Российские учёные предлагают активный мозг

20.01.2010

Источник: Науки и технологии России, Тулинов Денис



В Институте психологии РАН находится лаборатория, где занимаются нейрофизиологическими исследованиями. Проводя эксперименты, её сотрудники отстаивают оригинальную точку зрения на природу взаимодействия организма со средой. О том, почему мозг не машина, как следствие может опережать причину, и о многом другом мы поговорили с Кариной Арутюновой.

Справка STRF.ru:

Карина Арутюнова, сотрудник Лаборатории нейрофизиологических основ психики им.В.Б.Швыркова, аспирант Института психологии РАН. Победитель состоявшейся в ноябре 2009 года Первой Всероссийской школы «В будущее наук о мозге и интеллекте», организованной при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям РФ Карина Арутюнова : «Мы рассматриваем поведение как активный процесс взаимодействия организма со средой, в ходе которого организм достигает необходимых результатов, позволяющих выживать в данной среде»

В вашей лаборатории принят нехарактерный взгляд на организацию работы мозга. В чем он состоит в общих чертах?

— Я работаю в Лаборатории нейрофизиологических основ психики им. В. Б. Швыркова. Лаборатория названа в честь учёного, который со своими учениками заложил основы системно-эволюционного подхода к мозгу и поведению. Действительно, наш взгляд на организацию мозговых процессов можно назвать нестандартным.

Исторически традиционные подходы выделяют в поведении, а, следовательно, и в работе мозга сенсорные и моторные аспекты. Сенсорные процессы обеспечивают приём и переработку информации, поступающей из окружающей среды. Моторные процессы организуют движения и поведение организма в соответствии с полученной из внешней среды информацией. Таким образом, поведение организма описывается в терминах внешних стимулов, действующих на организм, и реакций на эти стимулы. Безусловно, в современной нейронауке уже давно учитывается значение таких факторов, как мотивация, внимание, память и в целом роль когнитивных процессов. Тем не менее, «стимул-реактивная» схема применяется как при организации экспериментов и описании их результатов, так и при объяснении работы мозга.

Системно-эволюционный подход предлагает посмотреть на поведение и работу мозга по-другому. Мы рассматриваем поведение как активный процесс взаимодействия организма со средой, в ходе которого организм достигает необходимых результатов, позволяющих выживать в данной среде. Взаимодействия со средой и их результаты фиксируются в памяти организма в виде элементов индивидуального опыта. Носителями элементов опыта являются нейроны мозга. Поэтому активность нейронов связана не с сенсорными, моторными или другими аспектами поведения, а отражает системную структуру индивидуального опыта организма, историю соотношений организма со средой.

В чём изначальная причина таких разногласий, почему вообще возникла необходимость пересмотреть традиционный подход «стимул-реакция»?

— Дело в том, что со времен Декарта понятия «стимула» и «реакции» стали фундаментальными в объяснении физиологических механизмов поведения и нервной деятельности. Если говорить методологически, то для объяснения любого явления в науке необходимо описать его в терминах причины и следствия. Тогда очень логично выглядит объяснение поведения организма как реакции, то есть следствия воздействия на него стимула, который является причиной. Однако, как это часто бывает, принципу реактивности всегда противостоял принцип активности. Согласно этому принципу поведение — активный процесс, который направляется не внешними событиями, а внутренними причинами — целями. При этом любые телеологические попытки описания поведения как активного процесса до определённого момента в истории науки выглядели ненаучными, так как цель была лишь философской категорией и не могла выступать в качестве детерминанты поведения. В середине XX века принцип активности стал интенсивно развиваться благодаря созданию П. К. Анохиным теории функциональных систем. Эта теория вводила понятие «результата». Результат как системообразующий фактор позволял объективно описывать не только процессы организации физиологических функций, но и объяснять феномены поведения и нервной деятельности. Так стало методологически обосновано изучаться поведение и принципы работы мозга с позиций активности.

