Что происходит в мозге, когда человек учится

МЕНЮ


Искусственный интеллект. Новости
Поиск

ТЕМЫ


Внедрение ИИНовости ИИРобототехника, БПЛАПсихологияТрансгуманизмЛингвистика, обработка текстаБиология, теория эволюцииВиртулаьная и дополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информации

RSS


RSS новости

Авторизация



Новостная лента форума ailab.ru

2017-12-17 15:00

работа мозга

Еще в XVII веке Рене Декарт писал о «животных духах», перемещающихся по порам в мозге человека. Когда животный дух проходит по одному и тому же пути несколько раз, этот путь становится для него все более проходимым. Человек пытается что-нибудь вспомнить — и дух легче проходит через поры знакомой дорогой. Фактически Декарт был близок к описанию того, что современная наука называет следами памяти (traces of memory). Речь идет о временных связях в коре головного мозга, формирующихся при запоминании.

Получается, постановка проблемы в сфере исследований научения в современной нейронауке почти не отличается от сформулированной в XVII веке. Чтобы понять процесс формирования навыков, последователям Декарта нужно было изучить свойства пор, по которым ходят духи, узнать специфику их структуры, разобраться с механизмом проницаемости. Современная наука продолжает тот же курс, только вопросы формулирует в новых терминах: вместо духов бегают импульсы нейронов, проникающие не через поры, а через синапсы. Какие синапсы являются обучающими, а какие — обучаемыми? В каких структурах мозга больше таких синапсов? За счет чего они становятся более проходимыми?

Специализация нейронов и модификация памяти

В наиболее четком виде альтернатива декартовской парадигме в области механизмов научения была предложена в XX веке российским нейробиологом и психофизиологом Вячеславом Швырковым и лауреатом Нобелевской премии по физиологии или медицине американцем Джералдом Эдельманом. В 1987 году Эдельман написал книгу «Нейродарвинизм», в которой выдвинул теорию отбора групп нейронов. Швырков к тому времени сформулировал системно-селекционную теорию научения. Так родилась очень важная для когнитивной науки идея селекции и специализации нейронов при научении. Она сменила представление о том, что нервная система представлена сетью гомогенных элементов. Следовательно, память и обучение — это изменение весов синапсов в сети.

А затем стало ясно, что что все нейроны — разные, а не гомогенные элементы сети, и это надо учитывать. Еще в начале ХХ века советский физиолог Петр Анохин подчеркивал, что процессы метаболизма, скажем, нейронов человека и животного различаются, хотя и имеют общие механизмы возбудимости, основанные на изменении поляризации мембраны при проникновении в клетку нейронов ионов натрия и хлора. Это означает, что нервная система не состоит из гомогенных нейронов, что нейронные связи различны, как и степень сложности разных сетей. Мы имеем дело с морфологически похожими, но при этом все-таки разными клетками.

Сегодня, изучая процессы научения, обращают внимание не только на изменение функционирования, но и на морфологию нейронов. Мы точно знаем, что человек пытается решить проблему за счет, с одной стороны, привлечения уже имеющегося у него опыта, с другой — за счет формирования нового опыта. Каждому из этих двух параллельных процессов соответствуют морфологические изменения. Динамику формирования системной специализации нейронов и механизмы модификации ранее сформированной памяти нужно рассматривать как связанные процессы.

Из новых представлений о нейронных механизмах научения есть много интересных следствий. Например, нельзя говорить, что пожилые люди обучаются хуже молодых — они просто по-другому обучаются и формируют навыки. Пожилой человек забывает что-то, потому что он не формирует новую систему решения для каждого нового случая. Он рекомбинирует старый опыт и выполняет нужную задачу, а предыдущей комбинации уже нет, знаний из памяти он извлечь не может. В молодости процесс научения развивается иначе. Когда возникает необходимость выработать новый навык, у человека заранее есть множество новых, «резервных» нейронов, приобретающих специализацию. Мы приходим к выводу, что старость нужно рассматривать не как изношенность клеток мозга, а как другой способ адаптации к изменениям, как процессы на разных этапах научения и консолидации памяти, отличающиеся от тех, что мы видим в молодом организме.

