Расшифровке содержания мозговых процессов по их объективно регистрируемым параметрам посвящено новое направление исследований, которое получило обозначение «чтение мозга» (brain reading). Такие работы, как правило, проводятся с использованием достаточно сложного математического аппарата, включая методы распознавания образов, основанных на выявлении определенных комбинаций мозговых параметров. Данный подход соответствует представлениям о комплексном, системном характере процессов мозга, лежащим в основе психических функций. Рассматриваются основные направления работ по чтению мозга.

The new approach in the brain functions studies, i.e. the brain reading is now rapidly developed. Such studies are devoted to decode the content of the brain processing using their physiological parameters. As a rule the rather sophisticated mathematical apparatus is applied in these studies, including the techniques of images recognition which are able to reveal the multiparametric combinations of the brain parameters. These techniques exactly correspond and are quite adequate to the complex and integrated nature of the brain processes underlying mental events. The main branches of the brain reading researches are reviewed.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: проблема «сознание и мозг», молекулярная и интегративная физиология, мышление, чтение мозга, распознавание образов.

KEY WORDS: “the brain and mind” problem, molecular and integrative physiology, brain reading, image recognition, thinking.

Психические переживания возникают на основе работы мозга. Его деятельность исследуется методами естественных наук, важной составной частью которых являются измерения. Однако содержание сознания: наши ощущения, чувства и мысли, – объект изучения гуманитарных наук. Следуя этой логике, можно прийти к выводу, что путь к решению проблемы сознания состоит в том, чтобы понять содержание и смысл нервных сообщений. Это позволило бы также, до известной степени, соединить естественно-научное и гуманитарное знание. А.С. Пушкин использовал слова «поверить алгеброй гармонию». Представляется, что это достаточно точное определение того, чем занимается наука, и в полной мере относится к возможному объединению двух основных видов человеческого познания.

Исторически разделение наук на естественные и гуманитарные возникло в давние времена. Так, один из ведущих богословов раннего средневековья блаженный Августин (IV-V в. н.э.) различал знание, полученное путем наблюдений и измерений, которое он обозначал как scientia, и знание, постигаемое через умозрительные заключения и веру, определяемое как sapientia. Противопоставление этих двух областей знания в дальнейшем только усиливалось. Так, Фома Аквинский (XIII в.), труды которого были позднее канонизированы католической церковью, считал, что две области знания не пересекаются и имеют свои ограничения. Даже всемогущий бог не может изменять законы природы, например, сделать сумму углов треугольника меньше двух прямых. Знаменательным событием в развитии научного познания стало создание в 1660 г. Королевского общества – британского аналога академии наук. Его девиз был обозначен как nullius in verba (ничего на словах). Под этим понималось, что ничто не принимается на веру на основе только словесных построений, все должно быть измерено, повторено и доказано опытным путем, как правило, публично на открытых собраниях членов общества. Такой подход был контрастом к схоластическим спорам средневековых богословов. Он стал мощным стимулом в развитии  естественных наук: открытия делались одно за другим.

Идея о том, что психика и сознание человека тоже могут быть объектом естественно-научного исследования, даже на этом фоне была революционной. Подробный анализ того, как возникла эта идея, выходит за рамки настоящей статьи, но предметом гордости для нас является то, что одними из первых, кто встал на этот путь, были русские ученые И.М. Сеченов и И.П. Павлов.

Какие же подходы к решению данной проблемы могут рассматриваться в настоящее время как наиболее перспективные? Речь пойдет не о конкретных теориях сознания [Иваницкий, Иваницкий 2009], а о некоторых общих методологических подходах. Известно, что большие успехи достигнуты в исследовании молекулярных механизмов физиологических функций. Возникло даже дополнение содержания давно существующего термина «молекулярная физиология», которое видится в том, что в молекулярно-физиологических исследованиях ставится задача не только детально изучить какой-либо определенный тонкий механизм на уровне клетки, синапса или гена, но и понять его роль в осуществлении целостной функции, встроить его в иерархическую цепь процессов, обеспечивающих данный приспособительный акт. Такое понимание вытекает из общей задачи физиологии как науки о том, как работают системы организма, обеспечивающие его жизнедеятельность.

