какие ученые выработали теорию деятельности человеческого мозга
Зачем ученые исследуют человеческий мозг и что знают о нем на самом деле
Человечество начало исследовать мозг и задумываться о его назначении задолго до появления науки в современном виде. Археологические находки говорят, что в 3000-2000 годах до нашей эры люди уже активно практиковали трепанации черепа — по всей видимости, как способ профилактики головных болей, эпилепсии и расстройств психики. Древнегреческие врачи и анатомы Герофил и Эрасистрат не только называли мозг центром нервной системы, но и считали, что интеллект «зарождается» в мозжечке. В Средние века итальянский хирург Мондино де Луцци предположил, что мозг состоит из трех отделов — или «пузырьков»: передний отвечает за чувства, средний — за воображение, а в заднем хранятся воспоминания.
Вклад в этот процесс вносили не только ученые. В 1848 году американский строитель Финеас Гейдж, работая на прокладке железной дороги, получил страшную травму: металлический штырь вошел в его череп под глазницей, а вышел — на границе лобной и теменной костей. Однако мужчина относительно благополучно прожил потом больше десяти лет. Правда, знакомые утверждали, что в результате инцидента он изменился — например, стал как будто более вспыльчивым. И хотя в этой истории есть немало белых пятен, она в свое время вызвала бурную дискуссию о функциях различных зон мозга.
В наши дни изучение мозга — вотчина не одной, а множества отраслей наук. Нейробиология занимается вопросами, связанными с работой рецепторов. Нейрофизиология — особенностями протекания физиологических процессов в мозге. Психофизиология — соотношением мозга и психики. Нейрофармакология — влиянием лекарственных средств на нервную систему, в том числе на мозг. Существует даже относительно молодое направление — нейроэкономика: она изучает процессы выбора и принятия решений. Более фундаментальные когнитивные нейронауки сосредоточены на исследовании разных типов восприятия, сложных мыслительных процессов и связанных с ними феноменов, которые касаются речи, слушания музыки, просмотра фильмов и т.д.
Зачем это делается?
Логично предположить, что любой орган человеческого тела исследуют в первую очередь для того, чтобы научиться его эффективно лечить в случае необходимости. Но мозг — система слишком сложная и интересная, чтобы ограничиваться утилитарным подходом. В университетах мира существуют сотни лабораторий, которые изучают совершенно разные аспекты мозговой деятельности. Одни фокусируются на конкретных типах расстройств психики — например, на шизофрении. Другие — на сне. Третьи — на эмоциях. Четвертые хотят выяснить, что происходит с мозгом, когда человек испытывает стресс или употребляет алкоголь: этим занимается в том числе лаборатория психофизиологии Института психологии РАН.
Результатом таких исследований далеко не всегда становится метод решения какой-то конкретной проблемы, связанной с мозговой деятельностью. Нейроученые нередко получают информацию, которая главным образом помогает нам лучше понять специфику отношений между людьми и выяснить, к примеру, по каким признакам мы ранжируем окружающих на «своих» и «чужих». Что делать с этим знанием дальше, как его применить на практике — хороший вопрос.
С другой стороны, опыты со «стандартным» человеческим мозгом и натуралистическими (естественными) стимулами дают ученым шанс разобраться, почему у кого-то мозг работает иначе. В финском Университете Аалто ставят эксперименты с участием людей с синдромом Аспергера. Как правило, эта особенность развития сильно затрагивает эмоциональные функции, способность к социальному взаимодействию. Опыты показывают, что у «обычного» человека, когда он смотрит, как общаются другие люди, наблюдается высокий уровень синхронизации в сенсорных зонах мозга, в зонах, участвующих в обработке социальной информации и процессах формирования эмоций. А у человека с синдромом Аспергера такая синхронизация выражена значительно меньше. Ученые надеются со временем разобраться, как помочь адаптироваться в социуме тем, кому изначально это сделать сложнее.
Есть лаборатории, которые занимаются одновременно и прикладными, и фундаментальными исследованиями. В 2012 году ученые из Еврейского университета в Иерусалиме создали устройство, позволяющее незрячим людям «видеть» с помощью слуха. Оно состояло из очков и небольшой камеры, которая фиксировала визуальную информацию, а специальная программа преобразовывала ее в звуковые сигналы. Таким образом человек, лишенный зрения, мог распознать находящиеся поблизости бытовые предметы, других людей и даже крупные буквы. При этом разработчики устройства обнаружили, что в мозге того, кто учится «видеть» с помощью слуха, активируются те же потоки, что и у того, кто видит традиционным способом — глазами. Таким образом научный мир столкнулся с принципиально важной, основополагающей проблемой: действительно ли зрительная кора головного мозга отвечает именно за зрение в привычном понимании? И что такое вообще — зрение?
Также предполагается, что одним из результатов скрупулезного, разностороннего изучения мозга станет возможность создания искусственного интеллекта. В 2005 году стартовал знаменитый многомиллиардный проект Blue Brain Project, целью которого было сделать компьютерную модель человеческого мозга и смоделировать сознание. Пока воз и ныне там, а многие представители научного мира настроены достаточно скептично — хотя бы потому, что мы не знаем точно, что такое сознание. К тому же существует и технические ограничения: для того, чтобы имитировать мозг кошки на самом базовом уровне, понадобился один из самых больших суперкомпьютеров в мире. Человеческий мозг, разумеется, устроен намного сложнее.
