Генетические основы способности к обучению кратко
Обновлено: 07.07.2024
Генетические исследования со временем смогут внести ощутимый вклад в апгрейд образования. Они помогут подбирать индивидуальные подходы к обучению детей, чтобы улучшить их образовательные результаты. Пока предсказать способности ребенка с помощью генетики сложно, но ученые постепенно накапливают материал по предикторам тех или иных качеств. Воздействие генов и среды на развитие человека, факторы успешности обучения, недавние открытия генетики и прогнозы ее развития стали главными сюжетами доклада приглашенного профессора НИУ ВШЭ, международного эксперта в области поведенческой генетики Юлии Ковас.
Все психологические черты человека в той или иной степени развиваются под влиянием генетических факторов. То есть на поведение человека влияет, в числе ряда факторов, и наследственность. В то же время, списать психологические особенности человека исключительно на действие генов невозможно. Равно как нельзя объяснять человеческие проявления лишь воздействием средовых условий.
Успех в обучении зависит от генов и среды
Рисунок 1. Влияние генетических факторов на умение читать, писать и считать (навыки грамотности, в том числе математической) у младшеклассников.
Источник: презентация Ю. Ковас.
Но постепенно генетические влияния возрастают (рис. 2). Красным цветом выделены генетические факторы, воздействующие на разные переменные (среди них GCSE – британский аналог российского ЕГЭ; интеллект; здоровье и пр.). Синим цветом выделены средовые факторы этих характеристик. Диаграмма показывает, что генетические различия между учениками объясняют примерно 63% различий в баллах на экзаменах и примерно столько же в различиях в интеллекте.
Рисунок 2. Генетические и средовые факторы в их влиянии на характеристики учащихся.
Примечания: выборка близнецов из базы TEDS ( Twins Early Development Study – исследования раннего развития близнецов) составила свыше 6,6 тыс пар. Источник: презентация Ю.В.Ковас.
Исследователи также изучили, насколько генетические факторы объясняют силу корреляций между баллами на экзаменах и другими чертами (рис. 3; цветовые обозначения – те же). Так, связь между успешностью на экзаменах и интеллектом объясняется прежде всего генетическими факторами. Связь между восприятием домашней среды и результатами экзаменов объясняется, в основном, средовыми факторами.
Любопытно, что лишь 25% вариативности в успешности на экзаменах объясняется интеллектом. Еще 25% успешности объясняются мотивацией, здоровьем и пр. Оставшиеся 50% вариативности успешности остаются непроясненными.
Рисунок 3. Факторы, определяющие силу корреляций между успешной сдачей экзаменов и рядом переменных (здоровье, интеллект, домашняя и школьная среда и пр.)
Источник: презентация Ю.В.Ковас.
Важно правильно подобрать среду
Большинство ассоциаций между средовыми влияниями и психологическими чертами имеют и генетические влияния, – такова еще одна теорема поведенческой генетики. Успешность детей в школьном обучении определенным образом связана с образованием родителей, и частично эта связь объясняется их генетическим родством. В то же время здесь есть и средовая медиация, влияние обстоятельств.
Гена математического гения не существует
Наследуемость в роли иголки в стоге сена
Все психологические черты являются сложными с точки зрения их природы, то есть множество генетических и средовых факторов вносят вклад в их формирование. Такими чертами оказываются и все человеческие характеристики, связанные с образованием, подчеркнула исследователь.
Генетические факторы объясняют 40-60% индивидуальных различий в этих характеристиках. Такие результаты были получены разными методами поведенческой генетики (исследования близнецов, полногеномный анализ сложных черт – genome -wide complex trait analysis и пр.).
Генетика поможет строить модели детского развития
Эта информация может учитываться в построении сложных моделей детского развития, заключила Юлия Ковас.