Исследования на молекулярном (генетическом, биохимическом) уровне составляют фундамент данной области знания. Многие такие работы имеют и достаточно прямой выход в практику. Поставим, однако, вопрос, насколько молекулярные исследования в принципе достаточны для понимания механизмов на уровне органов и систем. Ответ на этот вопрос зависит от того, о какой системе идет речь. Например, если мы знаем все о работе гормональных клеток железы внутренней секреции, то мы знаем почти все о работе данного органа. Действительно, его клетки делают одно и то же, работают как бы параллельно друг с другом, и поэтому функция такого органа равна сумме работы его клеток (выносим за скобки вопрос о нейрогуморальных регуляциях работы железы). Несколько сложнее обстоит дело, например, с сердцем. Его строение неоднородно, там есть водители ритма, проводящая система, возникают отношения соподчиненности между ними и мышцей сердца.

Наиболее сложно устроен мозг, взаимодействия между его элементами как раз и составляют смысл работы мозга как информационной системы. Поэтому можно с большой долей вероятности утверждать, что можно представлять себе работу нервной клетки и в то же время многое не знать о работе мозга как целого, как органа, обеспечивающего поведение и высшие психические функции. Можно привести два аргумента в пользу такого утверждения. Первый из них то, что нервные клетки человека и животных, стоящих на разных этапах эволюции, имеют много общего в молекулярных механизмах, в то время как возможности мозга как целого у них сильно отличаются. Второй аргумент связан с созданием устройств искусственного интеллекта, которые имеют совершенно иную, по сравнению с мозгом,  элементную базу, но способны воспроизводить многие его функции. Рассмотрим каждое из этих двух положений подробнее.

Клетки разных животных и человека во многом сходны по своим молекулярным механизмам. Это обстоятельство очень важно. Без него мы не могли бы, изучая тонкую структуру и функцию нейронов низкоорганизованных животных, понять, как работают и взаимодействуют между собой нейроны человека. Если считать, что понять работу мозга можно, опираясь, главным образом, на молекулярные механизмы, то как объяснить поразительное различие между возможностями мозга на разных уровнях эволюционного развития?

Самое простое объяснение лежит на поверхности: хотя клетки разных животных и сходны, их количество сильно отличается: высокоорганизованный мозг содержит значительно больше нейронов, чем мозг более простых организмов. Конечно, это обстоятельство очень важно и может объяснить многое, но далеко не все. Мозг высших животных не только состоит из большего числа нейронов, но он более сложно структурирован, разные его отделы имеют свою специфику, отвечают за осуществлении определенной функции. Это было известно уже давно, но особенно  ясно стало после создания методов визуализации работы мозга, таких, как позитронно-эмиссионная томография, функциональная магнито-резонансная томография (фМРТ) и многоканальная ЭЭГ.

Одна из областей психологии – когнитивная психология – постулирует, что каждый психический акт состоит из цепочки отдельных мысленных действий. Указанными выше методами с использованием так называемого разностного подхода (человек решает две задачи, одна из которых содержит одно дополнительное мысленное действие) было показано, что ключевой в осуществлении данной когнитивной операции является определенная корковая структура. Чем более высокоорганизован мозг, тем, во-первых, он более дифференцирован, и тем, во-вторых, отдельные его структуры более связаны между собой. Согласно Г. Спенсеру [Спенсер 1897], развитие идет по пути от однородной несвязанной неопределенности к разнородной связанной определенности. В настоящее время практически общепризнанно, что психические функции как высшие проявления деятельности мозга возникают на основе взаимодействия разных его отделов. По теории ментализма Р. Сперри [Сперри 1994], психическое не только возникает на основе интегративной деятельности мозга, но и способно, в порядке нисходящей детерминации, управлять работой отдельных  нервных клеток и обменом импульсами между ними. Это не противоречит положению о том, что сложное состоит из простых элементов, так как в обоих случаях речь идет о разных видах детерминации: восходящей и низходящей. В качестве простого примера возможности нисходящей детерминации от целого к его элементам Сперри приводит колесо, которое катится с горы благодаря круглой форме и увлекает тем самым вниз по склону образующие его молекулы.