«Старость нужно рассматривать не как изношенность клеток мозга, а как другой способ адаптации к изменениям, как процессы на разных этапах научения и консолидации памяти, отличающиеся от тех, что мы видим в молодом организме».

Врожденные и приобретенные навыки

Когда у человека появляется необходимость решить проблему, с которой он не сталкивался до этого, человеку необходимо сформировать новый навык, и для этого мозг выделяет группу нейронов, которые получат поведенческую специализацию. Для конкретной задачи подойдут только нейроны конкретного типа. При этом, возможно, часть нейронов (или все они) уже были как-то модифицированы в рамках предыдущего опыта решения проблем из той же области.

Метафорически предположим, что мы имеем дело с треугольной проблемой. Для ее решения подбираются нейроны треугольного типа. Нейроны могут быть разными, но в любом случае они должны быть треугольной формы. Из-за разнообразия принципиально возможных вариантов треугольника нейроны индивида должны модифицироваться, чтобы стать треугольными под конкретный треугольник, с которым именно данный человек столкнулся в его индивидуальной жизни.

Это приводит нас к необходимости переосмыслить проблему врожденного. Все, что обычно называется врожденным, является таковым только в том смысле, что ему предназначено быть треугольным, но неизвестно, каким именно треугольным. У каждого человека треугольники, встретившиеся в жизни, будут разными. Значит, треугольные нейроны станут неповторимо треугольными у каждого человека. Поэтому даже абсолютно врожденный тип поведения вроде сосания и дыхания проходит через индивидуализированную стадию научения, через стадию формирования этого навыка, который оказывается поэтому индивидуализированным.

Когда для решения треугольной проблемы находятся треугольные нейроны, возникает необходимость сделать их конкретно треугольными. Этот процесс предполагает морфологические изменения, при которых происходит не просто возбуждение, но и перестройка синапсов — появление новых и исчезновение старых. Процесс формирования нового бутона нейронов занимает около 20–40 минут. При этом устойчивость морфологических изменений подразумевает вовлечение генетической активации нейронов. При возбуждении нейронов в течение длительного времени происходит экспрессия так называемых немедленных ранних генов. Продукты их активации (белки) вызывают экспрессию поздних морфогенетических генов, которая определяет перестроение морфологии нейронов. Нейроны становятся пригодными для решения нужной задачи. Таким образом, каждый новый поведенческий акт сопровождается формированием новой группы специализированных клеток. Она же впоследствии в основном будет отвечать за этот же поведенческий акт на протяжении всей жизни человека.

То, что процесс научения выглядит именно так, тоже ведет к любопытным выводам. Например, это означает, что человек может забыть освоенный конкретный навык (не отдавать себе отчет, что он умеет что-либо), но на самом деле навык остается с этим человеком навсегда. Или, например, мы понимаем, что у нас есть опыт, приобретенный за счет внутриутробной специализации нейронов: экспрессия ранних генов при научении происходит уже на стадии эмбрионального развития. Оказывается, внутриутробный опыт оказывает влияние на принятие решений взрослыми людьми.

«У нас есть опыт, приобретенный за счет внутриутробной специализации нейронов: экспрессия ранних генов при научении происходит уже на стадии эмбрионального развития. И этот внутриутробный опыт оказывает влияние на принятие решений взрослыми людьми».

Специализация и смерть нервных клеток

Большая часть из обучающихся нейронов — молчащие нейроны. У нас есть большой запас таких нейронов, они активируются именно при возникновении проблемы, которую необходимо решить. При этом запас постоянно пополняется вплоть до старости (этот процесс называется нейрогенезом, и, кстати, поэтому утверждение, что нервные клетки не восстанавливаются, — миф). Активация молчащих нейронов связана с дефицитом питания и гиперактивностью мозга в процессе научения. Молчащие нейроны проходят отбор, исходя из их соответствия определенной задаче, и меняют форму. Именно так человек получает относительно сформированные новые специализации. Но навыки, сформированные до этого, не исчезают. Первоначальный опыт никогда не остается неизменным, новый опыт его модифицирует. Самый ранний опыт — внутриутробный. Самый поздний опыт — самый недавний. Сейчас мы пытаемся подступиться к вопросам о том, как соотносятся случаи специализации молчащего нейрона из запаса, случаи специализации недавно рожденных нейронов, случаи изменения нейронных структур предыдущего опыта.