Методы и эксперименты
Существующие на сегодняшний день методы исследования мозга можно ранжировать, опираясь на два критерия. Первый — частота снятия информации: она варьируется от миллисекунды до нескольких секунд. Второй — пространственное разрешение: насколько детально мы можем рассмотреть сам мозг. Так, электроэнцефалография способна собирать данные с очень большой частотой. Зато фМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография) позволяет охватывать квадратные миллиметры мозга, а это довольно много, поскольку в одном квадратном миллиметре — около 100 000 нейронов.
Также существуют магнитная энцефалография, позитронно-эмиссионная томография, транскраниальная магнитная стимуляция. Методы обычно совершенствуются в сторону неинвазивности: нам хочется как можно больше узнать о мозге живого человека с минимальными последствиями для его здоровья и психологического состояния. При этом именно с появлением фМРТ ученые стали исследовать буквально все подряд аспекты мозговой деятельности. Мы можем взять практически любой тип поведения и быть уверенными в том, что в мире обязательно найдется лаборатория, которая изучает его с помощью фМРТ.
Разобраться, как ученые это делают, можно на примере самого базового эксперимента. Допустим, мы хотим узнать, различается ли мозговая активность человека, когда он смотрит на лица других людей и на дома. Отбирается множество картинок с изображением самых разных домов и самых разных лиц. Они перемешиваются, а их порядок — рандомизируется. Необходимо, чтобы в последовательности не было никаких закономерностей: если, к примеру, после трех домов всегда будет появляться лицо, встанет вопрос о достоверности результатов эксперимента.
Прежде чем поместить испытуемого в сканер фМРТ, с него нужно снять все металлические украшения и предупредить, что лучше не складывать руки в кольцо. Во время сканирования происходит быстрое изменение магнитного поля, что, согласно законам физики, индуцирует электрический ток в замкнутой петле. Ощущения — не смертельно неприятные, но те, кто пробовал, повторять обычно не хотят. В течение тридцати-сорока минут человек лежит в сканере и смотрит на появляющиеся на экране изображения домов и лиц. Важно, чтобы в процессе он не заснул: проходить через такие эксперименты часто довольно скучно. Зато они предполагают награду — допустим, пару бесплатных билетов в кино.
На этом более или менее интересная часть заканчивается и начинается сложная и неблагодарная: ученому предстоит обработать полученную информацию разными статистическими методами, чтобы результат можно было оформить в статью и опубликовать ее в научном журнале. Главный подвох здесь заключается в том, что существует несколько десятков тысяч способов скомбинировать разные ступени преобразования данных, поэтому добиться ложноположительного результата не так уж и сложно.
В 2009 году в Сан-Франциско провели опыт, ставший впоследствии легендарным. Ученые положили в сканер фМРТ мертвого атлантического лосося и показали ему фотографии людей в различных социальных ситуациях. При подсчете данных выяснилось, что мозг лосося не просто реагирует на стимулы: рыба испытывала эмоции. Разумеется, на самом деле мертвый лосось не способен на эмпатию, но за счет погрешности — или так называемого статистического шума, возникающего при анализе собранных с помощью фМРТ данных, мы можем получить значимый эффект. Кто ищет — тот всегда найдет.
До недавнего времени проблема усугублялась еще и тем, что в западные журналы брали статьи, описывающие в основном только положительные результаты экспериментов. Если гипотеза лаборатории не подтверждалась, полученные данные фактически летели в мусорное ведро. Теперь представим: сто лабораторий поставили одинаковый эксперимент. Чисто статистически у пяти из них вполне могут получиться позитивные результаты. Статья, написанная представителями такой лаборатории, будет опубликована, даже если в 95 оставшихся опыты показали отрицательный результат. Для борьбы с такими искажениями в наши дни появилась важная опция: теперь исследование можно перерегистрировать с гарантией публикации вне зависимости от результата — главное, чтобы все было выполнено четко по плану.
Как читать новости науки в СМИ, чтобы не впасть в заблуждение?
Специфика работы ученого заключается в том, что он должен знать очень много — пусть даже только в рамках своей области. Однако чем больше ты знаешь, тем больше сомневаешься. И тем выше вероятность, что рано или поздно ты столкнешься с чем-то, что в корне противоречит твоим убеждениям. Поэтому, общаясь со СМИ, ученые почти никогда не используют слово «однозначно». Вместо этого они говорят: «скорее всего», «вероятно», «мы можем предположить».
Для журналистов и читателей такие формулировки звучат, мягко говоря, не очень заманчиво. Психика человека устроена так, что ему хочется точно знать, из чего сделано его тело — в том числе мозг. Вероятности его либо не интересуют, либо вызывают тревогу. Более того, многие люди в принципе не читают новости дальше заголовка. В результате информация о последних научных исследованиях часто доходит до нас в искаженном виде — в том числе потому, что СМИ стремятся собрать больше просмотров, но опасаются отпугнуть аудиторию слишком расплывчатыми формулировками.
