Процессы мозга
Изучение процессов головного мозга — это история борьбы между наукой и религией, между материализмом и идеализмом.
О том, что мозг — всему делу голова, что он связан с «разумом», с «управляющим духом», догадывался еще Гиппократ.
Борьбы, не прекращающейся и поныне, когда наука о психике человека достигла больших успехов, когда человек не только понял принцип работы мозга, но и научился воспроизводить некоторые его функции, управлять им. Заставлять его «отказаться» от заболевших своих участков или «выправить» их работу.
Но до сих пор никак не удавалось узнать о тонких материальных основах умственной деятельности человека, о том, как записывается в мозгу человеческая речь. В Институте экспериментальной медицины АМН СССР были проведены исследования, многое прояснившие в психологической деятельности мозга.
Здесь впервые удалось соединить субъективное и объективное, ответить на вопрос: как выглядят слова и фразы в мозгу. Об этом, о работах лабораторий по расшифровке мозговых кодов, о разгадке тайн мышления и памяти, рассказывает директор этого института Наталья Петровна Бехтерева.
Код биологических процессов мозга
В последние годы физиологи все чаще употребляют слово «код» и все смелее ищут пути к расшифровке кода различных биологических процессов мозга.
Это естественно: мощные средства эпохи НТР позволяют применить новые методы и поставить задачи, еще недавно казавшиеся нереальными.
И, наконец, мозг человека эпохи НТР начал расшифровку самого сложного из всех кодов — своего собственного, мозгового.
Возможно ли узнать, как шифруются и расшифровываются сложные процессы в самой совершенной форме живой материи — в мыслящем мозге человека, как записывается там речь, где уловить ее шифр?
Можно ли, изучая работу структур мозга, по ее внешнему выражению — электричеству живого мозга — уловить ход мышления человека? Иначе говоря, можно ли изучить материальную основу мышления человека?
Одна из лабораторий Института экспериментальной медицины связана с клиникой болезней мозга. В тесном контакте с практическими врачами научные сотрудники института новыми методами лечат тяжелобольных людей — тех, кто еще недавно считался неизлечимым.
Вживление электродов в мозг человека в лечебных и диагностических целях сейчас осуществляется достаточно широко. При эпилепсии, гиперкинезах и некоторых других болезнях нервной системы вживление электродов производится во многие подкорковые структуры, в различные образования медиобазальных отделов височных долей, в височную кору больших полушарий.
В нескольких лабораториях в клиниках мира начались работы по зрительному и слуховому протезированию. Оно связано с введением множественных электродов в височную и затылочную кору. Это позволяет врачам и ученым не только лечить, но и изучать мозг точными методами — «живое» электричество приносит сведения о работе тех зон мозга, куда вживлены электроды.
Расширение клинических работ позволяет расширять и изучение процессов мозга. В нашем институте изучается работа тех его структур, которые обеспечивают возможность психической деятельности человека. Каждый год приносит сведения о все большем количестве изученных зон мозга. Это очень важно — ведь самые разные отделы мозга вносят вклад в обеспечение психической деятельности человека.
Получаются все более полные данные о звеньях системы обеспечения психических процессов головного мозга. И есть все основания полагать, что в ближайшие годы при интенсификации нейрофизиологических обследований могут быть получены сведения достаточной полноты, хотя и нет оснований надеяться на близкие сроки этого. Предстоит долгая и кропотливая работа собирания и анализа результатов исследований.
Этический аспект этих работ не вызывает возражений. Применяемые психологические тесты не выходят за рамки повседневного общения с больным, адаптируются по времени к лечебно-диагностическим процедурам и становятся в монотонной больничной жизни для большинства обследованных пациентов отвлечением от физического страдания, вызванного болезнью.
Много лет изучая материальные основы психики, лаборатория в последние годы поставила перед собой цель выяснить, каким образом в мозгу шифруются и расшифровываются звуковой состав и смысл слов, процессы ассоциаций, умозаключений, принятия решений. Иначе говоря, расшифровать биоэлектрический код слов, понять, как кодируется в мозгу процесс мышления, запоминания.
Запись электрической активности нервных клеток из глубин мозга ведется во время беседы с пациентом. Слово услышано, слово произнесено, произнесен слог, слог соотнесен с тем или другим словом, произнесен ряд слов одного смыслового поля (лето, зима, весна, осень), дано обобщение (время года). По ходу всего этого на приборе идет запись импульсов («щеточки»), поступающих от нервных клеток глубинных структур мозга. Затем с помощью компьютера эти записи анализируются.
Сейчас уже можно судить о том, как коррелирует определенный рисунок «щеточки» на приборе с определенным словом и его составляющими, как выглядит слово в мозгу, какими сигналами шифруется в его работе и как дается команда на произнесение определенного слова.
Шесть лет работы лаборатории, в которой одну из ведущих ролей выполняют нейрокибернетики, физики и математики, которая оснащена своей вычислительной техникой и связана с большим вычислительным центром, позволили прийти к выводам, имеющим важнейшее значение для понимания работы мозга.
