Физиологические основы сознания
МЕХАНИЗМЫ ОЩУЩЕНИЙ
Сознание - важнейшая функция мозга. По сути, это и есть наша жизнь, состоящая из череды впечатлений, мыслей и чувств. Но насколько правомерно объяснить движением нервных импульсов то, что мы ощущаем как цвет, звук, эмоцию? Несмотря на видимую сложность, эта загадка природы по методологической трудности не уникальна и стоит в ряду других тайн мироздания. Можно выделить два основных подхода к поиску мозговых механизмов сознания, не исключающих, а взаимно дополняющих друг друга. Один из них - представление о том, что субъективный опыт возникает на основе поступательного распространения возбуждения от первичных зон коры больших полушарий мозга к структурам более высокого уровня, к которым, прежде всего, относится лобная кора. Она обладает тремя уникальными свойствами: способностью к оперированию абстрактными символами, запоминанию временной последовательности происходящих событий и наличием центров речи. Эти три качества непосредственно соотносятся с признаками сознания.
В этой работе мы сопоставили количественные показатели, описывающие ответ на поступивший сигнал. Участник эксперимента решал задачу различения интенсивности двух близких по силе раздражителей (в одной серии - зрительных, в другой - кожных). В ходе опыта фиксировали активность мозга в виде так называемых вызванных потенциалов (ВП), иными словами - электрическую реакцию на вновь поступивший от органов чувств сигнал. Она представляет собой сложное по форме колебание, состоящее из ряда последовательных компонентов. Важно было понять, какие информационные процессы мозга они отражают. Предыдущими исследованиями установлено: ранние компоненты ВП отражают в основном физические параметры стимула, а поздние - его значимость. Для определения количественных параметров ощущений использовали методы теории обнаружения сигнала, рассматривающей восприятие как результат взаимодействия сенсорных и мотивационных факторов.
Получив соответствующие данные, мы вычислили соотношения, корреляции между ними. Наиболее существенной оказалась взаимозависимость промежуточных волн вызванных потенциалов с обоими факторами восприятия: показателем сенсорной чувствительности и критерием решения. Эта двойная корреляция отражала, таким образом, синтез информации о физических и сигнальных свойствах стимула на нейронах так называемой проекционной коры, куда поступают сигналы от органов чувств. Пиковая латентностъ (время от момента воздействия раздражителя до появления ответной реакции) волн вызванных потенциалов составила около 150 мс.
Принципиально важно, что этот временной интервал достаточно точно совпал со скоростью возникновения ощущений, впервые измеренной еще в 20-30-е годы XX в. в психофизических опытах с использованием феномена «обратной маскировки». Суть ее в следующем: если после первого слабого стимула через короткий интервал следует второй, более сильный, первый сигнал не воспринимается. Постепенно увеличивая паузу между слабым и сильным (маскирующим) сигналами, можно найти интервал, при котором маскирующий эффект исчезает, так как ощущение на первый сигнал уже сформировано. Было установлено: ощущение появляется примерно через 150 мс после действия стимула. Наиболее же достоверные данные (кстати, близкие к приведенным выше) мы получили в начале 1990-х годов, когда в качестве маскирующего сигнала использовали прямую стимуляцию коры коротким магнитным импульсом. При этом эффект маскировки возникал лишь в случае приложения магнитного импульса к проекционной (в данном случае зрительной) коре, т.е. только там, где наблюдалась описанная выше двойная корреляция волн вызванных потенциалов с показателями восприятия. Все эти данные свидетельствовали: ощущение возникает значительно позднее прихода сенсорных импульсов в кору, что занимает всего около 30 мс. Следовательно, ощущение - результат сложной организации нервных процессов, которая и была нами исследована.