На вопрос о том, какие факторы — врожденные (генетические) или внешние (влияние социальной среды) — оказывают большее влияние на стремление и способности человека к учебе, исследователи пытаются ответить уже давно. Специалисты сходятся во мнении: несмотря на то что окружающая человека социальная среда существеннейшим образом влияет на получение образования, генетический фактор также играет в этом немаловажную роль.
Выявление конкретных генов, влияющих на получение образования, — задача весьма сложная и длительная. Так, в ходе предыдущей работы в результате анализа генетического материала сотни тысяч человек группа исследователей, возглавляемая Дэниэлом Бенджамином (Университет Южной Калифорнии),
сумела обнаружить три аллели (аллели — это варианты одного гена), которые были связаны со склонностью человека к учебе, — этот результат сложно назвать очень значимым.
Теперь исследовательская группа Дэниэла Бенджамина продолжила и расширила свою работу. Ученые воспользовались методом полногеномного поиска ассоциаций (GWAS — Genome-Wide Association Studies) — поиском связей между генетическими вариантами и фенотипическими (т.е. проявившимися у человека) признаками. Обычно в качестве такого внешнего признака берется предрасположенность человека к какому-либо заболеванию, однако в данном случае в качестве фенотипического признака ученые взяли степень образованности человека. В качестве критерия образованности бралось количество лет, проведенных человеком в стенах учебных заведений. Этот показатель традиционно используется в подобных научных работах. Результаты исследования были опубликованы в последнем номере журнала Nature.
Применяя метод GWAS, ученые исследуют не отдельный участок генома, а полные последовательности ДНК участников исследования. Затем начинают поиск аллелей — разных форм одного гена.
Если какие-то из них встречаются чаще у больных людей, чем у здоровых, это значит, что эти аллели связаны с болезнью.
Если в прошлый раз исследователи проанализировали генетические данные 100 тыс. человек, то на этот раз они воспользовались генетической информацией, взятой из 64 баз данных. Исследованная ДНК принадлежала 293 723 людям из 15 стран мира, а при повторном анализе (он проводится, чтобы удостовериться в первоначально полученных результатах) использовалась ДНК 111 349 человек. Все участники исследования в среднем учились по 14,3 года.
Исследовательская группа (в состав которой входило 253 специалиста) обнаружила 74 локуса (места, где находятся аллели), которые напрямую были связаны с количеством посвященных получению образования лет.
Ученые дают этому факту следующее объяснение: данные однонуклеотидные полиморфизмы (отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид) отвечают за развитие тканей головного мозга человека еще до его рождения, в частности за увеличение количества нейральных клеток-предшественниц (которые затем превращаются в специализированные клетки), перемещение новых нейронов в разные слои коры головного мозга, развитие дендритов (отростков нервных клеток, которые передают сигнал от одной клетки к другой), а также синаптическую пластичность мозга (его способность формировать новые нейронные связи и, соответственно, обучаться). Генетики полагают, что на самом деле ответственных за развитие мозга и обучаемость человека аллелей не 74, а гораздо больше, а значит, работа по их поиску будет продолжаться.
Однако, как выяснилось, найденные генетические варианты отвечают не только за активное развитие головного мозга.
Те же самые аллели повышают склонность человека к развитию биполярного аффективного расстройства (психическое заболевание, при котором человек страдает от быстрой смены маниакальных и депрессивных состояний), а также шизофрении.
В случае с шизофренией корреляция довольно слабая, но устойчивая и статистически значимая, отмечают авторы работы.
Впрочем, всем продолжающим учебу после окончания школы есть и чему порадоваться. Те же самые аллели, как показали исследователи, понижают риск развития болезни Альцгеймера и невротизма (эмоциональной неустойчивости, тревожности и низкого чувства самоуважения). О том, что связанные с успешным обучением человека генетические факторы влияют и на другие стороны личности, отделу науки рассказала и Юлия Ковас, профессор генетики и психологии, директор лаборатории Inlab факультета психологии Лондонского университета Голдсмитс, соруководитель Российско-британской лаборатории психогенетики Психологического института РАО, заведующая лабораторией когнитивных исследований и психогенетики ТГУ.
