Эволюция разума
Шрифт:
Ключевая роль таламуса в сосредоточении внимания связана с использованием данных, структурированных в новой коре. Таламус применяет хранящийся в новой коре список, позволяющий нам думать в определенном направлении или следовать определенному плану действий. Как показали исследования нейробиологов из Института обучения и памяти имени Пиковера при Массачусетском технологическом институте, наша рабочая память способна одновременно удерживать четыре вопроса — по два в каждой полусфере мозга [66] . Пока еще неясно, руководит ли таламус новой корой или наоборот, но для нормального функционирования нужны оба отдела.
66
Timothy J. Buschman, Markus Siegel, Jefferson E. Roy, Earl K. Miller. Neural substrates of cognitive capacity limitations. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, vol. 108 (27): 11 252-11255.
Гиппокамп
В каждом полушарии мозга содержится
Гиппокамп запоминает эти ситуации, хотя, по-видимому, делает это с помощью отсылок к новой коре. Таким образом, сохраняемые в гиппокампе воспоминания также фиксируются в новой коре в виде образов низкого порядка. У животных, не имеющих новой коры, при модуляции чувственного опыта гиппокамп просто запоминает поступающую сенсорную информацию, которая, однако, подвергается предварительной обработке (например, в зрительном нерве).
Хотя гиппокамп использует новую кору (если она есть) в качестве сверхоперативной памяти, его собственная память (отсылки к новой коре) не имеет иерархического строения. Таким образом, животные, не имеющие новой коры, также могут запоминать информацию с помощью гиппокампа, но их воспоминания не являются иерархическими.
Емкость гиппокампа ограничена, поэтому хранящиеся в нем воспоминания недолговечны. Гиппокамп отсылает определенные последовательности образов на долгосрочное хранение, вновь и вновь переправляя их в новую кору. Таким образом, гиппокамп нужен нам для запоминания новых данных и нового опыта (хотя исключительно моторные функции, по-видимому, усваиваются другим путем). Человек с двусторонними повреждениями гиппокампа сохранит имеющиеся воспоминания, но не сможет усваивать новый материал.
Нейробиолог Теодор Бергер и его коллеги из Университета Южной Калифорнии создали модель гиппокампа крысы и успешно провели эксперименты по имплантации искусственного гиппокампа. В статье, опубликованной в 2011 г., они описали блокирование определенных навыков крыс с помощью лекарственных препаратов. Используя искусственный гиппокамп, крысы быстро вновь обучались утерянным навыкам. Описывая возможность контроля имплантированного органа, Бергер писал: «Когда переключатель включен, крысы вспоминают; когда он выключен, они забывают». В другом эксперименте искусственный гиппокамп работал одновременно с настоящим. В результате повысилась способность крыс воспринимать новую информацию. Бергер писал: «Эти комплексные экспериментальные модели впервые показали, что… нейронные имплантаты способны в реальном времени идентифицировать процесс кодирования и манипулировать им, восстанавливая и даже улучшая когнитивные мнемонические процессы» [67] . Гиппокамп — из тех отделов мозга, которые в первую очередь повреждаются при болезни Альцгеймера, поэтому одна из целей данного исследования заключается в создании нейронных имплантатов, которые могли бы сглаживать первую фазу повреждений в ходе развития заболевания.
67
Theodore W. Berger, Robert E. Hampson, Don Song, Anushka Goonawardena, Vasilis Z. Marmarelis and Sam A. Deadwyler, A cortical neural prosthesis for restoring and enhancing memory, Journal of Neural Engineering, 2011, vol. 8 (4).
Мозжечок
Есть два способа поймать летящий мяч. Можно одновременно решить комплекс уравнений, описывающих поведение мяча, наклон вашего тела в соответствии с положением мяча и движения вашего тела, плеча и руки в пространстве и во времени.
Головной мозг использует другой подход. Он упрощает проблему, сводя множество уравнений к простой экспериментальной модели, исследуя лишь пространство, в котором мяч оказывается в поле нашего зрения, и скорость его перемещения. Тем же способом он контролирует и движение руки, делая в основном линейные предсказания относительно положения мяча и руки. Цель заключается в том, чтобы рука и мяч встретились в какое-то время в каком-то месте. Если кажется, что мяч движется слишком быстро, а рука чересчур медленно, мозг заставит руку двигаться быстрее навстречу мячу. Такое разрешение Гордиева узла сложных математических проблем называют «основными функциями» мозга, и происходит этот процесс в мозжечке — области мозга размером с кулак, расположенной в основании ствола мозга [68] .
68
Базисные функции — это нелинейные функции, которые можно комбинировать линейным способом (путем суммирования нескольких функций) для аппроксимации любой нелинейной функции. Pouget and Snyder, Computational approaches to sensorimotor transformations, Nature Neuroscience 2000, 3 (11): 1192–1198.