С другой стороны, говоря уже об экспериментальных данных, стали появляться научные работы, результаты которых не согласовались с положениями подхода «стимул-реакция». Как известно, изучение активности нейронов мозга на животных под общей анестезией выявило множество феноменов активации нейронов в ответ на предъявляемые этим животным стимулы: вспышки света, звуковые сигналы, удары током, раздражения и т. д. Когда появилась возможность регистрировать активность нейронов у свободноподвижных животных, а не под наркозом, было показано, что многие клетки активируются не после стимула, а ещё до его предъявления, если животное этот стимул ожидает. Если активность нейрона — это реакция на стимул, то почему эта реакция начинается до его предъявления? Затем сотрудниками нашей лаборатории был показан феномен поведенческой специализации нейронов, то есть когда активность нейронов связана с актами поведения животного, а не с аспектами воздействия на него среды и т. п.

В целом, конечно, всё — начиная от теоретической постановки вопроса и гипотез, методики экспериментального исследования и объяснения получаемых данных — всё зависит от методологической позиции исследователя. Рассматривает ли он организм как машину, отвечающую на воздействия внешней среды, или как активного агента, целенаправленно ведущего себя в окружающий среде для достижения необходимых результатов.

Регистрируя активность нейронов и анализируя их поведенческие специализации, мы можем судить об опыте животного, истории формирования этого опыта, об особенностях структуры формируемого опыта в разных задачах, ситуациях исследования и состояниях животного

В каких опытах вы получаете свидетельства проявлений животного как активного агента?

— В нашей лаборатории проводятся исследования на самых разных уровнях — начиная с нейрогенетических экспериментов, и заканчивая психолингвистикой. Но, конечно, основным методом, который позволяет нам исследовать структуру индивидуального опыта, является регистрация импульсной активности нейронов мозга у животных в свободном поведении. Мы в основном работаем с крысами и кроликами, которые в рамках эксперимента обучаются какому-либо поведению, например, нажимать на педаль для получения порции пищи в кормушке. Регистрируя активность нейронов и анализируя их поведенческие специализации, мы можем судить об опыте животного, истории формирования этого опыта, об особенностях структуры формируемого опыта в разных задачах, ситуациях исследования и состояниях животного.

О чем вам говорит активность тех или иных нейронов? Как вы связываете их с конкретным опытом?

— Активность некоторых нейронов оказывается связанной с актами поведения. Например, мы находим нейроны, специфически активирующиеся только при подходе к педали, только при нажатии на педаль, только при подходе к кормушке и так далее. Такие нейроны мы называем «специализированными» относительно данного акта поведения. Мы считаем, что они входят в систему, актуализация которой приводит к реализации этого акта. Эта система сформировалась при обучении животного поведению нажатия на педаль для получения порции пищи в кормушке. Мы можем обучить животное другому поведению, например, потягиванию за кольцо или прохождению какого-нибудь лабиринта, и тогда мы найдём нейроны, активность которых будет связана с актами этого поведения. Структура индивидуального опыта организма, его память, отражает историю соотношения этого организма со средой, в которой он на протяжении своей жизни учится достигать различных результатов, разными способами, в разных условиях. И все это мы можем исследовать с помощью анализа специализаций нейронов его мозга.

Удается ли транслировать ваш подход в научное сообщество?

— Да. Работы сотрудников нашей лаборатории опубликованы в таких журналах, как International Journal of Psychophysiology, Brain Research, Neuroscience, Neuroscience and Behavioral Physiology, Biological Psychology, Hippocampus.

Акцептор строит модель будущего результата и выступает в качестве механизма обратной связи, модулируя реализацию поведения

Правильно ли я понимаю, что согласно системному подходу причины той или иной активности организма лежат не только в прошлом, но и в будущем? И вот эта «будущая причинность», как правило, трудна для восприятия, поскольку противоречит интуиции и обычному порядку вещей в естественных науках.

— Да, мы отталкиваемся от предположения, что активность организма в настоящий момент детерминирована будущим результатом поведения. На самом деле принято считать, что для объяснения явлений необходимо установление причинно-следственных отношений. Так считают не все учёные и методологи, но большинство, поэтому и возникает такая проблема. Собственно эту проблему очень элегантно решил П. К. Анохин в своей теории функциональных систем. Он ввел такой элемент функциональной системы, как акцептор результата действия. Акцептор строит модель будущего результата и выступает в качестве механизма обратной связи, модулируя реализацию поведения. Такая информационная модель возникает до начала реализации программы действия и может быть описана как причина данного действия. Таким образом, П. К. Анохин сделал целевую детерминацию поведения методологически приемлемой даже для тех учёных, которые жестко придерживаются взглядов, требующих установления причинно-следственных связей.