Обратимся теперь ко второму из высказанных выше положений, касающемуся устройств искусственного интеллекта. Как уже говорилось, эти устройства имеют отличную от мозга элементную базу, но воспроизводят многие его функции. На заре компьютерной эры А. Тьюрингом был сформулирован критерий, по которому можно определить, способен ли компьютер думать [Тьюринг 1960]. Предлагалась следующая процедура: человек сидит в комнате, а в двух других комнатах находятся второй человек и компьютер. Человек из первой комнаты состоит с ними в переписке. Если он после обмена несколькими сообщениями может определить, в какой комнате находится второй человек, а в какой компьютер, то компьютер нельзя назвать думающим устройством. В противном случае следует признать, что компьютер мыслит. С 1950 г., когда А.Тьюринг сформулировал свой принцип, компьютеры стали совсем другими, они способны воспроизводить многие мысленные действия. Играя в шахматы, они обыгрывают даже чемпиона мира. Правда, мыслить – это не значит понимать, но это уже другая тема.

Получил значительное развитие и раздел математики и информатики, изучающий устройство и возможности искусственных нейронных сетей. Такие сети состоят из элементов («нейронов»), соединенных искусственными синапсами, вес (проводимость) которых может изменяться в результате обучения, включая и самообучение. Искусственные сети воспроизводят многие особенности реальных нейронных сетей, составляющих важную функциональную единицу мозга, стоящую на следующей ступени после элементарной единицы – нервной клетки.

Сейчас одной из главных задач компьютерной науки является создание нового поколения не только думающих, но и понимающих искусственных интеллектуальных систем. Решение этой задачи представляет собой определенный цивилизационный вызов. Наука о мозге должна внести в это дело важный вклад. Он должен содержать сведения не только о работе нервных клеток и синаптической пластичности, но и знания о том, как устроен мозг и как на основе работы ансамблей нервных клеток возникают высшие когнитивные функции. Правда, при этом надо принимать во внимание, что при создании устройств искусственного интеллекта речь может идти не о простой имитации компьютером интеллектуальных операций человека: компьютер может решать ту или иную задачу иными способами, чем это делает человек [Лекторский 2006].

Из сказанного можно сделать вывод, что молекулярный подход необходим, но недостаточен для того, чтобы объяснить происхождение высших психических функций и сознания человека. «Нейрона сознания» не существует. Что касается «гена сознания», то его, скорее всего, тоже нет, если только он не кодирует определенную начальную архитектуру нервных связей в коре мозга, на которую затем нанизываются приобретенные в процессе обучения связи. Ответ на вопрос о природе сознания должен дать другой раздел нейрофизиологии, который занимается устройством мозга как целого, взаимодействием между его структурами. Этот раздел носит название интегративной, или системной, физиологии. Интегративная физиология мозга, в соответствии с ее задачами, располагает и методами, отличными от методов молекулярной физиологии. Эти методы не менее точны и опираются, как правило, на достаточно сложный математический аппарат. Физика и математика – вот основные фундаментальные науки, с которыми взаимодействует интегративная физиология мозга.

В соответствии с этим, в литературе появляется все больше работ, которые ставят своей целью понять содержание, смысл мозговых  процессов по объективно измеряемым параметрам работы мозга. Такие работы получили название «чтение мозга» (brain reading).  Цель этих исследований – прочитать ту информацию, которая содержится в последовательности нервных импульсов, ритмах электроэнцефалограммы (ЭЭГ), картах, полученных методами «изображения живого мозга». Интересно, что слова «книга мозга», т.е. то, что можно читать, принадлежат В. Шекспиру. Они произносятся в сцене, когда Гамлет обещает призраку отца стереть из книги мозга все, что там было, оставив только завет отомстить убийце. В оригинале шекспировский ямб звучит так: «and thy commandment all alone shall live within the book and volume of my brain» («Гамлет», действие 1, сцена 5).