В 2007 году по российским СМИ прокатилась волна заметок об ученых лондонского University College, установивших, что алкоголь улучшает работу мозга. При ближайшем рассмотрении оказывалось, что, поскольку алкоголь улучшает приток крови к мозгу, что, в свою очередь, действительно коррелирует с улучшением умственных способностей, положительный эффект, может, и будет, но негативные последствия от чрезмерного употребления алкоголя его явно перевесят.
Еще несколько лет назад в западной прессе широко освещался проект No More Woof, создатели которого предлагали использовать инструмент на основе электроэнцефалографии, чтобы считывать мысли собак и «переводить» их на человеческий язык. Но, во-первых, ЭЭГ — далеко не самый точный метод сбора данных. Во-вторых, откуда мы можем знать, каким образом мысли собак должны передаваться с помощью английской речи? В-третьих, нет исследований, которые бы доказывали, что все животные, включая человека и собаку, говорят на разных диалектах одного глобального языка. Но СМИ скандировали: ура, мы наконец-то научимся понимать наших Шариков и Бобиков!
Чтобы не дать обмануть себя опубликованной в СМИ новости из мира науки (в том числе — нейронауки), нужно соблюдать несколько простых правил:
Во-первых, не ленитесь прочитать не только заголовок, но и весь текст.
Во-вторых, опасайтесь категоричных утверждений. Допустим, если в материале говорится, будто ученые нашли в мозге «зону любви», учитывайте, что один из современных трендов — исследовать мозг не как конструктор, составленный из полностью автономных элементов, а как сложную сеть (complex network). Да и «любовь» — понятие слишком неоднозначное, чтобы вывести для него какое-то универсальное определение.
В-третьих, обращайте внимание на источник. Журналисты часто ссылаются не на исходную статью в научном журнале, а на публикацию на другом новостном интернет-портале или даже в блоге. Пытливому уму такая ссылка должна показаться неубедительной.
В-четвертых, задайте интернету вопрос: «Кто все эти люди?». Под лейблом «ученые» в СМИ могут появляться как подлинные сотрудники известных лабораторий, так и энтузиасты-любители, собирающие деньги на свое «революционное» открытие с помощью краудфандинговых платформ.
В-пятых, найдите оригинал. Из абстракта (краткого изложения сути статьи) часто бывает понятно, что именно ученые доказали и какими методами. Да, подписка на очень многие журналы — платная. Но есть сайты PubMed и Google Scholar, позволяющие выполнять поиск по текстам научных публикаций.
Вопреки стереотипам наука не может дать нам стопроцентной гарантии чего бы то ни было. Не может жирной, нестираемой линией отделить истину от всего остального. Но она может максимально приблизиться к истине за счет множества повторяющихся, проведенных в разных частях земного шара экспериментов, результаты которых постепенно будут сходиться в одной точке. Примерно. С определенной вероятностью.
МОЗГ. ПОЗНАНИЕ. РАЗУМ. ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНЫЕ НЕЙРОНАУКИ. Глава 1 Психика и мозг. Прижизненные исследования мозга. Биологическая природа когнитивной деятельности и эмоций.
В книге изложены результаты новейших исследований связи строения мозга и способности человека к познанию. В наглядной и доступной форме представлена взаимосвязь строения мозга, психологических функций, эффектов восприятия и умственных способностей человека. Выводы основаны на данных, полученных в психологии, биологии, медицине, биохимии и физике.
Показано, что когнитивные механизмы и механизмы восприятия, которые изучались на уровне поведения, в настоящее время могут наблюдаться непосредственно на уровне работы самого мозга благодаря использованию новейших методов визуализации мозговых процессов.
Для студентов и преподавателей биологических, психологических и медицинских вузов, педагогов, всех интересующихся когнитивной нейронаукой и работающих в этой области.
Один из лучших учебников в своей области, описано достаточно много новых исследований в области когнитивной науки.
Рекомендую всем кто интересуется нейронауками, учебник вполне доступный к пониманию и некоторые главы читаются как интересная научпоп литература правда с приятной концентрацией научных терминов.
Стремление идти в ногу со временем при изучении когнитивной нейробиологии очень схоже со стремлением оседлать на серфинге Большую океанскую волну.
От постоянного появления новых фактов в этой области становится захватывающе интересно и немного страшно. И все же мы продолжаем взбираться на наши умственные доски для серфинга, чтобы поймать набегающую волну этого все усложняющегося научного знания. Данная книга создавалась с целью формирования общего представления о еще только зарождающейся науке. Особый стиль изложения основного материала делает ее доступной как для студентов, так и для всех интересующихся читателей любого уровня.
Мы наблюдаем заключение союза между когнитивной наукой и наукой о мозге.
Когнитивные механизмы и механизмы восприятия, изучавшиеся на уровне поведения, могут наблюдаться непосредственно на уровне работы самого мозга благодаря использованию новейших методов визуализации мозговых процессов.
В реальном времени мы можем наблюдать деятельность живого мозга.
В то же время наибольшее число научных разработок строится на базе хорошо устоявшихся психологических концепций и методик.