Иными словами, поведение возникает при рассогласовании внутренней модели и текущего состояния. Тогда главным вопросом представляется следующий: как мозг формирует тот самый «результат»? Откуда он берётся?

— В опыте организма результат представлен как определённая модель соотношения со средой. На уровне мозга актуализация этой модели связана с активностью определенной группы нейронов. Мы говорим, что они входят в состав системы поведенческого акта, направленного на достижение данного результата. Скажем, я голодна, то есть нахожусь в ситуации рассогласования, потому что мне хотелось бы быть сытой. Тогда я беру что-нибудь из холодильника или иду в магазин или обедаю в кафе. У меня есть некий репертуар возможных действий для достижения необходимого мне результата. Все варианты моего поведения в данной ситуации фиксированы в системах нейронов моего мозга. Актуализация той или иной системы на поведенческом уровне будет выглядеть так, что я открываю холодильник или иду в кафе. Так активность системы нейронов мозга, специализированных относительно данного поведения, организует мое взаимодействие со средой.

Таким образом, результат не возникает из ниоткуда. Модель результата всегда формируется на основе имеющегося у организма опыта.

Эта группа нейронов, связанная с актом поведения, локализована в небольшой области мозга или широко рассредоточена по нему?

— Второе. Нейроны, входящие в систему одного поведенческого акта, расположены в разных структурах мозга. В то же время в каждой локальной структуре мозга находятся нейроны, входящие в разные системы поведенческих актов.

Целостное поведение организма требует активности одновременно множества систем, работы мозга в целом, а не отдельных его областей

Если дело обстоит так, это должно существенно менять представление о функциональной структуре мозга. Например, деление на зоны «ответственные за...». Хотя такое деление многократно подтверждено зависимостью конкретных функциональных нарушений от тех или иных локальных повреждений мозга.

— Да, системные представления о работе мозга заставляют пересмотреть традиционную структурно-функциональную парадигму. К примеру, в коре мозга обычно выделяют сенсорные, моторные и ассоциативные области, и действительно, показаны соответствующие нарушения при поражении тех или иных областей. Однако при регистрации нейронов оказывается, что есть нейроны в моторной коре, которые активируются на вспышки света, а активация нейронов зрительной коры может быть связана с движениями. Это в традиционных терминах. А с системной точки зрения, в наших исследованиях мы находим нейроны, специализированные относительно систем поведенческих актов, в разных областях коры и других структурах мозга. Конечно, это не отменяет эволюционно обусловленные особенности. Структуры мозга не одинаковы, а образующие их нейроны распределены в мозге не гомогенно. Одни структуры, скажем древние, подкорковые, образованы клетками, которые обеспечивают реализацию наиболее древних, часто врожденных актов поведения. Другие, например многие корковые структуры, образованы клетками, которые могут вовлекаться в системы нового поведения при научении. Целостное поведение организма требует активности одновременно множества систем, работы мозга в целом, а не отдельных его областей.

Можно ли образно сказать, что системы нейронов — это паутины, замысловато растянутые в мозге? Они могут пересекаться между собой, но каждая паутина активируется только в связи с конкретным актом поведения.

— В принципе, да. Только нужно иметь в виду, что любое поведение организуется целым набором систем. Например, нажимая на педаль для того, чтобы получить морковку, кролик не только реализует специфический поведенческий акт, которому он научился вчера, но он продолжает дышать, совершать разные движения и так далее. При этом активируется не одна «паутина» данного акта, а целый набор «паутин», которые связаны между собой определённым образом.

Cистема любого поведенческого акта формируется и встраивается в уже существующую структуру опыта организма, как бы «наслаиваясь» на неё

Есть ли уже понимание, как формируются системы? Насколько случаен набор нейронов, входящих в них? Если у разных людей сравнить системы, относящиеся к одному и тому же действию, будут ли они сугубо индивидуальны или в них можно выделить некую общую архитектуру?