Основываясь на данных о физиологическом генезе волн вызванного потенциала, мы описали механизм, обеспечивающий синтез информации. Он включал кольцевое движение возбуждения из проекционной коры в ассоциативную (височную для зрительных стимулов), затем в область гиппокампа (Гиппокамп - структура головного мозга в основании височной доли полушарий; входит в состав лимбической системы; участвует в эмоциональных реакциях и механизмах памяти (прим. ред.). и мотивационные центры промежуточного мозга с последующим возвратом в кору. Этот цикл мы определили как «круг ощущений». Он позволяет сравнивать сенсорный сигнал со сведениями, извлеченными из памяти, что предположительно лежит в основе перехода физиологического процесса на уровень психического, субъективного переживания. В итоге возникшее ощущение не только точно передает физические характеристики стимула, но и эмоционально окрашено. Описанная концепция получила название гипотезы информационного синтеза. В последующие годы она нашла подтверждение во многих исследованиях. Независимо от нас сходные положения высказал американский ученый Джералд Эдельман (нобелевский лауреат 1972 г. за описание структуры антител), разработавший нейробиологическую теорию сознания (в основе ее лежит идея «повторного входа»).
Помимо информационного синтеза возврат возбуждения в кору обеспечивает и интеграцию отдельных признаков стимула в единый образ. Важную роль в последнем процессе играет гамма-ритм электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с частотой около 40 Гц. Синхронизация биопотенциалов мозга на определенном ритме способствует объединению нейросетей в единую систему, что необходимо для поддержания сознания.
Ощущение - достаточно простой психический феномен, отдельные авторы относят его к так называемому «первичному сознанию». К тому же классу можно причислить и эмоции - в их познание большой вклад внес академик Павел Симонов (1926-2002), многие годы стоявший во главе нашего института. Он первым предложил формулу эмоции, согласно которой ее сила пропорциональна потребности, умноженной на разность между сведениями, имеющимися у индивидуума, и информацией, необходимой для удовлетворения данной потребности. Из формулы Симонова следует, что эмоции, как и ощущения, возникают в результате сравнения двух информационных потоков. Значит, здесь действует определенная универсальная закономерность.
Более сложные психические феномены, в первую очередь связанные с появлением речи, относят к сознанию высшего порядка. В исследование таких функций мозга, как мышление, значительный вклад внесли труды академика Натальи Бехтеревой и ее учеников, начатые в 60-х годах XX в. и успешно развивающиеся до настоящего времени.
Современные данные показывают: кора высоко специализирована, и разные ее поля отвечают за различные когнитивные операции. Поэтому существенную роль в процессе мышления приобретают корковые связи, а их возникновению способствует согласование ритмов работы нейронных ансамблей. Последнее положение было выдвинуто отечественной нейрофизиологической школой. В 1930-е годы академик Алексей Ухтомский высказал мысль о том, что нервная связь облегчается, когда нервные ансамбли работают на одной частоте. Позднее (1950-1980 гг.) академик Михаил Ливанов и академик АМН СССР Владимир Русинов показали, что синхронизация ритмов ЭЭГ может рассматриваться как условие и показатель возникновения корковых связей.
При разработке нового метода их картирования мы опирались на эти идеи. При этом использовали задачи на образное, пространственное и абстрактно-вербальное мышление. Проводили многоканальные записи ЭЭГ в период между предъявлением задачи на экране монитора и нахождением решения. Выяснилось: симметричный в покое рисунок связей в процессе поиска ответа изменялся - они начинали сходиться к определенным полям коры, образуя центры связей, названные фокусами взаимодействия. Их топография различна при разных видах мышления: при образном мышлении (опознание эмоций на фотографиях лица) фокусы локализовались в теменно-височной коре, при абстрактно-вербальном (на примере решения анаграмм или категоризации слов) - в лобной, а при пространственном, включающем элементы как образного, так и абстрактного мышления, - в теменной и лобной областях коры.
