Як мозок передбачає майбутнє
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У Монте-Карло, знаменитому гральними будинками, виходить єдина, ймовірно, у світі газета, яка складається з одних цифр. Вранці її жадібно читають люди з сірими від безсоння обличчями. Колонки цифр – це дані про вчорашні виграші, номери полів, проти яких застигало вибагливе колесо рулетки. Аналізуючи їх, гравці намагаються вгадати закономірність щастя – номери сьогоднішніх, а можливо, і завтрашніх полів. Цікаво, що саме ці спроби передбачити щасливу вдачу згадуються при знайомстві з останніми роботами дослідників мозку.
… У спеціальній камері знаходиться хтось із звичайних піддослідних. Список цей невеликий: мавпа, кішка, собака, пацюк або кролик. Спалах світла – піддослідний насторожується; звук – та ж реакція. Працює орієнтовний рефлекс (Павлов називав його реакцією: «Що таке?»), без якого жодна жива істота не змогла б уберегтися від несподіваної небезпеки.
Спалахи слідують один за одним, і через три-чотири повтори піддослідний втрачає до них інтерес. Але от спалах трохи змінився – і знову він привертає увагу. Відвернемося ненадовго для істотного відступу, бо слова «увага», «насторожився», «втратив інтерес» дуже неточні. Сьогодні жоден психолог не став би довіряти їм, не маючи об’єктивних даних, які підтверджуються приладом доказів того, що піддослідний «насторожився», «напружився» або «байдужий». А докази існують.
Більш дев’яносто років тому, німецький психіатр Бергер доклав до голови людини тонкі металеві пластини, з’єднав їх з чутливим гальванометром і виявив якісь електричні хвилі нікчемної величини. Тепер-то багато хто знає, що нервові клітини мозку, нейрони – крихітні генератори електричних імпульсів, а тоді відкриття цього сумарного електричного шуму мільярдів клітин здалося Бергеру явищем хоча і цікавим, але швидше за все безперспективним. У всякому разі, він повідомив про це лише через п’ять років. До того часу Бергер виявив, що за формою кривих цих струмів можна визначити, спить або не спить людина, що, крім безладних сплесків, можна виділити якісь регулярні коливання. Електричні струми мозку лежали у нижній межі чутливості тодішніх приладів.
В кінці 30-х років минулого століття з’явилися потужні підсилювачі, і цілком зрозумілий, досі не пересохлий ентузіазм нейрофізіологів породив потік досліджень: список книг і статей, присвячених змінам біострумів мозку, складає вже том в 10 тисяч назв.
І хоча найбільш нетерплячим здавалося, що до повної розшифровки механізму роботи мозку залишилося зовсім небагато, сумне «на жаль!» свідчить, що це не зовсім так. У різноголосому хорі мільярдів нейронів можна виділити повторюваний мотив – електричні хвилі з частотою 8-12 коливань в секунду. Це так званий альфа-ритм. Є кілька інших явно помітних мотивів, але їх призначення і роль ще проблематичні, а поява і зникнення альфа-ритму фіксувалася вченими всього світу в абсолютно однакових обставин. Якщо увага господаря мозку ні на що не націлена, нейрони зливають свої голоси в єдиному коливальному ритмі. Варто ж виникнути орієнтовній реакції – і альфа-ритм зникає.
Так з’явилася можливість об’єктивно відзначати – розсіяна або зосереджена спостережна служба мозку. А тепер повернімося до кішки, що сидить у клітці. Від голови її тягнуться тонкі проводи, а на екрані приладу струмують хвилі спокою.
Спалах! Альфа-ритм зникає. Ще один! Третій, четвертий. На екрані знову з’явилися повільні хвилі альфа-ритму. Кішка заспокоїлася: спалахи не загрожують їй і більше не цікавлять тварину.
Але ось зміна: спалах став трохи яскравіше або трохи слабкіше або змінився проміжок часу між двома спалахами. Кішка знову насторожилася. На що вона реагує? Міняли яскравість, розмір, колір джерела світла, його положення, і на кожну зміну слідувала орієнтовна реакція. Сигнали посилювали, послаблювали, укорочували, міняли інтервали між ними, перемежали іншими сигналами. І що ж? Після повторів тварина заспокоювалася і реагувала знову тільки на одну якість. На яку?
…Одного разу полонених вивели довбати лід, і кілька сот людей опинилися на узліссі під охороною двох вартових з кулеметами, що розмістилися на вишках. Вишки стояли на вузькій сніжній галявині, яка відділяла зледенілий покинутий аеродром від лісу. Незабаром вартові задрімали, не звертаючи уваги на стук сотень ломів об лід. І тоді двоє полонених, переглянувшись, поповзли через галявину. Друзі їх, як зачаровані, дивилися то на вишки, то на двох втікачів, і ломи їх тепер машинально стукали об лід в такт. Вартові прокинулися миттєво.