Нам уже удалось узнать, исследуя как импульсную, так и генетическую активность нейронов, как новые нейроны используются для формирования новых навыков. Другими авторами показано, что если искусственно заблокировать процесс нейрогенеза — а отдельные нейроны можно избирательно блокировать химическими методами, — то освоение опыта и формирование памяти основательно ухудшится. Но причины включения в освоение нового поведения одновременно и клеток запаса, и новых нейронов в целом до сих пор неясны.

Интересно, что совсем недавно удалось показать, что, помимо всех описанных выше процессов, есть еще один: оказывается, часть нейронов погибает во время научения в результате апоптоза. Часть специализированных нейронов и часть молчащих нейронов самоустраняются, чтобы дать жизнь другим. В исследованиях, проведенных совместно с нами в лаборатории нейрохимика Владимира Вячеславовича Шерстнева, было экспериментально показано, что при формировании нового навыка уровень апоптоза растет. Еще предстоит изучить, почему для части нейронов оказывается невозможным существовать при новом опыте.

«Во время научения часть специализированных и молчащих нейронов самоустраняются, чтобы дать жизнь другим. Нам еще предстоит изучить, почему для части нейронов оказывается невозможным существовать при новом опыте».

Так как выяснилось, что общий принцип формирования навыка намного сложнее, чем это представляли раньше, стали предприниматься попытки вычислить число нейронов, изменяющихся в рамках этого процесса. Такие подсчеты велись только для нейронных процессов животных. Вероятно, эти подсчеты немного наивны, но это первые шаги. Они предполагают, что можно пройти через толщу коры головного мозга, а затем подсчитать число новых специализированных нейронов и их долю от общего числа нейронов этой области мозга. Это позволяет приблизительно узнать соотношение специализировавшихся и неспециализировавшихся нейронов во всей коре. Далее необходимо вычислить, какой процент всех этих клеток был задействован для формирования навыка в рамках конкретного поведенческого акта. Из таких исследований на животных можно сделать предположения, что нейронов для научения в течение всей жизни индивиду, в том числе человеку, по всей видимости, хватит.

Культурные и социальные факторы научения

Сейчас мы точно знаем, что у людей в разных культурах разные когнитивные процессы. Это связано как с нейрогенетическими особенностями наций, так и с культурным контекстом. Нейронные структуры представителей разных культур связаны с тем, что люди по-разному видят, по-разному слышат, по-разному обучаются, по-разному запоминают. Например, жителей западных стран из-за этого считают хорошими аналитиками, азиатов — холистами, то есть целостниками. Эксперименты показывают, что если попросить американца и китайца описать один и тот же объект, они подойдут к заданию по-разному. Американцы будут смотреть на объект и его важные характеристики (это можно узнать, отслеживая движение глаз), китайцы обратят внимание и на окружение объекта. Происходит это потому, что у людей из разных культур разные способы мышления и классификации.

Один из известных экспериментов, иллюстрирующих эти различия, сводится к тому, что у людей разных культур спрашивают: с чем больше ассоциируется корова — с курицей или с травой? Ответы различаются, потому что люди из разных культур используют различные способы классификации. Аналитики классифицируют объекты таксономической принадлежностью к одному классу, в данном случае — к животным, холистам важнее отношение между объектами: они ассоциируют корову с ее пищей, травой.