— Собственно это мы и изучаем. Нас интересуют закономерности формирования и актуализации систем, то есть те механизмы, которые лежат в основе научения, памяти и реализации поведения. Опираясь на селективные концепции научения, мы предполагаем, что в процессе приобретения нового навыка образуются системы нейронов, которые отбираются из большого количества неспециализированных нейронов разных структур мозга. И вовлечение нейрона в систему не совсем случайно. Нейроны не одинаковы, они характеризуются так называемой «преспециализацией». Это означает, что нейроны способны вовлекаться в системы не любых актов. Вопрос о преспециализации очень сложный и интересный. Каким-то образом, генетические механизмы в клетке предопределяют тот диапазон систем, в которые данный нейрон может входить. Еще одним важным моментом является вопрос о стабильности поведенческой специализации нейронов, то есть может ли нейрон изменить свою специализацию, или она сохраняется на протяжении всей жизни организма? На основании некоторых данных мы считаем, что поведенческая специализация нейрона пожизненна, но этот вопрос так же требует дополнительных исследований, которые ведутся у нас в лаборатории.

К вопросу об индивидуальных различиях между людьми, а также другими организмами. Было показано, что структура индивидуального опыта отражает историю его формирования. Это означает, что система любого поведенческого акта формируется и встраивается в уже существующую структуру опыта организма, как бы «наслаиваясь» на неё. Поскольку опыт соотношения со средой у организмов разный, то соответственно мы можем наблюдать самые разные межсистемные отношения в структуре опыта. Например, если два индивида реализуют одно и то же поведение, то мы можем сказать, что у них обоих есть нейроны со сходными специализациями. Однако то, как эти нейроны связаны между собой и с нейронами других систем в структуре опыта, будет зависеть от истории жизни и обучения каждого из этих индивидов.

Мозг — не приёмник и хранитель информации из внешней среды. Это открытая самоорганизующаяся система, некий субстрат, позволяющий фиксировать модели взаимодействия организма с миром.

Насколько я понял, в вашем представлении, у мозга довольно активная внутренняя жизнь, на которую накладываются внешние сигналы от органов чувств. Что в таком случае представляет собой мозг, какая метафора для него представляется наиболее близкой?

— Это сложный вопрос. Каждый раз новое инженерное изобретение человечества толкало людей на использование соответствующих метафор применительно к работе мозга — телеграфная, телефонная, компьютерная и другие. Как мы видим, ни одна из таких метафор не может адекватно объяснить работу мозга, такая редукция принципиально не позволяет это сделать. Я бы не стала придумывать новые метафоры, а посмотрела бы на мозг как на часть организма, функционирование которой не может рассматриваться отдельно от функционирования всего организма и от его взаимодействия со средой. Мозг — не приёмник и хранитель информации из внешней среды. Это открытая самоорганизующаяся система, некий субстрат, позволяющий фиксировать модели взаимодействия организма с миром. Мозг — это результат длительного эволюционного процесса, который сделал организм более приспособленным для жизни в этом мире. Наш мир, с одной стороны, очень регулярен, а поэтому предсказуем, и нервная система позволяет организму использовать эту предсказуемость и регулярность мира для адаптации к его условиям. С другой стороны, этот мир безумно динамичен, среда постоянно изменяется, и не все изменения среды можно заранее предсказать. И в этом случае высокоразвитая нервная система позволяет организовывать действия таким образом, чтобы они были адекватны текущему положению дел. Каковы механизмы функционирования мозга, которые позволяют делать всё это? Конечно, они очень сложны, но современная нейронаука постепенно приближается к их пониманию, и на этом пути, на мой взгляд, нет более перспективного направления, чем системно-эволюционный подход.

Правда, что в вашей лаборатории запрещено слово «реагирует»?

— А также «рефлекс» с «реакцией»! На самом деле такого запрета, конечно, нет. Просто мы описываем поведение и работу мозга в других терминах, таких, как «акт поведения», «элемент опыта», «система нейронов». Разные парадигмы имеют и разные языки, мы используем системный язык, если можно так сказать. Научные термины обладают важным смысловым содержанием. От того, какие термины человек использует при описании даже очень частных феноменов, можно сказать многое о его общетеоретической позиции. Споров о терминах не бывает, это всегда столкновение разных парадигмальных мировоззрений.



©РАН 2021