Декодирование мыслей: 6 научных исследований о механизмах мышления

Экология сознания: Воображение, наравне с романтической любовью, лидирует в списке самых мифологизированных механизмов человеческого мозга. Откуда берутся новые симфонии, как люди додумались до изобретения первых орудий труда

© Barnaby Barford

Как работает воображение

О наличии такой нейронной сети говорилось давно, но вот однозначных доказательств у теории не было. Проводя их поиск, команда исследователей под руководством Шлегеля отобрала 15 добровольцев. Им было дано задание представлять себе абстрактные зрительные образы, а затем комбинировать их, усложняя. В это время их мозг сканировался с помощью МРТ. Исследователи обнаружили нейронную сеть, распределенную по значительной части мозга, — именно она отвечала за воображаемые манипуляции с образами. Полученные данные практически полностью подтвердили имевшиеся теоретические данные об «интеллектуальном рабочем пространстве».

«Наша находка помогает понять, как именно устройство мозга выделяет наш вид среди прочих и в перспективе может помочь в воссоздании тех же креативных процессов в машинах», — не без гордости говорит Алекс Шлегель.

Рождены быть эмпатами

Руководитель проекта Джеймс Коан и его коллеги хотели узнать, какие области мозга отвечают за эмпатию и когда она включаются. Эксперимент состоял в том, что мозг 22 добровольцев сканировался в томографе, в то время как их самих, одного из их друзей или постороннего им человека слегка били током. Как и предполагали ученые, области мозга испытуемых, ответственные за реакцию на угрозу, активизировались, когда удар угрожал им самим. В случае угрозы удара незнакомца эти области проявляли слабую активность. Однако когда ударить должны были друга, мозговая активность у испытуемых была точно такой же, как и когда ученые собирались ударить током их самих.

Таким образом, эксперимент показал, что мы чувствуем эмпатию с другими оттого, что ассоциируем их с собой. «Грубо говоря, другие люди становятся частью нас самих — и это не метафора, не лирика, это реальность, — говорит Джеймс Коан. — Вследствие этого наша самоидентификация во многом основана на том, кому мы сопереживаем».

Эмпатия, добавляет Коан, ценное эволюционное приобретение — люди жили и живут под угрозой лишения ресурсов, но, строя дружбу, они приобретают тех, кому могут доверять и кто становится частью их самих. Таким образом, возможности к получению и защите ресурсов расширяются, а цели становятся общими — это часть стратегии выживания. И хоть времена и меняются, стратегия остается прежней. Наверное, и к лучшему.

Открывая глаза утром, мы вряд ли задумываемся о том, какую огромную аналитическую работу проводит наш мозг, просто чтобы мы увидели будильник, люстру и занавески. Но форма предметов у нас в голове обретает смысл не сама собой, а как раз благодаря этому анализу. Где именно и как это происходит, изучали Дэвид Зокколан из итальянского института SISSA совместно с командой Риккардо Зеццина из Политехнического университета Турина.

Область мозга, интересовавшая ученых, — нижневисочная кора. Это самая развитая из сенсорно-визуальных зон мозга, конечная станция обработки изображения, зафиксированного сетчаткой. Ее исследования велись давно, но новое слово в них появилось на рубеже 2007–2008 гг. Если до этого ученые были уверены, что, обработав картинку, нижневисочная кора «передает» ее дальше, в другие области мозга, где та обретает семантический смысл, то после появилась теория о том, что эта же зона мозга отвечает и за смысл изображений.

Разобраться, как все обстоит на самом деле, и попытались Зокколан с коллегами. Проанализировав большой объем данных, полученных на приматах, ученые пришли к неожиданному выводу — нижневисочная кора «не разменивается». Для всех классов объектов она занимается только визуальной обработкой, а вот когда речь заходит о классе «животные с 4 ногами», то она же отвечает и за семантическую классификацию, то есть за оценку «функционала» увиденного объекта. Кроме этого, итальянцам удалось выяснить, что эта же зона мозга отвечает и за «низкоуровневое» кодирование изображений, но значение этого открытия ученым только предстоит выяснить.