«Индивидуальные различия в общем интеллекте у 16-летних школьников примерно на 60% объясняются генетическими различиями. Интересно, что примерно такой же процент индивидуальных различий объясняется и в школьной успеваемости. Однако лишь примерно половина генетических факторов, влияющих на школьную успеваемость, связана с генами, влияющими на интеллект. Другая половина связана с генетическими факторами, вовлеченными в мотивационные, личностные и другие характеристики.
Кроме того, исследовательская группа Дэниэла Бенджамина утверждает: несмотря на то что найденные ими генетические варианты напрямую связаны с развитием головного мозга и склонностью человека к получению образования, ни в коем случае нельзя сбрасывать со счетов внешние факторы — такие как социальная среда человека. Так, ранее похожее исследование было проведено на примере близнецов — тогда ученые выяснили, что окружающая среда может усиливать или, наоборот, притуплять генетическую предрасположенность человека к учебе.
В школе у нас были разные оценки. Кто-то объясняет это способностью к запоминанию, кто-то - склонностью к определенным предметам и областям знаний, кто-то - неусидчивостью, банальной ленью и нежеланием вслушаться в слова учителя. Но сегодня ученые убеждены, что на успеваемость оказывают свое влияние и гены! Правда, касается это только начальной школы. Как наследственная предрасположенность влияет на дальнейшее обучение, пока что не установлено. Но результаты уже проведенных исследований довольно впечатляющие.
Исследование пар близнецов
Чтобы дать миру точные утверждения, ученые проанализировали около 6 тысяч пар близнецов. Исследования и анализы показали логичный факт: те дети, которые хорошо учились в начальной школе, показали блестящие результаты и при сдаче итоговых экзаменов в школе.
Почему же именно близнецы? Факт их участия помог оценить ученым ту важную долю различий в школьных успехах, которую можно списать на наследственные факторы. Например, у идентичных близнецов гены на 100 % схожи, у неидентичных - на 50 %.
Тут все просто. Если у идентичных близнецов схожие успехи в учебе, то есть смысл утверждать, что наследственная предрасположенность влияет на умственные способности. Есть также возможность изучить наследуемость того или иного признака, долю различий.
Результаты исследований
И что же было выяснено учеными? В 70 % случаев школьные оценки идентичных близнецов были одинаковыми только из-за генов! Что же обосновало это?
Были исследованы стандартные тесты, которые предлагаются в школах ученикам начальных классов. При их анализе и был установлен удивительных факт - в 70 % случаев идентичные близнецы справились с заданиями одинаково успешно! При этом дети посещали разные школы, у них были разные учителя, программы обучения и подходы к воспитанию.
Однако на равные результаты влияли и другие факторы, кроме идентичности их генов. Например, в 25 % случаев дети учились в одном классе, воспитывались в одной семье, посещали одну и ту же школу. Тут велика вероятность, что одинаковый уровень их умственного развития обусловлен равными условиями воспитания и образования.
Что же с оставшимися 5 %? У ребят были совершенно разные друзья. Или их обучал не один и тот же преподаватель.
Изменение оценок
Неужели не было случаев, когда идентичные близнецы показывали совершенно разные успехи в учебе?
Были проанализированы результаты школьной успеваемости учеников начальной и средней школы. И установлено, что неодинаковый уровень умственного развития близнецов наблюдается по причинам, которые не определяет наследственность.
Гены влияют на оценки
Поэтому ученые склонны полагать, что во многом на оценки влияет наследственность. Это было подтверждено в 60 % случаев исследования школьной успеваемости близнецов.
При этом им, повзрослевшим, также предлагалось пройти словесные и вербальные тесты в юности, подростками. Анализ такого исследования показал, что с возрастом все равно сохраняется схожее умственное развитие!