У каждого свой паттерн
Теперь мы знаем: каждому слову, которое думает или произносит человек, соответствуют совершенно определенные биоэлектрические перестройки (мы называем их «паттернами»).
Компьютер выделяет паттерны — коды слов, паттерны — коды слогов.
У каждого человека есть свой электрический паттерн-код для каждого слова (так же, как есть и свой почерк при написании слова или своя манера его произносить).
Ведь в личном опыте каждого человека накапливаются отдельные, присущие только этому человеку признаки понятий — слов.
Эти признаки нередко имеют различные входы и различное представительство в мозгу. И в то же время у всех людей есть и общее между — шифровкой слов и мышления.
Например. Названия различных видов мебели — это конкретные элементы общечеловеческой «системы» — мебель. Каждое отдельное название может быть элементом строго индивидуального (иногда эмоционально окрашенного) смыслового поля.
Но все названия этих отдельных видов («стол», «стул», «шкаф», «диван») вводятся общечеловеческим опытом в понятие «мебель».
Важно подчеркнуть и еще одну сложность: введение понятия (слова) в одно общее смысловое поле не исключает его принадлежность к другим общим и индивидуальным смысловым полям. Скажем, диван как принадлежность понятия «отдых». Или же слово «стол» входит в «системы», где обобщающими будут понятия «обед», «занятия», «прием», «операция».
Код каждого конкретного слова может быть связан с определенным участком мозга. С определенными нейронными популяциями этого участка. Но код, обнаруженный в одной популяции,- еще не полный «портрет» слова.
Его смысл, являющийся результатом видового и индивидуального опыта, заставляет активизироваться те корковые (и подкорковые) области, где закодированы другие его, и особенно смысловые, грани. Долгосрочное хранение в памяти признаков предмета и слова, его обозначающего, возложено, по-видимому, не только на кору, но и на подкорковые образования.
Одна из задач работы формулировалась так: выявить нейрофизиологические принципы и конкретные формы, отражающие смысловую общность или различие слов.
С этой целью изучались нейрофизиологические процессы, протекающие при выполнении психологических тестов на обобщение. Изучалась импульсная электрическая активность нервных клеток в одной или нескольких нейронных популяциях у больных с вживленными электродами.
Тест проводится так. Произносят слова, скажем: «дуб», «осина», «ель»… Или «стол», «диван», «шкаф»… И спрашивают, как можно обобщить эти слова, ожидая услышать от пациента в ответ слова — «деревья», «мебель»…
Многочисленные исследования показали, что слова кодируются в мозгу как сложные звуковые сигналы и как сигналы, имеющие смысловое, «специально человеческое» значение. Слово произнесено. Или слово услышано. Динамика электрических разрядов нервных клеток срочно перестраивается. Меняется частота, группировка разрядов.
Меняется характер взаимодействия близлежащих нервных клеток и их групп, которые обеспечивают появление биоэлектрического эквивалента, материальной биоэлектрической основы именно этого слова. Наши исследования подтвердили, что кодирование словесных сигналов происходит на уровне ансамблей нервных клеток, а не в одной из них.
Далее мы пошли по двум основным путям — изучению кода самих психических процессов и расшифровке кода отдельных слов. Чтобы поэтапно изучать код психических процессов (прежде всего типа умозаключений и простейших видов принятия решения), важно было получить достаточно представительные паттерны — эталоны различных слов.
Имея в своем распоряжении паттерны — эталоны слов, можно затем находить в рисунке импульсной активности, возникающей по ходу психологического теста, паттерн-код того же слова. Должна заметить, что высокая индивидуальность человека заставляет ученых, изучающих процессы мышления в каждом отдельном случае, для каждого исследуемого лица накапливать свой индивидуальный запас паттернов — эталонов слов.
На основании полученных данных удалось построить принципиальную схему соотношения акустического, смыслового и акустико-моторного элементов в кодировании процессов психической деятельности.
Первоначально слова кодируются, как уже было сказано, по законам кодирования сложных акустических сигналов. При этом слово сразу же опознается по отдельным звукам, фонемам, слогам, а возможно, и целым блоком — на основе индивидуального базиса долгосрочной памяти.
На уровне акустического кодирования возможен предварительный отбор, фильтрация информации. После активизации смысловой долгосрочной памяти в мозгу код «обогащается», становится смысловым.
Этот код мозг человека использует далее в других, более сложных психических процессах. В процессе умозаключения, например, наблюдались как минимум две фазы, и в первую очередь — «взрывная» активизация долгосрочной памяти, связанная с заданием смыслового (ассоциативного) поля. Она была «вызвана к жизни» предъявленным изображением и детерминирована (определена) словесным заданием.
В первой и последующих фазах теста подавляющее большинство кодов появилось в компрессированной форме (от латинского «compressus»- «сжатый»), подобно не полностью сложенному вееру. При этом развертывались только те из его «пластинок», которые имели самое непосредственное отношение к входному сигналу и ответу. Наряду с компрессированными появились и различного рода комплексные формы кода.
