Работа мозга при решении когнитивных задач

Головной мозг — один из самых сложных объектов, которые знает человечество и ученые. Это огромная структура, содержащая отдельные структурные элементы — нейроны, обладающие сложным поведением и тесно связанные между собой. Один нейрон в головном мозге человека имеет до 20 тысяч связей с соседними. Связи между нейронами тянутся через весь головной мозг, поэтому так сложно изучить процесс функционирования этой системы. Если обратиться к истории, то мы увидим, что головной мозг долгое время оставался terra incognita («неизвестная земля»). Автор одного из первых медицинских трактатов эпохи Возрождения, который создали во Флоренции, центре мировой науки в XV веке, написал, что раз головной мозг находится сверху человека, то горячая кровь поднимается вверх, а головной мозг служит для ее охлаждения. Дальнейшие исследования доказали ошибочность этой концепции. Головной мозг создан для нагревания крови, потому что 25% энергии, которую потребляет человек, расходуется на головной мозг. Существуют гипотезы, что успех в развитии головного мозга высших приматов и человека связан с тем, что появилась система охлаждения головного мозга, которая позволила усилить количество операций, допустимых для этого биологического компьютера.

Понимание того, как головной мозг обрабатывает информацию и принимает решения, — важная проблема, которая стоит перед современной нейронаукой. С одной стороны, наши искусственные интеллектуальные системы достигли большого прогресса. Ученые научились решать много задач с помощью систем искусственного интеллекта, но непонимание того, как работает головной мозг, сильно тормозит развитие этих систем. Основная особенность нашей психики, работы нашего головного мозга — колоссальная гибкость и вариабельность. Мы легко переключаемся с одной задачи на другую, находим нетривиальные решения.

Если говорить о системах искусственного интеллекта, то существует несколько примеров, где их сравнивают с мозгом. Типичная ситуация — шахматы. Сейчас компьютер обыгрывает даже гроссмейстера в шахматы, но компьютер не создал ни одной какой-то оригинальной партии, красивой шахматной комбинации. Поэтому элемент творчества, нахождения нетривиального решения остается прерогативой естественного интеллекта, а не искусственного.

Второй важный момент — заболевания головного мозга. Здесь отмечают как заболевания, которые возникают в раннем детстве, когда определенные изменения в головном мозге приводят к тому, что ребенок становится другим по сравнению со сверстниками. Работа с таким ребенком, его адаптация к нашему социуму — это сложная задача. Понимание того, как работает мозг, в данном случае имеет колоссальное значение. Другая проблема — заболевания, свойственные пожилым людям. Нейродегенеративные заболевания в связи со старением населения — важная проблема. Разобраться с механизмами работы мозга и тем, как возможно продлить молодость наших когнитивных функций, — одна из задач, которая актуальна в связи с повышением среднего уровня жизни населения.

Одна из концепций изучения мозга, которая мне нравится, — идея того, что для работы мозга необходимо нагружать его простыми когнитивными задачами: например, простая визуальная задача на сортировку стимула, логическая и арифметическая задача. Но это должна быть задача, которая активизирует работу разных областей головного мозга и требует реакции человека на нее. Особенность простых задач в том, что любая сложная задача показывает интерференцию различных процессов в головном мозге, которые смажут понятную картину.

С другой стороны, если рассматривать спокойное состояние мозга (restate), которое часто исследуют в нейронауках, то у нас не будет реакции человека. Мы будем смотреть на спокойную динамику головного мозга, изучая много особенностей, но у нас не будет связки «стимул — обработка в головном мозге — реакция человека на этот стимул». Эта реакция очень важна, потому что человеческая деятельность требует реакции. Если почитать классика нейрофизиологии Ивана Петровича Павлова, то мы заметим, что его концепция условного рефлекса очень понятная: наш мозг реагирует только на стимул, наша нервная система реагирует только на внешние стимулы. Отсутствие стимула — это стимул, который заставляет нас искать воздействия на мозг. Современная нейронаука сильно развилась с начала XX века, но эта связка оказывается чрезвычайно важной.

Следующий этап понимания динамики мозга — анализ его поведения на макроуровне. Если рассматривать решение задач индивидуально у человека, то мы увидим большую вариабельность принятия решений при каждом отдельном случае, при каждом отдельном стимуле. Если взять группу людей, то эта вариабельность начнет увеличиваться, поэтому на эту картину стоит смотреть с точки зрения статистического анализа, чтобы выявить закономерности, которые отражают особенности поведения. Макроскопическая динамика определяется активацией больших областей головного мозга при решении конкретных задач. Важную роль здесь играют несколько факторов. Первый фактор — степень нашего понимания того, сосредоточена активность мозга при решении задачи в одном полушарии, в другом полушарии либо она сосредоточена во всем головном мозге. Второй фактор — место размещения центра активности и их количество (например, затылочная и лобная область головного мозга). Третий фактор — в каком частотном диапазоне мы наблюдаем активность. Головной мозг работает на выделенных частотах. Это дельта-волны — примерно 2–4 герца, тета-волны — от 6 до 8 герц, альфа-диапазон частот — от 8 до 12 герц, бета-волны— от 15 до 40 герц. Выше уже гамма-диапазон. Анализируя поведение мозга в этих частотных диапазонах с помощью различных методов нейровизуализации, создают карты активности головного мозга, которые позволяют понять функционирование мозга при решении задач у людей с хорошим здоровьем. Затем можно отследить активность при решении той же задачи у людей с нарушенным кровообращением головного мозга. Если правильно поставить эксперимент, выбрать задачи и учесть другие трудности, мы можем найти определенные различия в динамике мозга. С такими данными нам станет понятно, какие части головного мозга не активируются при том или ином заболевании.

После анализа полученных данных возникает вопрос о вариантах решения этих проблем. Например, это могут быть фармацевтические средства или системы с биологической обратной связью. Главная идея в том, что функционирование головного мозга можно расшифровывать на макроуровне. Мне кажется, такой подход работает, потому что есть теория, которая описывает поведение мозга с такой позиции, — теория глобального рабочего пространства головного мозга (англ. Global workspace theory). Согласно этой теории, кора головного мозга представляет собой универсальную вычислительную среду, в которой разные задачи закреплены за разными областями, но при отсутствии ресурсов мозг может перебросить эту задачу на другую область. В итоге получается карта активности головного мозга, которая соответствует разным задачам. В перспективе такая карта может стать средством понимания работы мозга с таких фундаментальных позиций. Другое применение карты активностей связано с контролируемым вмешательством в работу головного мозга для исправления дегенеративных проблем. Вполне вероятно, что в перспективе мы сможем решать и психические проблемы человека с использованием нейротехнологий.