Исследования ассоциаций генома
Такой весьма убедительный результат дает право предполагать, что гены влияют на школьную успеваемость не только близнецов, но и более широких групп людей. Вообще, научные работы последних лет убеждают специалистов в том, что гены оказывают большее, чем ранее предполагали, влияние на способности человека.
Это доказали исследования так называемых ассоциаций генома. Они помогают определить конкретные генетические маркеры, которые связаны с определенными чертами человека. Что же мы видим здесь?
Один такой генетический маркер может объяснить весьма малую схожесть родственников (около 0,1 %) в достижении школьных успехов. Такие индивидуальные различия и схожести нельзя даже брать за основу научных утверждений. Гораздо разумнее списать их на случайность.
Но время не стоит на месте. Учеными был разработан инновационный метод, позволяющий исследовать не один, а тысячи генетических маркеров сразу! Называется он полигенной оценкой генома. Прежде всего, показатель отличается высокой точностью. И это позволяет предсказать разницу по определенному признаку (по тем же школьным успехам, к примеру) не только у близнецов, но и у не связанных родственными узами людей.
Исследования с помощью новых технологий
После апробации нового метода в реальности ученые перешли к новой проверке. За основу были взяты результаты прежних тестов по полигенной оценке генома.
Ученых, опять же, интересовали школьные успехи близнецов. Что же они предприняли? Снова была протестирована каждая из пар участвующих в исследовании близнецов. Исследователи анализировали не уже имеющиеся результаты, а то, что может "рассказать" ген о будущих учебных успехах ребенка. Поэтому исследования, предыдущие и новые, по своей направленности уже не были связаны.
Погрешность же оказалась самой минимальной. Так, например, для детей, обучающихся в начальной школе, она составила 4 %. Для более старших школьников - 10 %.
Наследственность предопределяет!
Теперь ученые смогли с точностью утверждать, что наследственность предопределяет наши успехи в школе! Результаты практического и генетического теста почти полностью совпали. И это, конечно, касается не только близнецов. Трудно в это поверить, но умственные способности каждого человека, оказывается, определены с его рождения.
Также проведенное исследование способно объяснить, почему успехи в школе могут существенно отличаться. Кто-то предрасположен к математике, решению логических задач. Потом, в школе, этот ребенок будет в два счета решать сложные алгебраические задачи.
А у кого-то предрасположенность, напротив, к творчеству. Ребенок покажет отличные результаты в музыке, на уроках ИЗО, его сочинения будут зачитывать всему классу. Но вот по математике и физике он, увы, будет отставать. Ведь его мозг "заточен" совсем под другую деятельность.
Практическое значение исследований
Да, ученые смогли доказать весьма интересный факт. Но насколько он практически полезен и применим?
Исследователи уверены, что результаты их работы помогут улучшить существующую систему образования. Например, в скором будущем родители смогут по желанию проводить такие тесты и для своих детей. Полученная информация поможет лучше подготовить ребят к школе. Также станет возможным выявлять детей с предполагаемыми проблемами в обучении на ранних этапах развития.
Ребятам будет предложена особая образовательная программа, которая максимально способна раскрыть их таланты. Кроме того, создан специальный план по обучению тем предметам, с которыми у них предполагаются проблемы.
Согласитесь, это очень здорово: при рождении ребенка проводится ДНК-тест. И по его результатам родители уже знают, что у ребенка, например, будут проблемы со скорочтением. Они могут выбрать для него индивидуальную программу раннего развития, которая поможет малышу не испытывать сложности с этим в школе.
Только ли гены?
Но не стоит списывать все успехи и неудачи лишь на безответные гены. Сами исследователи утверждают, что гены - это лишь один из факторов, что влияет на школьные успехи. И он далеко не единственный. Окружение, преподаватель, программы обучения, отношения в семье - это все тоже играет не самую последнюю роль.
Да, наша школьная успешность во многом была предопределена генетически. И современные научные исследования это доказали. Но также никто не отменяет влияние на оценки программы преподавания, личного отношения к учебе, окружения и семьи.