Мозок негайно реагує на одну якість будь-якого подразника – на новизну, на яку-небудь, нехай навіть незначну на сильному звичному тлі зміну в цьому подразнику.
До таких висновків прийшов один з дослідників мозку професор Московського університету Є. М. Соколов, чиї досліди над нейронами описувалися вище. Лаборант відкрив кормушку і здалека показав собаці покладений туди апетитний шматок хліба. Кормушку зачинили. Собака облизнулася і туго натягнула поводок. За той час, що її спускали з прив’язі, в кормушці непомітно для собаки хліб замінили м’ясом. Собака добігла до кормушки, звично відкрила її лапою. М’ясо! Воно ще смачніше, ніж хліб! Але собака частку секунди розгублено стоїть, не чіпаючи улюблену їжу. Що сталося?
Гіпотеза звучала так: мозок відображає всі явища світу, що відбуваються навколо; на основі їх вловимої закономірності пророкує вірогідну картину найближчого майбутнього і підлаштовує до цього прогнозу вчинки і дії. А в разі помилки, неузгодженості розрахункового та реального майбутнього мозок відповідає підвищенням уваги, щоб розібратися в новій ситуації і знову виробити прогноз очікуваних подій.
Безперервна активність, передбачення майбутнього! Передбачення, засноване на ймовірності настання тих подій і появи сигналів тієї закономірності, зв’язки і поєднання, які встановив мозок на підставі аналізу попередніх повідомлень і минулого досвіду. І якщо прогноз достовірний, надходять очікувані сигнали і наступають передбачені ситуації, увагу можна не напружувати: вступають вже підготовлені варіанти дій. Але якщо повідомлення не збігаються з очікуваними – тривога! Мозок зосереджений на аналізі непередбачених відомостей.
Це довгий опис в мільйони разів довше за часом, ніж справжні дії нейронних структур (вони відбуваються за миті), і перебільшені по тривожності (коли спостерігаєш різкі сплески біострумів, так і авральні порівняння). Але картина ця буденна і правдоподібна, і мозок змінює, очевидно, тільки тривалість термінів, за які створюються моделі очікуваного майбутнього.
Значить, мозок повинен мати в складі своїх клітин спеціальні – для складання зашифрованих на мову електричних сигналів моделей імовірнісного майбутнього. Нейрофізіологи прагнули виявити розстановку, розселення цих клітин-прогнозистів. Інструмент для їх пошуку – це найтонша волоскова нитка електрода, ізольованого по всій довжині, крім кінчика, проникаючого в одиночну клітину будь-якої області мозку. На екран підсилюючого приладу електрод передає безперервний потік електричних сплесків-імпульсів від кожного нейрона в процесі його роботи. Штучно дратуючи нейрон через електрод, можна з’ясувати, за яким департаментом служить він в апараті мозку.
Клітини спробували ділити по «спеціальності» ще близько тридцяти років тому. Це – нейрони зорових, слухових, рухових та інших областей «вузького» профілю. До них впритул примикають нейрони-універсали: вони відгукуються на різні види подразників (це, можливо, клітини, за допомогою яких в єдиному керуючому апараті співпрацюють різні системи). Були і клітини-молчальниці, що ніяк не відповідають на спроби дослідників увійти з ними в спілкування.
А чому б не допустити, що ці нейрони – талановиті імітатори образів і подій навколишнього світу? Це саме до них надходять всі відомості від органів чуття – передових застав. Вони засвоюють ритм, характер, закономірності зовнішніх процесів, відтворюють їх діючі моделі (досі одна з найзагадковіших здібностей мозку), прогнозуючи тим самим вигляд найближчої майбутньої ситуації. Вони повідомляють результати своєї роботи, імовірнісний прогноз іншим клітинам – нейронам новизни й уваги.
Якщо модель подій, що протікають в світі, побудована вірно, імовірнісний прогноз збігається з вступними даними, нейрони новизни задоволено згорнуть подану програму і, негайно забувши про неї, приступлять до наступної. Їх хвилює лише новизна – розбіжність між очікуванням і реальністю. Виявивши неузгодженість, вони б’ють тривогу, і всі системи мозку спрямовуються на аналіз неув’язки.
Так відбувається передбачення самого найближчого майбутнього. Але мозок здійснює дії, націлені і на більш далеку ймовірну ситуацію. Собака, що прямує через кімнату до кормушки, готувалася отримати хліб, здалеку показаний їй. Ось чому вона на мить застигла, виявивши м’ясо. Звірення моделі очікуваного з реальністю змусило її негайно переоцінити ситуацію.
Далі буде.
Автор: І. Губерман.