются ведущий ученый и ряд других членов научного коллектива.
В процессе работы надо проектом в СПбГУ создана новая лаборатория, оснащение которой обеспечивает проведение широкого спектра нейро- и поведенческих исследований.
Отдельным достижением коллектива лаборатории является продолжающаяся работа над специальным тематическим выпуском международного рецензируемого научного журнала Frontiers in Human Neuroscience Brain -Behavior Interfaces in Linguistic Communication, что создаeт платформу для представления научных результатов лаборатории в мировом научном пространстве и укрепления ее положительной репутации. Двое членов научного коллектива лаборатории (Ю.Ю. Штыров и О.В. Щербакова) входят в состав редакционной коллегии спецвыпуска, что отражает достигнутое международное признание.
В настоящее время можно утверждать, что все поставленные цели и задачи были успешно выполнены в течение 2017-2019 гг..

основные результаты по этапу (подробно)

По результатам подготовительных работ:От Этического комитета СПбГУ получены уведомления об одобрении форм информированного согласия и процедуры проведения исследования на людях (протокол № 90 от 20.02.2019): «Информированное согласие на проведение исследования, заключающегося в восприятии предъявляемых с помощью персонального компьютера изображений и звуковых сигналов для усвоения новых понятий; электроэнцефалографическое обследование, МРТ или микрополяризационное воздействие».Закуплено следующее оборудование: 1) Айтрекер GazePoint3 60Гц с программным обеспечением Нейробюро; 2)Электроэнцефалограф “Нейровизор-36Т” для научных исследований в составе: 36-ти канальный усилитель “NVX36T”, програмное обеспечение, стойка для Усилителя, электроды MCScap-CS22 Ag/AgCl 33 шт., электроды MCScap-CS22SS нержавеющая сталь 33 шт., текстильный шлем - 3 шт., ленточный фиксатор 3 шт.; 3). Комплекс для навигационной транскраниальной магнитной стимуляции, в комплект которого включен магнитный стимулятор MagPro Compact с принадлежностями (кабель внешней синхронизации, индуктор 8-образный с регулятором интенсивности, тележка, кресло); 4). Навигационная система для исследования мозга человека в магнитном поле Localite TMS Navigator, в составе которого основной модуль контроля ориентирования Vicra; стойка для модуля Vicra; программное обеспечение Basic; программное обеспечение MRLess; компьютер в комплекте c клавиатурой и мышкой; монитор 24 дюйма; ТМС интерфейсный модуль; ножной переключатель; навигационные сферы (25 шт.); навигационная указка для регистрации; калибровочная пластина; трекер для головы, клеящийся; клеящиеся подушечки (250 шт.); универсальный трекер с держателем для магнитного индуктора; программное обеспечение MR-Based. 5) батарея психологических методов исследования когнитивной сферы личности. А также для обновления лаборатории комплектующими и расходными материалами были закуплены: адаптер LiveAmp / actiCAP, включая электроды Ref and GND, набор actiPOWER, электродный гель, запасные электроды и разъемы, ЭЭГ-шлемы, дезинфицирующие жидкости для обработки электродов и шапочек, шприцы для введения геля, оборудование для очистки электродов, гигиенические принадлежности для психофизиологических экспериментов.Седьмой этап проведения экспериментальной части работ, направленный на изучение процесса освоения артикулярных паттернов новых словоформ у взрослых:- Разработаны поведенческие методики изучения процесса овладения новыми артикулярными паттернами. А также адаптированы раннее разработанные протоколы, парадигмы и параметры исследования процессов научения у взрослых от перцептивного и семантического уровней к артикуляторным парадигмам.- Собраны и проанализированы результаты процесса освоения артикулярных паттернов новых словоформ с помощью ЭЭГ у взрослых испытуемых.- Собраны и проанализированы результаты процесса освоения артикулярных паттернов новых словоформ с помощью методик микрополяризации у взрослых испытуемых.- Проведен сравнительный анализ вклада артикуляторного, перцептивного и семантического наученияВосьмой этап проведения экспериментальной части работ, направленный на изучение процесса овладения артикулярными паттернами новых словоформ у детей:- Адаптированы с раннее разработанными протоколами, парадигмами и параметрами исследования процессов артикуляторного научения у взрослых и перцептивного и семантического уровней научения у детей к артикуляторным парадигмам в применении к несовершеннолетним испытуемым.- Собраны материалы и проанализированы результаты процесса освоения артикулярных паттернов новых словоформ у детей с помощью ЭЭГ. А также описана сравнительная динамика мозговых процессов артикуляторного научении у детей и взрослых.Копии статей, опубликованных в научных изданиях, индексируемых в базе данных Web of Science.1. Shtyrov Y.Y. Shcherbakova O.V., Kirsanov A.S. Explicitly Slow, Implicitly Fast, or the Other Way Around? Brain Mechanisms for Word Acquisition // Frontiers in human neuroscience. 