Было установлено также, что информация поступает к фокусам по поддерживаемым на разных частотах гибким связям, причем каждая из них несет информацию из отделов коры, имеющих свою специализацию. В фокусе, где нейронные группы соединены жесткими связями, эта информация синтезируется, вследствие чего, вероятно, и достигается решение. Тем самым идея информационного синтеза с описания механизма ощущений была распространена и на мышление. Надо отметить, что в организации сопровождающих их нервных процессов есть различия: вместо двух информационных потоков при ощущении при мышлении их число значительно больше. Сюда относятся сигналы от органов чувств, из оперативной и долговременной памяти и - очень важно! - из центров мотивации. Другое отличие: центры синтеза при мышлении находятся в ассоциативной, а не в проекционной, как при возникновении ощущений, коре. Интересно также, что при всех видах задач на последнем этапе решения фокусы возникали в речевой левой височной области. Стало быть, вербализация - важный компонент мышления. В этом смысле можно говорить о конвергенции двух подходов к решению проблемы «сознание и мозг» - психическое возникает на основе определенной организации нервных процессов, захватывающей и некоторые ключевые области лобной коры.
Важная роль связей между лобной и левой височной корой в вербальном мышлении и понимании словосочетаний, образующих предложение, выявлена в наших совместных исследованиях с Институтом психологии Университета штата Орегон, возглавляемом членом Национальной академии наук США Майклом Познером. Наша задача в этой работе состояла в изучении картины корковых связей. С помощью метода позитронно-эмиссионной томографии и вызванных потенциалов мозга была показана роль лобной коры в расшифровке семантики слова. Это существенно дополнило классические представления о том, что его значение определяется в левой височной коре (зона Вернике). В то же время доказано: в объединении нескольких слов в единую смысловую конструкцию задействованы связи лобной коры и височной зоны.
ДЕКЛАРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ И ВНИМАНИЕ
Важное свойство сознания - способность к запоминанию и воспроизведению последовательности событий. В исследовании механизмов человеческой памяти в последние годы достигнут значительный прогресс. Работами ряда отечественных и американских нейрофизиологов установлена роль структур гиппокампа, расположенных внутри височных отделов полушарий, в оперативной памяти. Эти образования имеют обширные связи как между собой, так и с сенсорными и ассоциативными отделами коры. Значит, при запоминании они направляют сигнал в ассоциативную кору для длительного хранения, а при воспроизведении указывают адрес, где хранится связанная с поступившим сигналом информация.
Повреждение гиппокампа приводит к нарушению декларативной памяти - она представляет собой осознаваемую память о событиях, сведения о которых могут быть переданы другим лицам. Больные с указанной патологией способны хорошо учиться в школе и иметь высокий интеллектуальный коэффициент, но они беспомощны в повседневной жизни, поскольку не помнят последовательности событий, не ориентируются во времени, не могут составить план на будущее. Этот дефект проявляется только с 5-6-летнего возраста, когда здоровый человек начинает себя помнить.
Наряду с гаппокампом в запоминании последовательности событий участвует и лобная кора. Там находятся группы нейронов, способные сохранять след от действовавшего сигнала до того момента, когда необходимо дать поведенческий ответ на него.
Сознание тесно связано и со вниманием: осознается только то, на что обращается внимание. Мы показали: роль памяти существенна в механизмах избирательного вербального внимания, когда человек воспринимает и реагирует лишь на определенный класс сигналов, выделяя их из массы других. Например, требуется поддерживать диалог с собеседником, выделяя его речь из других разговоров и зрительных ощущений и образов. В работе использовали запись вызванных потенциалов мозга на слова, одновременно предъявлявшиеся на экране монитора и звучавшие из компьютерных колонок. Задача испытуемого - запомнить как можно больше слов, поступавших по одному из каналов, игнорируя другие. Запоминание и извлечение вербальной информации имеет электрофизиологическое выражение в виде «когнитивных» компонентов вызванного потенциала с латентностью 400-700 мс. ВП на игнорируемый сигнал характеризовался сдвигом потенциала, обратным по полярности тому, что имеет место при запоминании - это свидетельствовало об активном торможении процессов памяти. Отсюда вывод: избирательность внимания обеспечивается тем, что ненужная информация хотя и воспринимается - компоненты ВП, ответственные за это, сохранены, человек слышит и видит слово, - но затем блокируется и вытесняется из сознания.