Фальшивое прошлое

Ассоциативные воспоминания формируются как цепочка из взаимосвязанных элементов — картинок, звуков, запахов, ощущений. Эти ассоциации кодируются химическими и физическими изменениями в нейронах и нейронных связях. Сети нейронов, хранящие воспоминание, называются следами памяти, или энграммами. Именно с ними и работали ученые. Ключевым был вопрос, возможно ли подлинную энграмму заменить ложной. Фальшивые воспоминания «внушали» мышам.

Вначале мышь сажали в клетку А. После того как она изучала ее, ей активировали определенные клетки памяти. На следующий день мышь помещали в клетку B и там слегка ударяли током. В это же время ей активировали те же нейроны, что и в клетке A. На третий день мышь вновь сажали в клетку A, где она тут же замирала от страха — при том, что здесь она не получала разряда тока. Дело в том, что у нее включались фальшивые воспоминания: мышь испытывала страх в клетке A, потому что вместе с ударом в клетке B она переживала воспоминания о клетке А.

Исследователи обнаружили, что сразу после вызова ложной памяти уровень активности в «центре страха» мозга мыши был точно таким, как и при реальных воспоминаниях.

«Мы выяснили, что можем реактивировать и менять воспоминания в мозге. Это означает, что сейчас мы можем получить ответы на вопросы, которые до этого поднимались разве что в sci-fi сериалах», — радуется один из исследователей Стив Рамирез.

Где рождается математика

Сегодня языком формул можно описать весь спектр известных науке явлений, от спирали ДНК до спиральных галактик. При этом единого мнения о том, является математика собственным языком вселенной или изобретением человеческого разума, пока нет. Его-то и обсудили четверо ученых по инициативе Фонда норвежского физика-мультимиллионера Фреда Кавли.

Нейробиологи, активно исследующие области мозга, ответственные за математическое мышление, считают, что математика «берется из головы». «Числа — это не свойство вселенной, но скорее отражение биологической подоплеки того, как люди осмысляют мир вокруг себя», — говорит Рафаэль Нуньез, профессор когнитивистики Калифорнийского университета. С ним соглашается, Брайан Баттеруорт, почетный профессор когнитивной нейропсихологии Института когнитивной нейронауки Университетского колледжа Лондона: «Числа — скорее мощный способ описания некоторых аспектов вселенной, чем ее неотъемлемая часть».

Оппонентами Нуньеза и Баттеруорта стали физики Симеон Хеллерман и Макс Тегмарк. «Думаю, многие физики согласятся, что должно существовать какое-то полное описание Вселенной и законов природы, и в этом предположении имплицитно то, что Вселенная по своей природе математическая», — говорит Хеллерман, доцент Института физики и математики Вселенной Университета Токио. Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, согласен с коллегой: «Люди всего лишь открывают математические структуры Вселенной, существующие независимо от них». Дискуссия прошла публично в Google Hangouts, и остается надеяться, что она станет основой для дальнейших, еще более успешных исследований.

Как память становится долгой

Японские ученые проводили исследование на рыбке данио рерио. Рыбок с помощью легких ударов током обучали реагировать на красный светодиод как сигнал опасности. Со временем его свет начал вызывать точечную нервную активность в той части мозга рыбок, которая соответствует человеческой коре головного мозга. Затем у данио рерио удаляли этот регион мозга, но они по-прежнему были способны реагировать на сигнал об опасности. Правда, память о нем стала исключительно кратковременной, долговременные же воспоминания не сохранялись. «Это говорит о том, что долговременная и кратковременная память формируется и хранится в разных отделах мозга. Мы думаем, что кратковременная память становится долговременной в кортикальной области мозга», — говорит Аоки.

Еще одно исследование включало в себя обучение рыбки сразу двум сигналам — красного и синего светодиодов. Эксперимент показал, что за запоминание каждого из них отвечали разные группы нейронов конечного мозга. Это говорит о том, что разные поведенческие программы хранятся и воспроизводятся разными группами нервных клеток. Полученные результаты стали первым опытом наблюдения «сборки» памяти.