2019. Vol. 13(116). DOI: 10.3389/fnhum.2019.001162.Kimppa L., Shtyrov Y., Hut S.C.A., Hedlund L., Leminen M., Leminen A. Acquisition of L2 morphology by adult language learners// CORTEX. 2019.Vol. 116.DOI: 10.1016/j.cortex.2019.01.0123.Blagovechtchenski E., Gnedykh D., Kurmakaeva D., Mkrtychian N., Kostromina S., Shtyrov Y. Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) of Wernicke's and Broca's Areas in Studies of Language Learning and Word Acquisition // Journal of visualized experiments. 2019, ISSUE 149.DOI: 10.3791/591594.Mkrtychian N., Blagovechtchenski E., Kurmakaeva D., Gnedykh D., Kostromina S. and Shtyrov Y. Concrete vs. abstract semantics: From mental representations to functional brain mapping // Frontiers in human neuroscience. 2019, Vol.13(267).DOI: 10.3389/fnhum.2019.002675.Vasilyeva M.J., Knyazeva V.M., Aleksandrov A.A., Shtyrov Y.Y. Neurophysiological correlates of fast mapping of novel words in the adult brain // Frontiers in human neuroscience. 2019, Vol.13(304).DOI: 10.3389/fnhum.2019.003046.Vukovic N., Shtyrov Y., Learning with the wave of the hand: Kinematic and TMS evidence of primary motor cortex role in category-specific encoding of word meaning // Neuroimage. 2019, Vol.202(UNSP 116179). DOI: 10.1016/j.neuroimage.2019.1161797. Hyder, R., Højlund, A., Jensen, M. & Østergaard, K., Shtyrov Y. Objective assessment of automatic language comprehension mechanisms in the brain: Novel E/MEG paradigm // Psychophysiology. 20198. Kostromina S., Gnedykh D. Problems and prospects of complex psychological phenomena measurement// Journal of Physics: Conference Series. 2019, № 1379. 012073.Перечень мероприятий. Документы, подтверждающие участие в конференциях.1. XV Международная конференция "Architectures and Mechanisms of Language Processing (AMLaP) 2019, Москва, Россия. 2. Конференция “Наука будущего”, Сочи, Россия.3. XVI Европейский психологический конгресс (ЕСР2019), Москва, Россия.4. Третья международная конференция MEG Nord 2019, Йювяскуля, Финляндия.5. 21-ая конференция Европейского общества когнитивной психологии, Тенерифе, Испания.6. Первая летняя школа Междисциплинарных исследований динамики мозговых сетей, Терцолас, Италия.7. 11-ая конференция Сообщества нейробиологии языка и речи (Neurobiology of Language Conference), Хельсинки, Финляндия.8. Отчетная научная конференция факультета психологии - итоги 2018 года, Санкт-Петербург, Россия.9. Центральные механизмы речи, посвященная памяти проф. Н.Н. Трауготт ,Санкт-Петербург, Россия.10. Парадоксы сознания — 2019: теоретические проблемы категоризации, Санкт-Петербург, Россия.11. Большие вызовы для общества,государства и науки, Сочи, Россия.12. Ананьевские чтения — 2019. Психология обществу, государству, политике, Санкт-Петербург, Россия. 13. Конференция Psy-Вышка: “Актуальные проблемы психологической науки”, Москва, Россия.14.Конференция молодых ученых "Психология - наука будущего", Москва, Россия Документы, подтверждающие прохождение обучения, переподготовки или повышения квалификации. Научный коллектив принял участие в следующих повышениях квалификации:1) "Направления и подходы в психолингвистике" (Trends and Topics in Neurolinguistics), Наймеген, Нидерланды;2) "Познание, речь и мозг" (Cognition, Communication, and the Brain), Хельсинки, Финляндия; 3) "МЕ303 Статистические методы обработки многомерных данных в социологических исследованиях" (Statistical Methods for Multivariate Data in Social Science Research), Лондон, Великобритания; 4) "Изучение языка с помощью ЭЭГ" (Investigating language with EEG), Экспоо, Финляндия;5)"Программирование в R" (R Programming), Курс Университета Джона Хонкинса на интернет-платформе «Coursera», Санкт-Петербург, Россия;6) "Получение и чистка данных" (Getting and Cleaning Data), Курс Университета Джона Хонкинса на интернет-платформе «Coursera», Санкт-Петербург, Россия;7)"Исследовательский анализ данных" (Exploratory Data Analysis), Курс Университета Джона Хонкинса на интернет-платформе «Coursera», Санкт-Петербург, Россия;8)"Статистические выводы" (Statistical Inference) , Курс Университета Джона Хонкинса на интернет-платформе «Coursera», Санкт-Петербург, Россия.Документы, подтверждающие проведение семинара.Коллективом лаборатории поведенческой нейродинамики организованы следующие научные мероприятия:1) Международная научная конференции «Когнитивная нейробиология речи» (Приказ № 2928/1 от 02.04.2019, прошел с 01.05.2019 по 05.06.2019 (Главное здание СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия); 2) V Международный зимний симпозиум по экспериментальным исследованиям языка и речи «The Night Whites Language Workshop» (Приказ № 10923/1 от 01.11.2019), прошел в период с 16.12.2019 по 17.12.2019 (факультет свободных искусств СПбГУ, Санкт-Петербург, Россия).Актуальный сайт лаборатории http://cogneuro.spbu.ru/