Подведем итог представлениям о возможных механизмах сознания. Фундаментальный принцип - возврат возбуждения к местам первоначальных проекций, обеспечивающий информационный синтез; в формировании абстрактных представлений и речи велика роль лобной коры; медиобазальные отделы височной области полушарий важны для поддержания декларативной памяти и обеспечения процессов избирательного внимания. Сопоставление вновь поступившей информации с прошлыми переживаниями определяет содержание сознания как постоянную корректировку личного опыта и того, что можно назвать чувством внутреннего «я». В основе сознания лежит, таким образом, идея обновления, придающего жизни высший смысл и определяющего постоянное стремление человека к новизне.
В какой же мере знания о механизмах мышления и сознания человека могут быть востребованы при создании искусственного интеллекта? Ведь его разработка возможна и без использования принципов функционирования мозга, как, например, конструкция автомобиля не имитирует естественные методы передвижения человека в виде ходьбы или бега. Есть, однако, причина, по которой накопленные знания могут оказаться полезными. По многим важным параметрам мозг превосходит искусственные вычислительные устройства: он более надежен, экономичен и легко обучаем. В устройстве мозга и компьютера много существенных различий. Мозг не имеет центрального процессора, оперирующего четкими сигналами и обрабатывающего их по заданным программам. Напротив, он получает, как правило, недостаточно определенные сигналы - оценка их во многом зависит от контекста, и сам создает программы в результате обучения. Наряду с жесткими связями мозг использует и гибкие, образуемые на основе синхронизации ритмов деятельности нейронных ансамблей, благодаря чему он эффективно осуществляет поиск нужной информации, что лежит в основе ассоциативной памяти. Этот поиск включает в себя и элементы эвристики, неожиданных, но полезных решений.
Находка эволюции - принцип возврата информации к месту первоначальных проекций: вновь поступившие сведения сопоставляются с хранимыми в памяти. В мышлении механизм информационного синтеза получает наибольшее развитие. Как уже говорилось, в коре при этом возникают центры связей - фокусы взаимодействия, принимающие информацию из других отделов и синтезирующие ее. Данное положение указывает на существенный и неиспользуемый в большинстве искусственных нейросетей прием: нейронные сети мозга не гомогенны, а построены по иерархическому принципу.
Высшие функции мозга возникают, таким образом, на основе высокой степени интеграции специализированных звеньев в единую систему, представляющую собой более высокий уровень организации и обладающую поэтому иной логикой и закономерностями саморазвития. Эти законы способны в порядке нисходящей детерминации влиять на происходящие в отдельных звеньях системы процессы. Скажем, логика и грамматика речи могут управлять движением нервных импульсов, ответственных за артикуляцию. Отсутствие подобной нисходящей детерминации от общего к частному существенно отличает компьютер от живого мозга. По существу, видением общей задачи обладает лишь программист, а не центральный процессор.
Главное же различие между мозгом и компьютером, по мнению известного британского физика и математика Роджера Пенроуза, в том, что мозг обладает «пониманием», а компьютер его лишен. Почему же животное, например кошка, понимает, а компьютер - совершенное создание высокого интеллекта - нет? Представляется, что понимание возникает в результате подкрепления, т.е. на основе развития в эволюции такого фундаментального принципа работы мозга, как условный рефлекс, связывающий внешний стимул и ответные действия субъекта с удовлетворением потребности. Понимание имеет высокий жизненный смысл. В естественных условиях животное учится производить определенные действия для удовлетворения той или иной потребности, т.е. начинает понимать связь внешних событий, своего поведения и достижения желаемого результата. На этом основана и дрессировка: чтобы научить собаку выполнять (понимать) определенные команды, дрессировщик использует подкрепление в виде пищи или наказания. По существу, все это изначально относится и к человеку, практически его поведение основано на тех же принципах. Скажем, хороший работник имеет более высокую зарплату, а нерадивого штрафуют, герой получает награду, а преступника сажают в тюрьму. Заметим, что на этом основана и рыночная экономика, которая показала свою высокую эффективность.