Конечно, стремление понять содержание процессов мозга возникло не в последние годы, оно было присуще и многим более ранним исследованиями. Отметим здесь работы М.Н. Ливанова [Ливанов 1972] по исследованию рисунка корковых связей при разных видах мышления. Проблема смысла регистрируемых показателей работы мозга интересовала и автора этих строк. Примером может служить книга под характерным названием «Информационные процессы мозга и психическая деятельность» [Иваницкий … 1984]. Этот подход явился базой для предложенной теории возникновения ощущений на основе синтеза в проекционной коре сенсорной информации с той, которая извлекается из памяти. Философский аспект представлений о психическом как информационном содержании процессов мозга был развит Д.И. Дубровским [Дубровский 1975].

Исследования по чтению мозга действительно носят инновационный характер и отличаются от более ранних работ рядом признаков. Прежде всего, как уже говорилось, это достаточно сложный математический аппарат,  включая методы распознавания образов. Методы распознавания образов, в отличие от обычно используемых методов вариационной статистики, исследуют данный процесс по совокупности нескольких или даже многих параметров, по их комбинации, совокупности. При этом оценка носит не количественный (больше/меньше), а качественный (да/нет) характер. Результат вычислений показывает, присутствует ли необходимая комбинация признаков, составляющих целостный образ, в анализируемом наборе сигналов или такая комбинация признаков отсутствует, и, следовательно, данное явление или состояние не имеет места. Использование таких сложных, комплексных методов обосновано  тем, что психическое возникает в результате сложной интеграции процессов мозга, которая не сводится к простому набору нескольких одиночных параметров. Очевидно, только на этом пути можно «поверить алгеброй гармонию», включая и гармонию мозговых процессов, обеспечивающих возникновение психики как высшей формы интеграции. При этом научный анализ может разложить эту гармонию на составные части, «разъяв ее, как труп», чтобы посмотреть, как там все устроено. Но ясно, что в таком разобранном виде система работать не будет, так же как отдельные звуки еще не составляют мелодию.

Другим отличием работ по чтению мозга является то, что анализу подвергаются, как правило, не  усредненные данные, как в обычных работах (ведь, читать усредненный текст бессмысленно), а  единичные записи, иногда в реальном времени, т.е. непосредственно в процессе осуществления данного психического акта и регистрации соответствующих мозговых сигналов.

Можно выделить несколько направлений работ по чтению мозга [Иваницкий 2012]. К первому относятся работы, в которых ставится задача описать топографию активированных отделов мозга при  показе определенного класса объектов, например, предметов мебели, домов и т.д., со сравнением этого рисунка с рисунком активных зон мозга при показе другого класса объектов. Второе направление – расшифровка эмоционального состояния субъекта. Так, показывая фотографии, можно, по утверждению авторов, узнать, как относится девушка к тому или иному молодому человеку, или выявить скрытое предубеждение к лицу другой расы. Третье направление – это «мозготипирование», т.е. определение личностных свойств по степени активации мозговых структур, играющих ключевую роль в обеспечении данной функции. Сам термин «мозготипирование» (brainotyping) образован по аналогии с известным ранее термином «генотипирование», т.е. с определением связи свойств личности с генотипом. Более подробный анализ этих работ дан в недавно опубликованной статье [Иваницкий 2012].