В результате мы можем наблюдать, как психология и наука о мозге удивительным образом дополняют друг друга.
Когнитивная нейронаука становится обязательной составляющей образовательных программ по психологии, биологии, педагогике и медицине.
В данной книге, для облегчения восприятия информации в книге используется особая функциональная основа.
Это позволяет собрать все главные разделы в единую схему, которая углубляется и разрастается деталями по ходу изложения.
Материал глав предлагается изучать в любой, удобной последовательности.
В книге рассматриваются все возможные нарушения мозговой деятельности.
Ряд нарушений имеет психологические аналоги. Профессиональные музыканты иногда не в состоянии подавить желание подпевать во время игры на инструменте.
Наоборот, классическим симптомом глубокой депрессии, например, является невозможность инициировать и выполнить движение.
Недавние иссследования показали:
Внимание к зрительным стимулам очень тесно связано с контролем движений глаз. Спортсмены и музыканты используют сенсомоторные области коры головного мозга для осуществления мысленных тренировок.
Таким образом, во «внутренние» и «внешние» процессы вовлечены перекрывающиеся области мозга.
Для облегчения процесса обучения в конце каждой главы приводятся вопросы для повторения и графические упражнения.
Рекомендую пользоваться такими упражнениями, так как самостоятельное создание сложных трехмерных моделей организации мозга способствует лучшему их пониманию.
В книге представлен ряд актуальных тем о постоянно меняющихся перспективах когнитивной нейронауки.
Одной из них является взаимоотношение «разума», такого как мы его осознаем, и «мозга», такого как мы его наблюдаем, т. е. исторически сложившаяся проблематика о сознании и его мозговых коррелятах.
Пожалуй, самым значительным изменением за последние двадцать лет в области психологии и когнитивной науки…можно назвать принятие того, что сознание является законной и разрешимой научной проблемой.
Проблема сознания считается в настоящее время одной из самых главных, неразрешенных проблем биологии.
Психологи уже давно изучают процессы сознания в контексте таких проблем, как «эксплицитное сознание» и «фокусное внимание».
Термин «сознание» может быть использован как ярлык, аналогичный «памяти» и «восприятию», с определенным числом подтем, таких как подсознательное восприятие, автобиографическая память и селективное внимание.
Изучение высших психических функций открывает новое понимание «личности» в повседневной жизни, что изучается социальной и личностной психологией.
На сегодняшний день механизмы возникновения эмоций и социального поведения также находятся в развитии. «Зеркальные нейроны» связывают с возможностью воспринимать намерения других; бессознательные «лица угрозы» могут стимулировать миндалину; и противоположные проявления самоконтроля, вероятно, приводят к возникновению конкурирующих импульсов в префронтальной коре. Когнитивная нейробиология расположена на передовом крае науки и представляет интерес для многих ученых.
Наградой студентам за старания при ее изучении будет более глубокое понимание человеческой природы, которая никогда не была более понятной и убедительной, чем сейчас.
Глава 1 Психика и мозг.
Эта глава дает общие представления о когнитивной нейронауке, объединяющей психику и мозг.
В мозге выявлены вероятные корреляты таких явлений, как сознательный опыт, неосознаваемые процессы, мысленные образы, произвольное управление, которые раньше оставались обойденными, — интуиция, эмоции и даже «Я» (самость).
Некоторые загадки оказались более трудными, чем можно было предполагать, например природа формирования постоянной памяти.
Неразрывность психологического и нейробиологического подходов к исследованию восприятия, памяти и языка стала более очевидной, чем когда-либо прежде.
В некоторых случаях результаты изучения мозга помогают найти ключ к вопросам, над которыми психологи безуспешно трудились в течение десятилетий.
В целом ряде случаев мы обнаруживаем удивительную конвергенцию данных о деятельности мозга и о поведении.
Молекулы нейромедиаторов, имеющие различные размеры, проникают путем диффузии через синаптическую щель (ее ширина от 25 нм до 100 мкм) между нейронами.
Молекулярные посредники (мессенджеры) в мозге подразделяются на две большие группы. К первой группе относятся нейромодуляторы, которые распространяются по обширным участкам переднего мозга.
Вторую группу составляют нейромедиаторы, обладающие более «адресным», местным действием. Среди них есть пептиды — небольшие субъединицы белковых молекул, секретируемые в синаптическую щель. К настоящему времени в мозге выявлено более 40 типов пептидов. Однако особенно хорошо известны два вещества непептидной природы — глутамат (возбуждающий нейромедиатор, характерный для коры мозга) и ГАМК (наиболее распространенный тормозный нейромедиатор).
В последнее время мы стали свидетелями череды открытий, связанных с новыми методами прижизненных исследований мозга. Благодаря тому что изображения объектов теперь возможно увеличивать примерно на семь порядков, для нейропсихологии открылись новые горизонты.
Шкала времени для функций человеческого организма имеет громадный диапазон. Реальная средняя скорость реакции — это 100 мс.
