Мозговая активность против StarCraft II: нейронаука в действии

Учёные используют мозговую активность для предсказания уровня мастерства в StarCraft II в рамках увлекательного нового исследования в области нейронаук. Новое исследование, опубликованное в журнале «Computers in Human Behavior», проливает свет на механизмы мозга, которые поддерживают навыки визуального поиска в видеоиграх жанра стратегии в реальном времени. Исследователи обнаружили, что люди с определёнными паттернами мозговой активности и структурой белого вещества показывали лучшие результаты в игре StarCraft II, особенно когда дело доходило до задач, связанных с ресурсами, требующих сканирования сложной визуальной среды. Результаты предполагают, что эффективная обработка внимания и сопутствующие нейронные признаки могут способствовать развитию навыка в динамичных игровых средах.

StarCraft II — это игра в жанре стратегии в реальном времени, требующая от игроков управления ресурсами, контроля армий и принятия решений под давлением времени. В отличие от экшен-игр, основанных в основном на рефлексах, StarCraft II акцентирует внимание на стратегическом планировании и быстрой переработке информации. Поскольку игра требует частых изменений визуального внимания и быстрой идентификации важных элементов в игре, она предлагает уникальную возможность изучить, как когнитивные функции, такие как визуальный поиск, работают в динамичных, реалистичных условиях.

«Хотя исследования видеоигр хорошо развиты, лишь в последние годы мы начали систематически исследовать их потенциальные преимущества для когнитивного функционирования», — говорит автор исследования Наталия Якобовска, ассистент профессора в Университете социальных наук и гуманитарных наук SWPS. «Тем временем киберспорт стал серьёзной дисциплиной, в которой обсуждения индивидуальных предрасположенностей — как в традиционных видах спорта — становятся всё более распространёнными. Мы начали задаваться вопросом, могут ли быть нейробиологические признаки, поддерживающие эффективное обучение или высокие достижения в сложных играх».

«На более личном уровне видеоигры всегда были частью моей жизни: я рос с ними и со временем стал смотреть на них через исследовательский взгляд. Во время учёбы мне как-то удалось провести более 1200 часов за игрой The Witcher 3. В наши дни я редко погружаюсь в RPG, но они определённо занимают особое (и немного ностальгическое) место в моём сердце. Возможность объединить мои научные интересы с давней личной увлечённостью казалась естественным и вознаграждающим направлением».

Якобовска и её коллеги разработали исследование, чтобы выяснить, как связанная с вниманием мозговая активность и структура мозга предсказывают успех в StarCraft II. Они особенно интересовались сигналом мозга, называемым N2pc — электрическим паттерном, измеряемым с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), который отражает, как внимание распределяется в пространстве. В дополнение к ЭЭГ участники прошли магнитно-резонансную томографию (МРТ) для изучения целостности белых волокон в мозге, которые необходимы для связи между различными его областями. Команда хотела узнать, могут ли эти нейронные маркеры, записанные до начала любого игрового обучения, предсказывать, как хорошо участники будут играть в течение времени.

В исследование вошли 21 человек, не имеющий опыта в играх, которые проходили 30 часов обучения в StarCraft II под наблюдением. Перед тем как обучение началось, все участники выполнили задачу визуального поиска, пока их мозговая активность записывалась. Эта задача заключалась в определении целевой формы среди отвлекающих форм — иногда в лёгком «выделении» и в других случаях в более сложном «неэффективном» поиске. Компонент N2pc был извлечён из ЭЭГ во время этих задач. Параллельно участники проходили диффузионную МРТ для оценки целостности белого вещества в ключевых областях мозга.

В течение 30 часов обучения в StarCraft II были собраны подробные игровые данные. Это включало поведенческие метрики, такие как скорость сбора ресурсов, производство юнитов, время принятия стратегических решений и движение камеры. Исследователи использовали статистическое моделирование, чтобы свести эти многочисленные показатели к трем основным игровым факторам: «Фактору Профессии», связанному со стратегическими навыками и управлением юнитами, «Фактору Ресурсов», отражающему эффективность в приобретении и использовании игровых ресурсов, и «Фактору Эффективности», связанному с таймингом и многозадачностью.

Результаты показали несколько значительных взаимосвязей между данными мозга до обучения и последующей игровой производительностью. Участники, у которых амплитуда N2pc была ниже в условиях неэффективного визуального поиска, лучше справлялись с задачами, связанными с ресурсами в StarCraft II. Это указывает на то, что те, кому требовалось меньше нейронных усилий для выполнения сложной задачи поиска, были лучше готовы к управлению стратегиями сбора ресурсов в игре. То есть, эффективная нейронная обработка визуальной информации, казалось, переводилась в лучший игровой процесс в визуально нагруженной среде.