основные результаты по этапу (кратко)

- разработаны кросс-дисциплинарные экспериментальные парадигмы для поведенческого и нейрофизиологического изучения механизмов, ответственных за освоение новых слов и формирование кортикальных репрезентаций нового языкового материала;
- проведены электрофизиологические эксперименты, показавшие существование двух равно эффективных на поведенческом, но различающихся на нейробиологическом уровне типов усвоения языковой информации – имплицитного и эксплицитного, а также описаны различия в подлежащих им мозговых механизмах;
- проведены экспериментальные работы по изучению нейрофизиологических процессов, лежащих в основе усвоения абстрактной и конкретной речевой информации;
- описаны особенности мозговых механизмов, отвечающих за моментальное речевое научение у детей дошкольного возраста;
- разработаны методы малоинвазивного стимуляционного воздействия на мозг для модификации (ускорения или замедления) процессов усвоения языкового материала;
- осуществлена проработка методов оптимизации процессов научения при помощи малоинвазивной нейростимуляции.

описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

Александров Александр Алексеевич, обработка данных исследований с участием детей, нет
Андрющенко Екатерина Александровна, проведение экспериментов, нет
Благовещенский Евгений Дмитриевич, обработка данных ЭЭГ и ТЭС экспериментов, нет
Васильева Марина Юрьевна, проведение экспериментов с участием детей, нет
Гнедых Дарья Сергеевна, обработка данных ЭЭГ и ТЭС экспериментов, нет
Кирсанов Александр Сергеевич, проведение экспериментов, нет
Князева Вероника Михайловна, проведение экспериментов с участием детей, нет
Костромина Светлана Николаевна, обработка данных ЭЭГ экспериментов, нет
Курмакаева Диана Маратовна, проведение экспериментов, нет
Мкртычян Надежда Андреевна, проведение экспериментов, нет
Мячиков Андрей Викторович, обработка собранных данных, нет
Новиковская Надежда Александровна, проведение экспериментов, нет
Осадчий Алексей Евгеньевич, обработка собранных данных, нет
Скочилов Роман Владимирович, обработка собранных данных, нет
Филиппов Алексей Александрович, проведение экспериментов, нет
Филиппова Маргарита Георгиевна, обработка данных ЭЭГ и ТЭС экспериментов, нет
Шаболтас Алла Вадимовна, обработка собранных данных, нет
Штыров Юрий Юрьевич, общее руководство проектом
Щербакова Ольга Владимировна, обработка собранных данных, нет
Артем Аркадьевич Сачек, проведение экспериментов, нет
Блинова Екатерина Николаевна, проведение экспериментов, нет

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

размешается

обоснование межотраслевого подхода

Проект направлен на реализацию масштабной исследовательской программы по изучению нейрокогнитивных основ языка и научения. Наши цели – расширение существующих на данный момент в этой области представлений и прояснение природы нейропластических изменений, практически мгновенно возникающих в ответ на предъявление новых речевых стимулов в процессе их освоения детьми и взрослыми. Помимо установления механизмов вербального научения, одной из основных целей является уточнение мозговых основ хранения и обработки вербальной информации как таковой – посредством оценки работы задействованных в этом процессе структур, временной динамики их активации и взаимодействия между различными участками мозга, а также функциональных и анатомических связей между ними, – с выходом на установление потенциальных причинно-следственных связей.
Короткий заголовокGZ-2019
АббревиатураMega_5 - 3
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания1/01/1931/12/19

Ключевые слова

  • Нейробиология
  • Язык
  • Речь
  • Электоэнцефалография