В мозге протекают параллельно процессы разных временных и пространственных размерностей, подобно элементам симфонии — нотам, фразам, целым фрагментам. Слушая песню, вы улавливаете в каждый момент лишь несколько нот, но в процессе их поступления складываются более крупные когнитивные структуры, так что вы воспринимаете мелодию. Во время показа фильма частота кадров должна составлять 24 изображения в секунду, т. е. примерно 40 мс на кинокадр — тогда движения будут слитными.
Для восприятия сюжета фильма необходима интеграция когнитивных процессов на протяжении многих минут, так что приходится каким-то образом сочетать разные шкалы времени. Каждый из этих процессов имеет свою структуру и диапазон размерностей времени. Мозг параллельно отслеживает процессы различной размерности.
Наука складывается как непрерывный ряд умозаключений, переход от эмпирических наблюдений к концепциям.
понятия «солнце», «планета», «сила», «гравитация» представляют собой умозаключения. Эти понятия далеко ушли от первых наблюдений за небесными светилами (рис. 1.4), однако именно с помощью таких концепций можно объяснить эмпирические факты.
Вся наука строится на тщательных наблюдениях и концептуальных умозаключениях. Схема объяснения, называемая «номологической сетью», отражает категориальные концепции и соотношения между ними. В итоге мы понимаем, в чем состоит природа явления.
Кстати, научные выводы позволяют делать более точные прогнозы, а применение полученного знания иногда кардинально меняет жизнь. И все начинается с точных фактов и умозаключений, построенных на этой основе.
Эти базовые идеи имеют непосредственное отношение к когнитивной нейронауке. Когда мы говорим о когнитивных (познавательных) процессах — речи, научении, зрении — мы тоже используем концептуальные умозаключения, которые должны быть прочно связаны с надежными наблюдениями.
Например, объем минимальной кратковременной памяти («мгновенной», «непосредственной», «сенсорной» — информация, которую мы в состоянии сразу мысленно повторить) равна примерно семи плюс/минус два.
Такие понятия когнитивной науки, как «оперативная память», созданы в ходе многолетних экспериментальных наблюдений, результаты которых были настолько убедительными, что их удалось обобщить в виде единой концепции
Так, представления Ньютона о силе тяжести господствовали в физике в течение трех веков, а затем Эйнштейн предложил иной взгляд на те же факты. Научные концепции могут быть пересмотрены в любой момент.
Когнитивная нейронаука тоже основывается на умозаключениях по результатам эмпирических наблюдений. При сканировании мозга получаются изображения, похожие на физические объекты, которые можно видеть и трогать, поэтому мы полагаем, что именно такова реальность. Однако это лишь заманчивое заблуждение. Результаты электроэнцефалографии (ЭЭГ) представляют собой умозрительную оценку активности мозга, так же как и данные функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ) и других исследований современными высокотехничными методами.
(Блок 1.1). Немного о: Прижизненные исследования мозга.
Десять–двадцать лет назад сама мысль о возможности наблюдать работу живого мозга казалась невероятной.
Наши знания о мозге — это своего рода коллаж из множества фрагментов головоломки, собранных в правдоподобную целостную картину.
Технология визуализации мозга обеспечила прорыв в когнитивной нейронауке благодаря добавлению новых фактов к результатам, полученным ранее методами когнитивной психологии, психофизики, поведенческого обусловливания, фундаментальной нейробиологии.
Деятельность мозга очень трудно изучать.
Многие проблемы были разрешены, когда появилась возможность прижизненной регистрации активности мозга человека, вначале с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ),
позднее посредством компьютерной томографии («послойной» рентгенографической регистрации, от греческого слова «томос» — слой).
В настоящее время мы располагаем более чем десятком методов.
Наиболее активно используются ЭЭГ, позитронная эмиссионная томография (ПЭТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), функциональная МРТ (фМРТ) и магнитная энцефалография (МЭГ).
В когнитивной нейронауке мы выводим умозаключения по результатам наблюдений за поведенческими реакциями и активностью мозга
Мы не можем непосредственно наблюдать «внимание» или «оперативную память». Поэтому так важно оценивать природу фактов, на которых строятся наши умозаключения.
(Согласуемость данных).
Когда Галилей впервые с помощью примитивного телескопа увидел спутники Юпитера, некоторые критики отказались смотреть через телескоп, поскольку считали, что истинную природу вещей можно увидеть только невооруженным глазом. Скептицизм по-прежнему является нормой, поэтому для верификации наблюдений в науке используется согласуемость данных. Основополагающие гипотезы когнитивной нейронауки сейчас проверяются вновь и вновь путем регистрации активности индивидуальных нейронов, экспериментов на животных, ЭЭГ, фМРТ, МЭГ, оценок поведения в виде вербальных сообщений и времени реакции. Никакое единичное исследование не может служить достаточным обоснованием гипотезы. Любое важное утверждение требует поддержки многими фактами.
Однако представления о деятельности мозга всегда основываются на знаниях анатомии, поэтому сначала рассмотрим топографию мозга.
На изображениях мозга следует различать главные ориентиры.
К особенно важным среди них относятся крупные складки коры больших полушарий — поверхностной структуры мозга. Самая большая складка, расположенная по средней линии между правым и левым полушариями, называется продольной щелью.