Наверное, это случится уже скоро: с помощью анализа ДНК мы сможем определять будущие сложности в учебе нашего ребенка и помогать ему.
Мы прекрасно помним это еще со школьной скамьи: дети учатся очень по-разному.
А в последние годы исследователи обнаружили, что успех в учебе - в начальной школе, на экзаменах при окончании средней школы и даже в изучении отдельных предметов - почти на две трети (!) зависит от генов.
Ученые выбрали 6000 пар близнецов, участвующих в британской Программе исследования раннего развития близнецов, и проанализировали их оценки - от начальной школы до окончания обязательного среднего образования.
Результаты исследования показали, что достижения близнецов в учебе были на удивление стабильными.
Те, кто хорошо успевал в начальной школе, имели хорошие результаты и на экзаменах GCSE (сертификат об окончании среднего образования).
Автор фото, Getty Images
Анализируя успехи в учебе однояйцевых близнецов, ученые установили влияние генов на школьные оценки
Наблюдения за близнецами позволяют выявить влияние генов на достижения в учебе.
Однояйцевые (идентичные) близнецы имеют одинаковый генетический набор, тогда как двойняшки, так же как и братья и сестры разного возраста, имеют в среднем 50% одинаковых генов.
Если в определенных чертах характера идентичные близнецы больше похожи друг на друга, чем двойняшки, можно сделать вывод, что эта черта определяется преимущественно генами.
Исследователи пришли к выводу, что стабильность достижений в учебе почти на 70% объясняется генетическими факторами и лишь на 25% - внешними факторами, окружающей средой, например, воспитанием в одной семье и посещением одной школы.
Остальные 5% - другими, пока менее понятными факторами, например, влиянием друзей или учителей.
Когда успешность в учебе в течение школьных лет улучшалась или ухудшалась, это прежде всего зависело от тех внешних факторов, которые у близнецов отличались.
Кажется, логично предположить, что стабильность успехов в изучении школьных предметов объясняется, в первую очередь, умственными способностями конкретного ребенка.
Но после того как исследователи провели среди близнецов тесты на интеллект (вербальные и невербальные), влияние генов все равно осталось существенным - на уровне 60%.
Автор фото, Getty Images
Когда у одного из близнецов школьные оценки существенно ухудшались или, наоборот, улучшались, причиной были внешние факторы - например, замена учителя
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Подкаст
В последние годы ученые достигли больших успехов в выявлении генетических маркеров, отвечающих за те или иные черты личности - в частности, за успехи в учебе.
Однако каждый генетический маркер объясняет очень небольшую долю (менее 0,1%) индивидуальных различий. И недавно был разработан более эффективный метод.
Суммируя тысячи генетических маркеров, выявленных в ходе общегеномных исследований (исследования геномного набора генетических вариантов у разных людей, позволяющие увидеть связь какого-либо из вариантов с определенным признаком. - Прим. переводчика), ученые создают полигенную шкалу оценки.
Такая шкала позволяет с большей точностью прогнозировать вариативность определенных качеств личности (например, успехов в учебе), у людей, не связанных общими генами.
Метод полигенной шкалы подтвердил то, что ученые обнаружили в ходе наблюдения за близнецами. А именно: определенные варианты генов отвечают за то, почему оценки детей на каждом этапе обучения могут отличаться.
Результаты этого исследования очень важны как для родителей, так и для учителей.
Они свидетельствуют о том, что определенные проблемы в учебе нужно выявлять как можно раньше, поскольку они, скорее всего, будут существовать на протяжении всех лет, проведенных в школе.
Автор фото, Getty Images
Генетика поможет как можно раньше выявлять у детей потенциальные трудности в учебе, чтобы предоставлять им всю необходимую помощь
В будущем такая оценка генетической предрасположенности (вместе с прогнозированием влияния внешней среды, например, района проживания, особенностей воспитания в семье и школе) поможет выявлять "проблемных учеников" в раннем возрасте.