Эти исследования показали, что для принятия решения человеческому мозгу, по-видимому, достаточно компрессированных кодовых форм. Факт сам по себе очень важный для понимания их физиологической роли. Компрессированные кодовые формы — не только базис для последующего появления развернутых кодов. В процессах мышления и памяти они могут иметь самостоятельное значение оперативных единиц.
В дальнейшем предстоит выяснить, не являются ли именно компрессированные и комплексные кодовые формы основными оперативными единицами психической деятельности. Развернутому коду в процессах восприятия, формирования базиса долгосрочной памяти и управления речевой продукцией, видимо, должна быть отведена своя, особенная роль.
Нельзя недооценивать принцип избыточных возможностей мозга в обеспечении психической деятельности. Однако была бы ошибочной и недооценка фактора экономичности в механизмах мозга. Интригующим и перспективным, на мой взгляд, может оказаться путь поиска тех кодовых форм хорошо известных слов (вторичных, третичных), в которых сходство с развернутым паттерном-кодом практически утрачено. Назовем этот путь условно поисками иероглифов — целых слов или частей, эти слова составляющих.
Изучение процессов головного мозга
Изучение мозговых кодов только начато. Однако есть все основания надеяться, что именно на этом пути будут получены основополагающие данные для понимания сложнейших механизмов мозга и нарушений психических процессов головного мозга при заболеваниях.
Что именно здесь будут разгаданы нейрофизиологические механизмы нарушения процессов мышления у психических больных.
Можно надеяться, что далее это будет использовано для разработки новых принципов лечебной коррекции нарушений психики человека.
Изучение активности нейронных популяций показало, что можно выделять и рассматривать поведение сколь угодно малых групп нервных клеток.
В наших исследованиях были использованы математические программы и технические решения, которые позволили четко идентифицировать активность отдельных нервных клеток в большой их группе.
Детальное изучение составляющих кода слов — и, таким образом, собственно расшифровка этого кода — в различных группах нервных клеток показало, что при кодировании слов в импульсной активности появляются характерные групповые последовательности разрядов, состоящие из двух, трех, четырех и редко более импульсов с характерными постоянными интервалами между ними. Эти последовательности импульсов в данной зоне мозга специфичны для данного слова и не обнаруживаются в фоновой активности.
При кодировании того же слова в соседней или удаленной группе нейронов также появляются высокоспецифичные импульсные группировки, причем как весьма сходные с первыми, так и отличные от них.
Как показано в исследованиях этого кода, эти последовательные группировки разрядов отражают определенное и весьма строгое взаимодействие разных нейронов. Этот этап работы позволил вновь вернуться к исследованию принципа формирования обобщения.
Процесс формирования обобщения включает отдельные составляющие, но не есть процесс «суммирования элементов». Обобщение — это возникновение нового качества, нового понятия и нового паттерна. Сейчас уже доказано, что из импульсного кода слов-элементов входит в код обобщающего слова и что в коде слова-обобщения появляется нового.
Явление сходного типа зарегистрировано при изучении последовательных группировок разрядов нервных клеток в паттернах — кодах слов одного смыслового поля («весна», «лето», «зима», «осень» и обобщения — «времена года»).
Результаты проведенных исследований выявляют и конкретные различия, и принципиальную общность в кодировании слов. В первом случае различные и общие последовательные группировки разрядов обнаружены в разных группах нервных клеток при кодировании одного и того же слова. Во втором — в одной и той же группе нервных клеток, но в паттернах — кодах различных слов общего смыслового поля.
Напрашивается вывод: группировки и в том и в другом случае отражают нейрофизиологический механизм (или один из механизмов) объединения элементов системы обеспечения психических процессов мозга. Эти данные проливают свет на один из важнейших аспектов проблемы — на механизм объединения отдельных звеньев, отдельных нейронных популяций в совместно работающую систему.
Вместе с тем различия в кодовых формах в разных группах нейронов показывают, что в работе этой системы обязанности кода распределены. Следовательно, в представлениях о работе системы должен обязательно учитываться и взаимодополняющий принцип функции различных ее звеньев.
И сейчас (а особенно в дальнейшем!) эти данные могут рассматриваться как подтверждение выдвинутых нами в 1971 году представлений о взаимодополняющей роли различных звеньев системы мозга, обеспечивающей психическую деятельность.
Приоткрылась завеса над важнейшей триадой, лежащей в основе функционирования мозга: структура мозга, ее активность и принцип взаимодействия структур в процессе обеспечения мышления и памяти.
Наше предположение о том, что в импульсной активности групп нервных клеток можно обнаружить корреляты той степени тонкости связи с восприятием, с удержанием слова памяти, с его воспроизведением, которые правомерно рассматривать как паттерн — код слов, в проведенных исследованиях полностью подтвердились. Сейчас не только выделен код слов, но и показаны его элементарные составляющие.
В нейрофизиологии так же, как и в генетике (нуклеотиды в двойной спирали ДНК), велись поиски составляющих биоэлектрического кода слов и устанавливались основные правила их взаимодействия. Тонкие исследования кода вновь подтвердили принцип жесткости и гибкости в механизмах мозга, где роль жесткого механизма играют общие, а гибких взаимодополняющие элементы кода, различные в различных популяциях.