Мозжечок — отдел старого мозга, который когда-то контролировал практически все движения гоминидов. Он по-прежнему содержит половину всех нейронов мозга, но поскольку основная часть из них — сравнительно небольшие нейроны, на мозжечок приходится лишь около 10 % всей массы мозга. Это еще один отдел, характеризующийся повторяемостью своих структур. Мы мало знаем о том, как строение мозжечка закодировано в геноме, поскольку он представляет собой сочетание
69
Bloedel, J. R. Functional heterogeneity with structural homogeneity: How does the cerebellum operate? Behav. Brain Sci. 1992, vol. 15,666–678.
Со временем новая кора взяла под свой контроль большую часть нашей мышечной деятельности, используя тот же алгоритм распознавания образов, который она применяет для узнавания и обучения. Функцию новой коры при выполнении движений мы вправе называть реализацией образов. Новая кора использует хранящиеся в мозжечке воспоминания для записи тонких набросков движений, таких как подпись или характерные элементы художественной манеры в музыке или танце. Изучение роли мозжечка в обучении детей письму показало, что клетки Пуркинье в мозжечке контролируют последовательность движений, причем каждая клетка чувствительна к определенной последовательности [70] . Поскольку большая часть наших движений теперь контролируется новой корой, даже довольно серьезные повреждения мозжечка приводят лишь к незначительной неловкости или неточности движений.
70
S. Grossberg and R. W. Paine, A Neural Model of Cortico-Cerebellar Interactions During Attentive Imitation and Predictive Learning of Sequential Handwriting Movements, Neural Networks, 2000, 13(8–9): 999–1046.
Новая кора также может обращаться к мозжечку за помощью для расчета основных функций в реальном времени, чтобы предсказать результат действий, которые мы никогда не делали, но собираемся совершить, а также реальных или возможных действий других людей. Это еще один пример врожденной предсказательной способности мозга.
Ученые достигли значительных успехов в моделировании поведения мозжечка, а именно его способности динамическим образом реагировать на сенсорные стимулы, используя те основные функции, о которых я говорил выше, как в восходящих (биохимических) моделях, так и в нисходящих моделях, основанных на математических расчетах функции всех повторяющихся единиц мозжечка [71] .
71
Javier F. Medina and Michael D. Mauk, Computer simulation of cerebellar information processing. Nature Neuroscience Supplement. Volume 3, November 2000.
Удовольствие и страх
Страх — главный источник суеверий и один из основных источников жестокости. Преодоление страха — начало премудрости.
Бойся… но действуй!
Итак, новая кора хороша для решения различных проблем, но что же является нашей главной проблемой? Проблема, которую всегда приходилось решать в ходе эволюции, заключается в выживании вида. А выживание вида подразумевает выживание каждого из нас, и каждый из нас использует свою новую кору, чтобы интерпретировать эту задачу миллиардами разных способов. Животным для выживания нужно добывать себе пищу и при этом не стать пищей для кого-нибудь другого. А еще им необходимо воспроизводиться. Уже на самых ранних этапах эволюции мозга возникли ощущения удовольствия и страха, которые способствовали реализации этих важнейших целей и сопутствующих им задач. Постепенное изменение среды и конкурирующих видов приводило к соответствующим модификациям. С появлением иерархического мышления удовлетворение насущных потребностей стало более сложным процессом, поскольку должно было соответствовать широкому кругу идей внутри других идей. Однако, несмотря на значительное влияние новой коры, старый мозг все еще жив и по-прежнему использует такие мотивации, как удовольствие и страх.
72
Сьюзен Джефферс — современный американский психолог, автор нескольких бестселлеров; ее книга «Бойся… но действуй!» на русском языке вышла в издательстве «София» в 2008 г.
С ощущением удовольствия связан участок мозга, называемый прилежащим ядром. В знаменитых экспериментах 1950-х гг. было показано, что крысы, способные напрямую стимулировать этот небольшой участок мозга (нажимая на рычаг, активировавший имплантированные электроды), предпочитали это занятие всем другим, включая секс и еду, доводя себя до истощения и смерти [73] . У человека ощущение удовольствия связано и с другими отделами мозга, такими как вентральный паллидум (бледный шар) и, конечно же, сама новая кора.
73
Olds, James, Pleasure centers in the brain. Scientific American. 1956, 105–116.
Routtenberg, Aryeh, The reward system of the brain. Scientific American. 1978, 154–164.
Berridge, K. C., Kringelbach, M. L. Affective neuroscience of pleasure: Reward in humans and other animals. Psychopharmacology 2008,199, 457–480.
Kringelbach, M. L. The pleasure center: Trust Your Animal Instincts. Oxford University Press, 2009.