Мы самостоятельно изучали различные экономические, административные и ментальные матрицы западных и незападных стран. Как оказалось, важными факторами, влияющими на процесс научения, являются погода, связанная с ней экология, связанные с ней способы социального взаимодействия, в частности экономического, распространенные поведенческие паттерны. К тому же культурно специфична и мотивация. В зависимости от особенностей мотивации эффекты научения могут быть разными, и в разных культурах используются разные мотивации к научению. Влияние всех этих факторов на то, как люди осваивают новые навыки, действительно экспериментально можно подтвердить на уровне мозговой активности.

Мой коллега Алексей Созинов недавно завершил исследование российских и финских школьников. Он показал, что в двух различных ситуациях — ситуации достижения и ситуации избегания — процесс научения происходит по-разному, притом что проблему вы можете решать одну и ту же. Соответственно, и опыт ученика внутри школы можно разделить на достигательный и избегательный. Исследования показывают, что домен избегательного опыта у нас оказывается намного богаче.

Эксперимент заключался в следующем: учеников просят решать простые школьные задачи. В одной ситуации школьники получают баллы за решенные задачи (в том случае, если они не справились с заданием, они не получают ничего). В другой — у каждого ученика имеется изначальный счет, очки с которого снимаются за неправильные решения (в случае правильного решения баллы не снимаются). Выяснилось, что научение протекает по-разному в зависимости от типа мотивации — достижение или избегание, — интерференция выглядит по-разному. Результаты таких исследований, конечно, нужно учитывать при построении школьных программ.

Самая интересная проблематика, которую можно исследовать во взаимосвязи с корпоративным обучением, — взаимодействие людей в группе. Любой поведенческий акт, даже тот, который сделан в полном одиночестве, социален. Эта социальность воплощается в языке, выполняющем функцию надзора, так или иначе ограничивающего индивида. Язык в этом контексте рассматривается как специальный инструментарий для межличностного взаимодействия, для кооперации. При изучении взаимодействия людей возникают вопросы: «Когда появляется необходимость коллективного решения определенной задачи?», «Как взаимодействуют различные интеллекты внутри группы?»

Одно из нашумевших исследований, опубликованное психологами Университета Карнеги — Меллон в 2010 году, показало, что коллективный интеллект не сводится к простой сумме интеллектуальных способностей людей одной группы, занятых решением одной задачи. Эффективность решения задач зависит во многом от сочетаемости людей. Результаты таких исследований могут помочь нам разработать принципы для наиболее эффективного объединения людей в группы, для повышения коллективного интеллекта и так далее.

«Одно из нашумевших исследований, опубликованное психологами Университета Карнеги — Меллон в 2010 году, показало, что коллективный интеллект не сводится к простой сумме интеллектуальных способностей людей одной группы, занятых решением одной задачи. Эффективность решения задач зависит во многом от сочетаемости людей.»

Перспективы исследований

Открытых вопросов в нашей области тоже немало. Во-первых, все еще не до конца изучен процесс формирования специализированных нейронов в старости. Этот вопрос имеет огромное практическое значение: мы сможем лучше понять способы обучения людей в старости.

Во-вторых, до сих пор непонятно, что происходит с молчащими нейронами при каждом новом витке обучения. Нужно разобраться, как обучение тому или иному поведению влияет на весь последующий путь развития человека.

В-третьих, все еще неизвестно, чем по своим метаболическим потребностям различаются между собой нейроны, сформированные для различных целей (треугольные нейроны от квадратных, если продолжать сравнение). Чтобы это выяснить, нужны специальные эксперименты — изучать нейрон, подводя к нему те или иные вещества и анализируя его изменения при том или ином поведении индивида. Это поможет обнаружить метаболическую специфику разных нейронов в течение разных процессов научения.

Помимо задач фундаментальной науки, важно построить мостик к прикладным возможностям от анализа нейронных механизмов в лабораториях. Потенциал применения результатов наших исследований в педагогических и воспитательных целях явно велик. Должно продолжиться изучение кросс-культурных различий, должны развиваться когнитивные нейронауки. Я верю в большие достижения cognitive neuroscientific sociology, которая должна отличаться от social neuroscience и сосредоточиться на изучении социальных и групповых аспектов, для которых нейро- выступало бы в качестве метода, а не цели.


Источник: postnauka.ru