Следующая большая складка проходит по боковой части мозга под углом к средней линии и называется латеральной бороздой. Она отделяет височную долю от остальной части коры мозга. Поскольку височная доля всегда «указывает» в направлении глаза, по ней легче всего определить, в какую сторону обращен мозг.
Когда вы смотрите на изображение мозга, сразу ищите височную долю.
Еще один важный ориентир — мозолистое тело, плотный пучок нервных волокон в виде моста, соединяющего правое и левое полушария.
На срезе мозолистое тело имеет для невооруженного глаза белый цвет, поскольку состоит из миелинизированных аксонов, т. е. нервных волокон, покрытых белой липидной миелиновой оболочкой.
Мозолистое тело (т. е. «плотное», «твердое») получило свое название благодаря тому впечатлению, которое возникло у первых анатомов, обозначивших основные структуры мозга. Это образование было открыто на достаточно раннем этапе, потому что его легко обнаружить, осторожно раздвинув два полушария.
И наконец, последний ориентир — центральная борозда между задней половиной мозга и лобной долей.
Задняя область коры больших полушарий обеспечивает преимущественно сенсорные функции и содержит центры зрительной, пространственной, слуховой, соматической чувствительности, тогда как в лобной коре находятся двигательные и когнитивные центры. Центральная борозда служит четкой границей между входными и выходными областями коры.
Чтобы сориентироваться, нужно найти на изображении мозга прежде всего эти три главные складки.
На рисунке под видео (Рис. 1.8.) — Три основные плоскости срезов мозга.
Сагиттальный срез мозга — срез по вертикальной плоскости от лобной доли кзади до конца мозга.
Если такой срез проходит по средней линии мозга между двумя полушариями, он называется срединным сагиттальным.
Второй срез — горизонтальный.
Третий — корональный срез (его плоскость проходит через края воображаемой короны).
Главные доли мозга и другие важные отделы необходимо знать точно так же, как вы помните названия континентов на географической карте.
На протяжении всей книги будет рассказываться об исследованиях структур мозга, соотнося эти данные с представлениями о когнитивной деятельности человека. Знание топографии мозга поможет интерпретировать результаты нейровизуализации.
Немного истории и продолжающаяся дискуссия Идея о том, что мозг — источник наших переживаний, возникла очень давно; Гиппократ высказывался об этом примерно 2500 лет назад. Однако тщательные исследования мозга и накопление фактов начались только в эпоху Возрождения. В 1543 г. Андреас Везалий, анатом из Антверпена, впервые опубликовал подробный атлас организма человека, включая сюда мозг. До этого времени церковь и государство считали преступлением производить посмертное вскрытие.
Знаменитая картина Рембрандта «Урок анатомии доктора Тульпа» показывает, с каким изумлением врачи рассматривают подробности строения человеческого тела (рис. 1.1).
Примерно тогда же (1490–1510) Леонардо да Винчи сделал зарисовки черепа и тела человека.
Начало подробного изучения мозга совпадает с истоками современной науки в эпоху Европейского Возрождения, с появлением трудов Галилея, Коперника, Ньютона и Декарта. В 1665 г. Ньютон проводит свои эксперименты с призмами, желая понять природу восприятия цвета. В 1600-е гг. Левенгук и другие ученые изобретают световой микроскоп, благодаря чему в XIX–XX в. Сантьяго Рамон-и-Кахал сделал свои открытия относительно свойств нервных клеток. История науки показывает, что чем больше мы знаем, тем яснее нам видны закономерности полученных фактов.
Поскольку ранние исследования проводились невооруженным глазом или с помощью простых увеличительных конструкций, большинство структур получали название исходя из первого зрительного впечатления.
Отсюда возникли такие термины, как thalamus — «чертог», amygdala — «миндаль», cortex — «наружный слой» и т. д.
В названиях практически всех структур мозга используются обыденные латинские слова. Знание происхождения каждого нового термина помогает усвоить понятия.
Мозг как базис сознания — таково сейчас главное направление когнитивной нейронауки.
В 2005 г. журнал «Science» отметил проблему «биологические основы сознания» в числе приоритетов современной науки.
В своем повседневном опыте мы постоянно совершаем переходы между языком в терминах психики и в терминах мозга. Мы принимаем аспирин (физическая сущность), чтобы облегчить головную боль (психическая сущность). Мы идем к холодильнику (физическая сущность), потому что испытываем желание (психическая сущность) съесть мороженое. Как определить истинную последовательность событий — наше сознательное переживание «вызывает» физические действия, или же наоборот? С точки зрения здравого смысла, это безразлично. Мы свободно переходим от понятий «психических сущностей» к понятиям «телесных сущностей», и наоборот. Однако дело осложняется, если мы попытаемся мыслить глубже.
Психические явления зависят от целей, эмоций и мыслей.
Накоплено много эмпирических данных по проблеме сознательной когнитивной деятельности.
Признано, что некоторые области мозга, например вентральный зрительный путь, участвуют в сознательном восприятии зрительных образов, которые человек без труда может описать.
Вместе с тем показано, что далеко не все области мозга обеспечивают сознательное восприятие, в результате которого человек способен пересказать события.
Так, дорсальный зрительный путь задействован в зрительной координации движения руки к предмету, однако соответствующие области мозга не могут сформировать сознательное восприятие сами по себе, без участия других структур.