Преодолеть потенциальные трудности в обучении помогут индивидуальные учебные программы.
Например, уже при рождении мы могли бы с помощью ДНК-тестов выявлять детей, которые будут иметь проблемы с чтением, и помогать им уже на раннем этапе развития.
Профилактические мероприятия всегда имеют большие шансы на успех, когда проводятся в первые годы жизни.
Поэтому генетическая оценка рисков, которую можно произвести уже при рождении, имеет огромное значение для преодоления будущих проблем в учебе у ребенка.
Статья впервые была опубликована на сайте The Conversation и перепубликована здесь в рамках лицензии Creative Commons.
Прочитать оригинал на английском языке можно также на сайте BBC Future.
Для тех, кто сдает сейчас экзамены, есть хорошая новость: обнаружены участки ДНК, которые влияют на успехи в школе и в университете. Сделать такое открытие специалисты смогли после масштабного изучения мелких мутаций в геномах более 300 тысяч человек из 15 разных стран.
Более двух сотен ведущих генетиков мира уже несколько лет анализируют информацию, собранную проектом "1000 геномов" и другими международными базами биоданных. Чтобы выделить наследственные изменения, влияющие на склонность к учебе и науке, они сравнили примерно 9 миллионов мелких мутаций и сопоставили их с образованием, которое получили обследуемые.
В итоге исследователи выделили 74 участка ДНК, разные версии которых могли положительно или отрицательно влиять на способность к обучению. Однако эти области генома по отдельности имеют достаточно слабый эффект. К примеру, если взять самый "влиятельный" участок ДНК, то различия между его отсутствием и двойным наличием будут заключаться в девяти неделях учебы. То есть люди без этой мутации могут нагнать везунчиков с "хорошей" генетикой примерно за два месяца дополнительных занятий.
"На успехи в учебе влияют и гены, и окружающая среда. Те вариации в ДНК, которые мы нашли, отвечают лишь за небольшие различия в успеваемости. В среднем это от 0,43 до одного процента от общего уровня различий, - говорит Дэниел Бенджамин из университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. - Так что не надо называть их генами образования".
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Специалисты надеются, что дальнейший поиск и изучение этих "не-генов образования" помогут понять, насколько успехи человека зависят от его наследственности.
Алий Асанов, заведующий кафедрой медицинской генетики Первого МГМУ им. И.М. Сеченова, д.м.н., профессор:
- В геноме человека содержатся сотни тысяч, если не миллионы участков ДНК, так или иначе связанных с реализацией способностей к обучению, художественной и другой творческой деятельности. Да и сам показатель - уровень образования, на который ориентировались наши западные коллеги, вызывает вопросы. Ведь причин, по которым человек не закончил или бросил учебу, может быть очень много: проблемы со здоровьем, несчастная любовь, появление ребенка, другие социальные или экономические предпосылки. И генетика играет тут далеко не первую роль.
Использовав современный молекулярно-биотехнологический подход (так называемый полногеномный поиск ассоциаций), западные коллеги, конечно, проделали огромную работу. Однако авторы сами признают, что различия в успеваемости, на которые влияют открытые ими участки ДНК, составляют меньше одного процента. На мой взгляд, намного большее значение для хорошей учебы имеет социальная среда, забота родителей, собственное упорство и трудолюбие. Представьте, что Михайло Ломоносов так и не дошел до Москвы. Каких успехов он бы достиг в рыбацкой деревне?
Безусловно, исследование полиморфизмов, связанными со способностями к учебе, представляют собой очередной шаг в поисках основных этапов формирования генетических основ предрасположенности к развитию сложно наследуемых признаков человека, в том числе широко распространенных и социально значимых заболеваний. Однако практическое применение результатов подобных исследований в отношении способностей к обучению я не предвижу даже в ближайшем будущем.
Читайте также: