Как мозг предвидит будущее
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В Монте-Карло, знаменитом игорными домами, выходит единственная, вероятно, в мире газета, состоящая из одних цифр. По утрам ее жадно читают люди с серыми от бессонницы лицами. Колонки цифр — это данные о вчерашних выигрышах, номера полей, против которых застывало прихотливое колесо рулетки. Анализируя их, игроки пытаются угадать закономерность счастья — номера сегодняшних, а возможно, и завтрашних полей. Интересно, что именно эти попытки предсказать счастливую удачу вспоминаются при знакомстве с последними работами исследователей мозга.
… В специальной камере находится кто-нибудь из обычных подопытных. Список этот невелик: обезьяна, кошка, собака, крыса или кролик. Вспышка света — подопытный настораживается; звук — та же реакция. Работает ориентировочный рефлекс (Павлов называл его реакцией: «Что такое?»), без которого ни одно живое существо не сумело бы уберечься от неожиданной опасности.
Вспышки следуют одна за одной, и через три-четыре повтора подопытный теряет к ним интерес. Но вот вспышка чуть изменилась — и снова она привлекает внимание. Отвлечемся ненадолго для существенного отступления, ибо слова «внимание», «насторожился», «потерял интерес» очень неточны. Сегодня ни один психолог не стал бы доверять им, не имея объективных, подтверждаемых прибором доказательств того, что подопытный «насторожился», «напрягся» или «равнодушен». А доказательства существуют.
Более девяносто лет назад, немецкий психиатр Бергер приложил к голове человека тонкие металлические пластины, соединил их с чувствительным гальванометром и обнаружил какие-то электрические волны ничтожной величины. Теперь-то многие знают, что нервные клетки мозга, нейроны — крохотные генераторы электрических импульсов, а тогда открытие этого суммарного электрического шума миллиардов клеток показалось Бергеру явлением хотя и интересным, но скорее всего бесперспективным. Во всяком случае, он сообщил об этом лишь спустя пять лет. К тому времени Бергер обнаружил, что по форме кривых этих токов можно определить, спит или бодрствует человек, что, кроме беспорядочных всплесков, можно выделить какие-то регулярные колебания. Электрические токи мозга лежали у нижнего предела чувствительности тогдашних приборов.
В конце 30-х годов пришлого века появились мощные усилители, и вполне понятный, до сих пор не иссякший энтузиазм нейрофизиологов породил поток исследований: список книг и статей, посвященных изменениям биотоков мозга, составляет уже том в 10 тысяч названий.
И хотя самым нетерпеливым казалось, что до полной расшифровки механизма работы мозга осталось совсем немного, грустное «увы!» свидетельствует, что это не совсем так. В разноголосом хоре миллиардов нейронов можно выделить повторяющийся мотив — электрические волны с частотой 8—12 колебаний в секунду. Это так называемый альфа-ритм. Есть несколько других явно выделяемых мотивов, но их назначение и роль еще проблематичны, а появление и исчезновение альфа-ритма фиксировалось учеными всего мира в совершенно одинаковых обстоятельствах. Если внимание хозяина мозга ни на что не нацелено, нейроны сливают свои голоса в едином колебательном ритме. Стоит же возникнуть ориентировочной реакции — и альфа-ритм исчезает.
Так появилась возможность объективно отмечать — рассеяна или сосредоточена наблюдательная служба мозга. А теперь вернемся к кошке, сидящей в клетке. От головы ее тянутся тонкие провода, а на экране прибора струятся волны спокойствия.
Вспышка! Альфа-ритм исчезает. Еще одна! Третья, четвертая. На экране снова появились медленные волны альфа-ритма. Кошка успокоилась: вспышки не угрожают ей и больше не интересуют животное.
Но вот перемена: вспышка стала чуть ярче или чуть слабее или изменился промежуток времени между двумя вспышками. Кошка снова насторожилась. На что она реагирует? Меняли яркость, размер, цвет источника света, его положение, и на каждое изменение следовала ориентировочная реакция. Сигналы усиливали, ослабляли, укорачивали, меняли интервалы между ними, перемежали другими сигналами. И что же? После повторов животное успокаивалось и реагировало снова только на одно качество. На какое?
…Однажды пленных вывели долбить лед, и несколько сот человек оказались на опушке леса под охраной двух часовых с пулеметами, разместившихся на вышках. Вышки стояли на узкой снежной поляне, отделявшей обледенелый заброшенный аэродром от леса. Вскоре часовые задремали, не обращая внимания на стук сотен ломов о лед. И тогда двое пленных, переглянувшись, поползли через поляну. Друзья их, как зачарованные, глядели то на вышки, то на двух беглецов, и ломы их теперь машинально стучали о лед в такт. Часовые проснулись мгновенно.
Мозг немедленно реагирует на одно качество любого раздражителя — на новизну, на какое-нибудь, пусть даже незначительное на сильном привычном фоне изменение в этом раздражителе.
К таким выводам пришел один из исследователей мозга профессор Московского университета Е. Н. Соколов, чьи опыты над нейронами описывались выше. Лаборант открыл кормушку и издали показал собаке положенный туда аппетитный кусок хлеба. Кормушку захлопнули. Собака облизнулась и туго натянула поводок. За то время, что ее спускали с привязи, в кормушке незаметно для собаки хлеб заменили мясом. Собака добежала до кормушки, привычно открыла ее лапой. Мясо! Оно еще вкуснее, чем хлеб! Но собака доли секунды растерянно стоит, не трогая любимую еду. Что произошло?
Гипотеза звучала так: мозг отражает все явления мира, происходящие вокруг; на основе их уловленной закономерности предсказывает вероятностную картину ближайшего будущего и подстраивает к этому прогнозу поступки и действия. А в случае ошибки, несогласования расчетного и реально наступившего будущего мозг отвечает повышением внимания, чтобы разобраться в новой ситуации и снова выработать прогноз ожидаемых событий.
Непрерывная активность, предвосхищение будущего! Предвидение, основанное на вероятности наступления тех событий и появления сигналов той закономерности, связи и сочетания, которые установил мозг на основании анализа предыдущих сообщений и прошлого опыта. И если прогноз достоверен, поступают ожидаемые сигналы и наступают предсказанные ситуации, внимание можно не напрягать: вступают уже подготовленные варианты действий. Но если сообщения не совпадают с ожидаемыми — тревога! Мозг сосредоточен на анализе непредвиденных сведений.
Это длинное описание в миллионы раз длиннее по времени, нежели подлинные действия нейронных структур (они совершаются за мгновения), и преувеличено по тревожности (когда наблюдаешь резкие всплески биотоков, так и напрашиваются авральные сравнения). Но картина эта будничная и правдоподобная, и мозг меняет, очевидно, только длительность сроков, на которые создаются модели ожидаемого будущего.
Значит, мозг должен иметь в составе своих клеток специальные — для составления зашифрованных на язык электрических сигналов моделей вероятностного будущего. Нейрофизиологи стремились обнаружить расстановку, расселение этих клеток-прогнозистов. Инструмент для их поиска — это тончайшая волосковая нить электрода, изолированного по всей длине, кроме кончика, проникающего в одиночную клетку любой области мозга. На экран усиливающего прибора электрод передает непрерывный поток электрических всплесков-импульсов от каждого нейрона в процессе его работы. Искусственно раздражая нейрон через электрод, можно выяснить, по какому департаменту служит он в аппарате мозга.
Клетки попытались делить по «специальности» еще около тридцати лет назад. Это — нейроны зрительных, слуховых, двигательных и других областей «узкого» профиля. К ним вплотную примыкают нейроны-универсалы: они откликаются на разные виды раздражителей (это, возможно, клетки, с помощью которых в едином управляющем аппарате сотрудничают разные системы). Были и клетки-молчальницы, никак не отвечающие на попытки исследователей войти с ними в общение.
А почему б не предположить, что эти нейроны — талантливые имитаторы образов и событий окружающего мира? Это именно к ним поступают все сведения от органов чувств — передовых застав. Они усваивают ритм, характер, закономерности внешних процессов, воспроизводят их действующие модели (до сих пор одна из самых загадочных способностей мозга), прогнозируя тем самым облик ближайшей будущей ситуации. Они сообщают результаты своей работы, вероятностный прогноз другим клеткам — нейронам новизны и внимания. (К слову интересно могут ли исследования в области клеток мозга привести нас к такому прорыву, когда например можно будет изучить английский язык за считанные часы, просто закачав всю нужную информацию прямо в голову, а не прибегая к услугам курсов английского языка http://native-english.com.ua/)
Если модель событий, протекающих в мире, построена верно к вероятностный прогноз совпадает с поступающими данными, нейроны новизны удовлетворенно свернут поданную программу и, немедленно забыв о ней, приступят к следующей. Их волнует лишь новизна — несовпадение между ожиданием и реальностью. Обнаружив несогласование, они бьют тревогу, и все системы мозга устремляются на анализ неувязки.
Так происходит предвосхищение самого ближайшего будущего. Но мозг осуществляет действия, нацеленные и на более далекую вероятную ситуацию. Собака, устремившаяся через комнату к кормушке, готовилась получить хлеб, издалека показанный ей. Вот почему она на мгновение застыла, обнаружив мясо. Сличение модели ожидаемого с реальностью заставило ее немедленно переоценить ситуацию.
Продолжение следует.
Автор: И. Губерман.