Все больше ученых поддерживают мнение о том, что проблема соотношения между психикой и мозгом должна решаться опытным путем, в доступных для проверки экспериментах.
4.2. Биологическая природа когнитивной деятельности и эмоций.
Биологические корни человеческих эмоций заложены в древних структурах мозга млекопитающих и регулируются более поздними слоями новой коры.
Чарлз Дарвин помог определить биологический контекст действий человека. Ему принадлежат многочисленные наблюдения относительно того, каким образом животные и люди выражают свои эмоции.
Теперь убедительно доказано сходство эмоциональных центров мозга у человека и других млекопитающих. Во времена Дарвина такая идея была бы совершенно одиозной.
Сейчас книга Дарвина «Выражение эмоций у человека и животных» считается классической.
Большинство ученых рассматривает поведение человека как результат объединенного воздействия биологических, культуральных факторов и среды.
Нейронная доктрина Рамон-и-Кахала: рабочая гипотеза науки о мозге Сантьяго Рамон-и-Кахалу (рис. 1.14) принадлежит заслуга разработки нейронной доктрины — одной из основополагающих теорий науки о мозге, согласно которой «нервная система состоит из многочисленных нервных элементов (нейронов), анатомически и генетически независимых друг от друга».
Важно отметить, что идея о клеточном строении организма относится только к 1839 г., когда с помощью светового микроскопа и методов окрашивания тканей были впервые в истории человечества выявлены живые клетки.
Кроме того, Кахал показал, что у аксонов свободные, неприкрепленные окончания и, следовательно, нейроны являются самостоятельными клетками.
В середине 20 века, благодаря электронному микроскопу с разрешением до нескольких сотен микронов удалось выделить еще более мелкие образования — синапсы.
В развитие науки о соотношении психики и мозга вносят свой вклад медицинские наблюдения. Французский врач Пьер-Поль Брока (рис. 1.17)
обнаружил в левом полушарии область, связанную с высшей психической функцией — речью. Поэтому «речевая» зона левого полушария получила название в честь Брока.
Брока первым неоспоримо доказал в 1861 г., что в мозге имеются специализированные области. Открытие было сделано в результате наблюдений за больным эпилепсией, который полностью лишился речи, кроме единственного слога «tan». Когда пациент умер, Брока получил возможность провести патолого-анатомическое исследование и увидел «повреждение в задней области третьей лобной извилины левого полушария».
Препарат мозга этого пациента был сохранен, и в нем можно видеть поврежденный участок лобной части левого полушария (рис. 1.18).
Теперь центр Брока в левом полушарии широко признается в качестве критически необходимого участка речевой зоны.
Важное наблюдение, касающееся механизмов речи, принадлежит Карлу Вернике (рис. 1.19).
В монографии, опубликованной в 1874 г., он представил модель речи на основе своих неврологических наблюдений; эта концепция поныне остается ключевой в когнитивной нейронауке. В настоящее время зона Вернике в левой верхней части височной доли рассматривается как область, ответственная за восприятие речи. До сих пор больные, у которых нарушено понимание речи вследствие поражения этой области, получают диагноз «афазия Вернике». Вместе с тем по мере развития методов визуализации мозга оказалось, что организация соответствующих областей мозга является более сложной и динамичной, чем считалось раньше.
Согласно современным сведениям, правая половина мозга участвует в понимании языка, но не в вокализации, т. е. не в речевом выходе. Считается, что правое полушарие восприимчиво к эмоциональному содержанию речи — юмору, иронии. Доминантность левого полушария по отношению к речи характерна примерно для 90% населения, тогда как примерно у 10% нормальных людей доминантно правое полушарие.
Итак, в XIX в. было доказано, что определенные области мозга отвечают за функцию речи. При этом ученые интересовались не только классическими психологическими проявлениями, но и их зависимостью от мозга.
4.5. Осознаваемые и неосознаваемые психические явления.
После 1900 г. получили известность опыты И. П. Павлова с выработкой классического условного рефлекса у собак. После этого многие психологи пришли к убеждению, что все формы поведения можно объяснить через элементарные поведенческие акты на основе рефлексов (рис. 1.26).
В США Джон Уотсон решительно провозгласил радикальный бихевиоризм, заявив, что всякое упоминание о сознании неправомерно, поскольку наблюдать в явном виде мы можем только реальное поведение и мозг как физическое образование. Знаменитый лозунг Уотсона таков: «Сознание — это не более чем воплощение теологии» и, следовательно, не является научным понятием. В XX в. ученые длительное время обходили вопрос о сознании человека. Некоторые считали, что он слиш ком отягощен философскими аспектами, трудно поддается экспериментальной проверке или имеет слишком субъективный характер, чтобы подойти к нему с научных позиций. Для таких рассуждений есть практические причины. Во многих случаях бывает трудно судить о состоянии другого человека, поэтому сложно воспроизводить эксперименты в соответствии с научными требованиями к обоснованности фактов.
ПЕРСПЕКТИВЫ КОГНИТИВНОЙ НАУКИ.