Кроме того, целостность белого вещества в двух конкретных областях мозга — правом переднем финальном пакете внутренней капсулы и левом внешнем пакете — была положительно связана с тем же игровым фактором, связанным с ресурсами. Эти области известны связывать фронтальные области, участвующие в принятии решений, с подкорковыми структурами, поддерживающими обучение и внимание. Более высокая дробная анизотропия, характеризующая целостность белого вещества, в этих областях была связана как с более низкой амплитудой N2pc, так и с лучшей игрой в самой игре. Это указывает на более широкое взаимодействие между стабильной структурой мозга и динамическими процессами внимания, формирующими то, как игроки развивают своё мастерство в игре.

«Мы были удивлены тем, как явно проявились индивидуальные отличия даже на этапе до обучения — и как хорошо они предсказали будущую игровую производительность», — сказала Якобовска в интервью PsyPost. «Это предполагает, что у некоторых людей могут быть нейробиологические предрасположенности для развития специфических навыков в средах, требующих быстрой обработки визуальной информации — и эти черты могут быть обнаружены даже до того, как начнется какое-либо формальное обучение».

«В то же время мы были искренне рады, что наш интегративный подход сработал так хорошо. Это было наше первое исследование, объединяющее функциональные (ЭЭГ), структурные (МРТ) и поведенческие (телеметрические данные игры) перспективы, и несмотря на методологическую сложность, наша модель выдержала. Мы особенно рады, потому что очень немногие исследования на сегодняшний день смогли интегрировать все три уровня анализа — особенно с использованием реальных телеметрических данных из игры, а не искусственных лабораторных задач».

Интересно, что амплитуда N2pc в более лёгком «выделении» показала возможную связь с общей стратегической компетентностью, хотя эта связь была слабее. Исследователи предполагают, что способность быстро обнаруживать заметную визуальную информацию может помочь игрокам на ранних этапах стратегического планирования, но более сложное стратегическое поведение, вероятно, требует более широкого набора когнитивных навыков помимо визуального внимания.

Исследование также подчеркивает, что эти функциональные и структурные показатели мозга не были взаимосвязаны между собой, но независимо способствовали производительности. Это подтверждает идею о том, что эффективный визуальный поиск зависит как от контроля внимания в данный момент, так и от долгосрочной нейронной архитектуры. Передний финальный пакет внутренней капсулы, в частности, связывает области мозга, участвующие в планировании, обучении и контроле внимания. Его роль в визуальном поиске и приобретении навыков согласуется с прошлыми исследованиями, показывающими его важность для когнитивной скорости и выполнения стратегий. Внешний пакет, хотя и менее изученный, также связывает различные области мозга, вовлечённые в восприятие и память, что может помогать в сложном сканировании окружающей среды.

«Наше исследование предполагает, что люди, более эффективно обрабатывающие визуальную информацию — например, быстро находящие соответствующие цели среди отвлекающих факторов — могут иметь естественное преимущество в том, чтобы хорошо выступать в сложных стратегических играх, таких как StarCraft II», — объяснила Якобовска. «Интересно, что эти различия отражаются не только в поведении, но также в мозговой активности и структуре белого вещества».

«Это указывает на то, что успех в видеоиграх — по крайней мере, в том, что сильно зависит от внимания и планирования — не является исключительно делом практики или привычки. Это также может относиться к индивидуальным когнитивным и нейробиологическим чертам. Более широкими нашими выводами поддерживается идея о том, что видеоигры могут служить ценными инструментами для изучения человеческого внимания и обучения в динамичных, напоминающих реальные условия округах».

«В то же время важно помнить, что производительность в играх редко движется единым когнитивным навыком», — продолжила Якобовска. «Многое зависит от стратегии, которую принимает игрок, а также от конкретной природы и требований игры. В нашем исследовании мы сосредоточились на одном конкретном механизме — селективном визуальном внимании — но наши выводы ясно подчеркивают, сколько еще остается исследовать. Игры, такие как StarCraft II, предоставляют когнитивно богатую среду, которая заслуживает дальнейшего изучения с разных точек зрения».

«А это всего лишь одна игра — стоит помнить, что разнообразие жанров и механик в мире видеоигр предлагает еще более широкую площадку для будущих исследований».

Хотя результаты обнадеживают, авторы замечают несколько ограничений. Исследование имело относительно малую выборку, что означает, что у него может не хватить статистической мощности, чтобы обнаружить мелкие эффекты или позволить подробное сравнение подтем. Участники также были ограничены только неклассическими игроками, поэтому еще предстоит выяснить, предскажут ли те же нейронные паттерны производительность в опытных игроках или профессионалах.

«Мы специально набрали молодых людей (в возрасте от 18 до 35 лет) с минимальным опытом в видеоиграх и без предшествующего опыта в RTS, FPS или TPS играх», — объяснила Якобовска. «Это сделало набор участников особенно сложным, но позволило контролировать предыдущее игроисторическое когнитивное привыкание».

«Также важно подчеркнуть, что это предварительное исследование — мы еще не измерили эффект самого обучения, а скорее определили потенциальные предикторы успеха в игре. Более того, мы сосредоточили внимание на одной когнитивной механике — селективном визуальном внимании — и исследовали её в контексте одной игры со специфическими требованиями. Это представляет собой узкий, но многообещающий сегмент гораздо более широкой области, которая требует дальнейшего изучения».

«Несмотря на эти ограничения, наши выводы ясно показывают, что такой интегративный подход — объединяющий функциональные, структурные и поведенческие данные — имеет значительный потенциал для продвижения нашего понимания внимания и обучения в сложных условиях взаимодействия человека и компьютера», — сказала Якобовска.

По мере роста интереса к потенциалу видеоигр для когнитивной тренировки это исследование закладывает основы для будущих исследований. Независимо от того, является ли целью улучшение внимания, разработка лучших учебных программ или понимание того, как мозг поддерживает обучение в динамичных условиях, игры жанра стратегии в реальном времени, такие как StarCraft II, могут продолжать предлагать мощный и гибкий инструмент для исследований.

«Наша главная долгосрочная цель — расширить эту линию исследований, изучая другие когнитивные функции», — сказала Якобовска. «В этом исследовании мы сосредоточились на селективном визуальном внимании, но сложные видеоигры задействуют гораздо более широкий диапазон процессов, таких как рабочая память, когнитивная гибкость и принятие решений. Нас интересует, отражены ли эти функции в структуре мозга, мозговой активности и производительности в играх, и как именно».

«Еще одним ключевым направлением является исследование в долгосрочной перспективе. У нас теперь есть данные из четырех временных точек: до начала обучения, а также после 10, 30 и 60 часов игры. Это дает нам редкую возможность отслеживать, как когнитивные и нейронные индикаторы развиваются со временем в ответ на структурированное, интенсивное обучение. Нас особенно интересует, остаются ли ранние предрасположенности стабильными, уменьшаются или в конечном итоге «настигаются» участниками, изначально не имевшими преимущества».

«Не менее важна и среда проведения обучения», — продолжила Якобовска. «Многие когнитивные исследования полагаются на чрезмерно упрощенные или повторяющиеся задачи, которые лишь поверхностно напоминают реальное игровое. Мы стремились найти баланс между экспериментальным контролем и экологической валидностью. Наши участники обучались в структурированном окружении, где мы контролировали сложность, запутанность сценария и — на более поздних этапах — позволяли многопользовательские взаимодействия. Это позволило нам построить два типа учебных условий: более «лабораторные» и более похожие на реальный игровой процесс. Я твердо верю, что даже высоко способный индивидуум может не развиваться когнитивно в ненадлежащей среде — такой, что слишком проста, монотонна или не привлекает. Это может помочь объяснить, почему предыдущие результаты о когнитивном влиянии игр были столь смешанными».

«В будущем мне бы также хотелось провести сравнительное исследование с участием профессиональных игроков. Мне любопытно, являются ли различия, которые мы наблюдаем, чисто количественными — обусловленными временем и интенсивностью тренировок — или же элитные геймеры функционируют иначе на качественном уровне, как когнитивно, так и неврологически».

«Наконец, я хотела бы выразить огромную благодарность всей исследовательской команде», — добавила Якобовска. «Сбор данных от одного участника — четыре поведенческих оценки, четыре сессии ЭЭГ, четыре МРТ-сканирования и 60 часов тренировок в лаборатории — потребовал огромного количества согласованных усилий. Мы оцениваем, что каждый участник составил не менее 100–120 часов работы, часто с несколькими исследователями одновременно. Это действительно подчеркивает масштаб и преданность, необходимые для исследований такого рода, и я невероятно благодарна всем, кто принял участие».

«Этот проект также напомнил нам, что, хотя интегрированные исследования — объединяющие нейронные, поведенческие и экологические данные — являются глубоко увлекательными и полными научного потенциала, они также чрезвычайно сложны в проведении. Награда за значимые, качественные данные часто затягивается на месяцы или даже годы упорной работы, не говоря уже о проблемах набора участников, соблюдения графика тренировок и логистической сложности на различных этапах измерения».

«Наконец, я хотела бы поделиться своим личным убеждением: я думаю, что игры, не всегда и не все в равной степени, могут быть ценным элементом нашей жизни», — заключила Якобовска. «Я не считаю, что они вредны в умеренных количествах — наоборот. Современные игры — это не только развлечение; они также представляют собой сложные среды для обучения, пространства для принятия решений, социальной интеракции и даже культурного выражения. Я считаю, пришло время подойти к ним с большим открытым подходом — и с научной точки зрения тоже.

Исследование «Мозговые волны на полях сражений: предварительные сведения о ЭЭГ, микроструктуре белого вещества и производительности StarCraft II» были написаны Вероникой Нечицкой, Павлиной Левандовской, Станиславом Адамчиком, Алицией Анной Биньковской, Анетой Бржезицкой, Патриком Щетицким и Наталией Якобовской.