Stimularea electrică îmbunătățește abilitățile matematice la persoanele cu legături neuronale mai slabe

Învățarea matematică reprezintă o provocare majoră pentru un procent semnificativ al populației adulte, cu impact asupra oportunităților sociale și economice. Deși diferențele individuale în performanța cognitivă sunt bine documentate, mecanismele neurobiologice care explică aceste variații rămân insuficient înțelese. Studiul publicat în PLOS Biology de cercetătorii de la Universitatea din Surrey a investigat cum stimularea neinvazivă a creierului prin stimulare transcraniană cu zgomot aleatoriu (tRNS) și modificările neurochimice influențează învățarea matematică, folosind un protocol experimental riguros combinat cu imagistică prin rezonanță magnetică funcțională și spectroscopie de rezonanță magnetică protonică.

Context și ipoteze

Modelele teoretice sugerează că dezvoltarea competențelor aritmetice implică rețele frontoparietale, cu rol distinct al cortexului prefrontal dorsolateral (CPDL) în procesele executive și al cortexului parietal posterior (CPP) în memorarea rezultatelor. Studiile anterioare au arătat că tRNS aplicat cortexului prefrontal dorsolateral poate îmbunătăți învățarea calculului, în timp ce aplicarea pe cortexul parietal posterior ar putea sprijini învățarea prin repetiție. De asemenea, nivelul de glutamat și GABA influențează echilibrul excitație/inhibiție, esențial în trecerea de la plasticitate la stabilitate în procesul de învățare. Ipoteza centrală a fost că participanții cu o conectivitate funcțională pozitivă mai mare la bază vor avea performanțe mai bune în calcul, iar stimularea transcraniană cu zgomot aleatoriu va aduce beneficii celor cu conectivitate mai redusă.

Metodologie

Studiul a inclus 72 de participanți tineri sănătoși, repartizați aleator în trei grupuri:

• tRNS placebo,
• tRNS activ pe cortexul prefrontal dorsolateral și
• tRNS activ pe cortexul parietal posterior.

Pe parcursul a 5 zile, participanții au rezolvat probleme matematice de tip calcul (bazate pe algoritmi) și memorare, în timp ce s-au colectat date imagistice privind conectivitatea funcțională și nivelurile de glutamat și GABA. Reacțiile au fost înregistrate ca timpi de răspuns pentru evaluarea performanței.

Rezultate principale

1. Conectivitatea frontoparietală pre-stimulare prezice performanța în calcul

Analiza datelor de la grupul placebo a arătat că o conectivitate pozitivă între cortexul prefrontal dorsolateral și cortexul parietal posterior la momentul inițial este asociată cu timpi de răspuns mai rapizi în sarcinile de calcul, dar nu în drill. Acest efect sugerează că conectivitatea frontoparietală funcționează ca un predictor neurobiologic al învățării matematice prin calcul.

2. Stimularea transcraniană cu zgomot aleatoriu aplicată pe cortexul prefrontal dorsolateral a îmbunătățit învățarea calculului

Participanții care au primit tRNS activ pe cortexul prefrontal dorsolateral au demonstrat îmbunătățiri semnificative în timpii de răspuns la problemele de calcul comparativ cu grupul placebo. În contrast, stimularea transcraniană cu zgomot aleatoriu aplicat pe cortexul parietal posterior nu a avut un efect consistent asupra performanței.

3. Efectul stimulării transcraniene cu zgomot aleatoriu depinde de conectivitatea inițială

Un rezultat central al studiului a fost interacțiunea dintre conectivitatea funcțională de bază și efectul stimulării transcraniene cu zgomot aleatoriu: stimularea cortexului prefrontal dorsolateral a adus beneficii maxime participanților cu conectivitate pozitivă scăzută, reducând decalajul față de cei cu conectivitate ridicată. Astfel, stimularea transcraniană cu zgomot aleatoriu a avut un rol de „echilibrare”, îmbunătățind performanța celor predispuși la învățare deficitară.

4. Relația dintre modificările GABA și efectul stimulării transcraniene cu zgomot aleatoriu

Reducerea concentrațiilor de GABA în cortexul prefrontal dorsolateral a fost asociată cu un efect benefic al stimulării transcraniene cu zgomot aleatoriu asupra calculului atunci când era însoțită de o scădere a conectivității pozitive. În schimb, creșterea conectivității pozitive la participanții cu scădere a GABA a dus la performanțe mai slabe, indicând o interacțiune complexă între starea de plasticitate/stabilitate și rețelele funcționale.

Interpretări

Aceste rezultate evidențiază importanța conectivității funcționale frontoparietale și a echilibrului excitație/inhibiție în succesul învățării matematice. Participanții cu conectivitate pozitivă scăzută au beneficiat semnificativ de stimulare transcraniană cu zgomot aleatoriu, demonstrând posibilitatea de a „compensa” dezavantajele biologice prin neurostimulare. Aceasta susține ideea că intervențiile personalizate pot reduce diferențele individuale în învățare, un exemplu neurobiologic al efectului Matthew.

De asemenea, studiul subliniază că efectul stimulării transcraniene cu zgomot aleatoriu depinde de starea funcțională și neurochimică a rețelelor implicate. Interacțiunea dintre modificările GABA și schimbările conectivității sugerează că aplicarea neurostimulării trebuie calibrată în funcție de profilul individual.

Concluzii

Studiul oferă dovezi solide că stimularea transcraniană cu zgomot aleatoriu aplicat cortexului prefrontal dorsolateral poate îmbunătăți învățarea calculului matematic, în special la indivizii cu conectivitate frontoparietală redusă. Rezultatele indică o cale promițătoare pentru intervenții educaționale personalizate care vizează substratul neurobiologic al diferențelor cognitive. Pe termen lung, aceste intervenții ar putea contribui la reducerea inegalităților în educație și la optimizarea strategiilor de învățare în populația generală.