Осознанность присуща человеку как биологическому виду, но вместе с тем — это частное свойство каждого. Известно, однако, что некоторые отделы мозга, например мозжечок, не дают начало сознательным переживаниям. В чем же заключается разница между отделами мозга, обеспечивающими сознательную деятельность, и теми, которые не участвуют в ней? (см. гл. 8). Нейробиологические основы сознания составляют центральный раздел нейропсихологии.
В биологической теории нейродарвинизма, центральное место принадлежит представлению об осознаваемых процессах, развитие которых продолжается в течение жизни (см. гл. 8).
Нейродарвинизм — фундаментальная теория, согласно которой развитие и динамическая деятельность мозга имеют селекционистскую природу
Селекционистские системы характеризуются четырьмя особенностями.
1. Наличие спектра разнообразных элементов (например, особей биологического вида, антител иммунной системы, нейронов мозга).
2. Эти элементы могут репродуцироваться или амплифицироваться (повышать силу).
3. Среди разнообразных элементов происходит отбор, благодаря которому в ходе эволюции часть потомства остается, а часть исчезает.
В иммунной системе селекция антител определяется успешностью их взаимодействия с антигенами. Что касается мозга, то он обладает двумя селекционными репертуарами.
Первичный репертуар (набор нейронов) образуется в процессе нейрогенеза на ранних этапах развития.
Вторичный репертуар (набор нейронных сетей) создается в результате избирательного отсеивания функционально неэффективных синаптических связей при формировании зрелого мозга. Вторичный репертуар нейронных связей продолжает действовать в течение всей нашей жизни, обеспечивая адаптацию и развитие.
4. Система является избыточной. Это означает, что одну и ту же функцию могут осуществлять различные наборы ее элементов.
Избыточность проявляется на всех уровнях живого. В нашем организме два легких, две половины мозга, множество проводящих путей на каждом уровне организации. Благодаря избыточности компенсируются последствия травмы или болезни, поскольку начинают использоваться альтернативные проводящие пути и органы. Таким образом, организмы могут выживать в периоды кризисов.
5.0. Наука возвращается к представлениям о сознании В 1970-е гг. многие психологи разочаровались в бихевиоризме и стали искать иной путь. Когнитивные психологи не только проводили оценки поведения, но и стремились к умозаключениям.
В последние годы предубежденность к исследованиям сознания стала ослабевать. Многие когнитивные психологи заняты изучением как эксплицитных (т.е. осознаваемых) процессов, так и имплицитных (т.е. неосознаваемых).
Методы функциональной визуализации позволяют сравнивать процессы в мозге во время сознательной и бессознательной когнитивной деятельности.
В XIX в. такие ученые, как Зигмунд Фрейд и Уильям Джеймс, проявили глубокий интерес к соотношениям между психическими функциями и работой мозга (блок 1.2). Фрейд начинал свою карьеру в медицине как невролог, ему даже принадлежит одна из первых моделей нервной сети. В начале своей деятельности он нашел новый химический краситель — хлорид золота, позволяющий выявлять под микроскопом определенные нейроны.
5.1. Современные методы исследования осознаваемых и неосознаваемых процессов в мозге Психологи и нейробиологи разработали обширный набор методов исследования осознаваемых и неосознаваемых процессов в мозге.
Теперь мы располагаем целым арсеналом надежных методов изучения осознаваемых и неосознаваемых процессов в мозге
Сознательная когнитивная деятельность имеет много общего с оперативной памятью или вниманием. Такое умозаключение следует из результатов наблюдений за поведением.
5.2. Историческое развитие не остановилось. Расширяется практическое приложение когнитивной нейронауки.
В этой главе затронули ряд вопросов, которые пытается решать когнитивная нейронаука.
Над некоторыми из них люди задумывались издавна (например, связь психического и телесного), тогда как другие возникли в результате современных экспериментов.
В центре внимания в этой книге находится проблема научного подхода к соотношению психики и мозга.
Появление методов визуализации мозга побудило заново обратиться к многим вопросам (блок 1.4).
Когнитивная нейронаука сочетает психологию, нейронауку и биологию. Исторические корни этой дисциплины уходят в глубь веков к ранним документам, отражающим восточные и западные традиции.
Современные исследования посвящены темам, которые были недоступны всего лишь несколько лет назад.
Для студентов открываются новые профессиональные направления.
Возникают практические приложения в сферах образования, медицины, психотерапии.
Самые сложные задачи не решены, но чувствуется волнующая атмосфера ожидания.
Сведения о новых открытиях поступают быстрее, чем когда-либо прежде.
В этой главе дано общее представление о комплексном изучении психических явлений и мозга.
Сейчас уже есть результаты визуализационных исследований мозга в связи со зрением и слухом, научением и памятью, осознаваемыми и неосознаваемыми процессами, зрительными образами, внутренней речью.
Наука получила поистине исключительные возможности.
В большинстве визуализационных исследований мозга используются стандартные когнитивные задачи, что способствует интеграции поведенческих и нейрологических данных.
Когнитивная наука стремится осмыслить поток новых фактов. В этой главе даны общие исходные сведения.
Цель — показать, что объединение представлений о психических и нейрологических процессах часто приводит к неожиданным и ценным результатам.