Для обоснования своих взглядов Пенроуз использует теорему Гёделя о невозможности доказать вычислением правильность основных действий арифметики, например, 1 + 1=2. Но живое существо в этом убеждается, когда получает, допустим, два банана, добавляя в результате тех или иных действий к первому объекту второй. Причем, понимание сущности удвоения (или сложения вообще) возникает в эволюции раньше умения считать. Интересен случай, когда коренной житель севера не знал, сколько у него оленей, однако легко мог перечислить их по признакам. Ребенок может перебрать в памяти всех окружающих его людей или свои игрушки, хотя еще не знает счета.
Таким образом, подкрепление показывает, верно ли поведение или ошибочно. И собственно информационная составляющая в виде вычислений, и показатель ее правильности поступают по разным каналам, являясь в известной степени ортогональными. Два компонента «понимания» могут быть представлены сенсорным сигналом и импульсами из мотивационных центров, которые, как говорилось выше, присутствуют при переходе чисто физиологического процесса в психический. Импульсы из центров мотивации первично непосредственно сигнализируют об удовлетворении потребности. Впоследствии их также можно включить в систему вычислений, оценивающую успешность продвижения к цели и выдающую команду, когда достигается приемлемая в данной ситуации вероятность получения полезного результата. Мотивационная составляющая выступает здесь как аксиома и завершает вычисления. Аксиоматичность подкрепления базируется на знаковой оценке полезности или вреда, воспринимаемой как не требующей доказательств. Мозг вынужден действовать по методу проб и ошибок и учиться на них, поскольку реальные жизненные условия настолько сложны, что их практически невозможно просчитать до конца.
Итак, мозг во многом работает не так, как компьютер. Тем более существенна задача органического соединения мозга с компьютером, интерфейса между ними. Наметились два пути решения этой проблемы. Один из шв - использование прямых сигналов мозга для управлении внешними устройствами. Например, созданы системы позволяющие набирать текст на экране монитора, используя электрические сигналы мозга.
Успешно работает в этом направлении академик Игорь Шевелев. В его опытах испытуемому показывали наборы букв, и на нужные мозг отвечал увеличенной волной вызванного потенциала. В перспективе - управление движением инвалидной коляски, а затем и решение более сложных задач. Другая область поиска - создание систем, которые позволяли бы по ЭЭГ или другим показателям проникнуть в содержание мозговых процессов.
Сотрудники нашей лаборатории разработали технологию распознавания типа совершаемой в уме мысленной операции по рисунку ЭЭГ. В этих опытах испытуемый решал задачи двух типов: на пространственное и вербально-логическое мышление. В процессе решения записывалась электроэнцефалограмма. Искусственная нейросеть (обучаемая компьютерная программа, как бы имитирующая работу нервных сетей) запоминала все комбинации спектров ЭЭГ по их топографии, частоте и амплитуде. Оказалось, что такие комбинации спектральных характеристик весьма устойчивы при решении задач определенного типа. Поэтому обученная нейросеть на других примерах могла распознавать тип решаемой человеком в данный момент мысленной задачи. Ясно, что такая разработка может найти применение при объективном автоматическом мониторинге, например, действий операторов сложных систем и принимаемых ими решений.
Не будет преувеличением сказать, что тот, кто соединит мозг и компьютер, научит искусственный разум работать вместе с мозгом, обогатив его надежной памятью и совершенными вычислениями, получит решающее преимущество в развитии современных технологий, определит развитие научно-технического прогресса в XXI в., обеспечит надежную оборону.
Мы еще многое не знаем о работе мозга, особенно о том, что лежит в основе его высших функций и человеческого сознания. Тем не менее, прогресс в этой области очевиден. Оптимистичны и рекомендации, которые наука о мозге может дать создателям искусственного интеллекта. И мозг, и компьютер находятся в физическом мире и подчиняются его законам. Никакой из перечисленных выше принципов работы мозга не выходит за эти рамки и поэтому может быть воспроизведен и усовершенствован в устройствах, созданных человеком.