Наконец, четвертое направление – определение образов или мыслей, возникающих спонтанно или под влиянием внешних стимулов. Это направление, возможно, наиболее сложное и интересное. Тенденция развития этих исследований характеризуются стремлением все более наглядно, как бы «своими глазами» увидеть то, что видит или о чем думает человек. С этой точки зрения отметим работу, в которой ставилась задача воспроизвести по картам мозга содержание показываемого видеоклипа [Нишимото… 2011]. Был использован метод фМРТ. Непосредственное восстановление показанного кадра из карт мозга оказалось невозможным, так как метод фМРТ обладает недостаточным временным разрешением. Поэтому авторам пришлось проделать очень сложную работу, создав библиотеку карт мозга на показ более миллиона изображений, и затем шаг за шагом извлекать из этой базы данных изображение, наиболее соответствующее полученной карте. По правде говоря, качество полученных изображений оставляет желать лучшего, но, как говорится, «лиха беда начало».

В исследованиях нашей лаборатории, начатых в середине 1990-х гг., т.е. задолго до появления термина «чтение мозга», ставилась задача определить тип совершаемого в уме мысленного действия по картине электрической активности мозга, точнее, по спектрам ЭЭГ. Было установлено, что характер спектральных перестроек специфичен для определенных видов мышления. Для выделения классифицирующих признаков использовались обучаемые компьютерные программы типа искусственных нейронных сетей. Нейросеть сначала обучалась на образцах спектров ЭЭГ с указанием того, задачу какого типа решает в данный момент испытуемый. В процессе обучения происходило изменение весов искусственных синапсов, соединяющих элементы сети. Их необходимая комбинация запоминалась. После обучения нейросеть на новых образцах записи могла с высокой достоверностью опознать тип совершаемой мыслительной операции. Для этого достаточно было коротких отрезков ЭЭГ продолжительностью в несколько секунд, причем такое распознавание возможно и в режиме реального времени, т.е. непосредственно в ходе решения задачи. В более ранних исследованиях было показано, что таким способом можно распознать базовые типы мышления: пространственный и вербальный [Иваницкий 1997]. В последующем оказалось, что внутри одного базового типа мышления система может распознать и отдельные задачи, например, мысленное вращение фигуры или воображаемое движение автомобиля по транспортной развязке, хотя достоверность различения при этом была ниже [Иваницкий… 2007]. Мы надеемся, что развитие этих исследований даст возможность создать системы, которые помогали бы человеку при выполнении некоторых видов труда, например, при операторской деятельности.

Перспективным направлением исследований является также создание моделей когнитивного пространства человека. Такая модель представляет собой подобие географической карты, на которой различные психические состояния, впечатления или мнения обозначены точками, расстояние между которыми в наибольшей степени соответствует степени различия между отображаемыми функциями. Карта дает возможность в образной, наглядной форме отобразить систему внутренних представлений человека. Данный метод получил достаточное распространение в психологии. Степень различия или сходства между психическими состояниями определяется в этом случае на основе экспертных оценок или массовых опросов. Данной теме посвящена недавняя монография А.Л. Журавлева [Журавлев 2012]. Сошлемся также на красивую и высокоинформативную карту европейских языков [Элмз 2008]. Мы использовали несколько иной подход. Была создана карта разных видов мышления, построенная на основе уже не психометрических данных, а на сравнении спектров ЭЭГ при разных видах мышления: пространственного, образного и вербально-логического, а также смешанных видов. Оказалось, что данные виды мышления при отображении количественной разницы между ритмами ЭЭГ на плоскости закономерно расположились вдоль двух координатных осей: пространственность – вербальность и образность – необразность. Задания на те же виды мышления были затем предъявлены группе экспертов-психологов, которые оценили их по шкалам пространственности, вербальности и образности. На основе этих оценок также была построена когнитивная карта. Примечательно, что эта  «психологическая» карта практически полностью совпала с физиологической, созданной на основе сравнения ритмов ЭЭГ [Роик… 2012]. Этот результат показывает, что корковые ритмы представляют собой важный механизм обеспечения мыслительного процесса, его реальный мозговой код.

Итак, ученые постепенно продвигаются по пути к пониманию происхождения и мозгового устройства сознания человека – уникальной области науки, где объект и субъект познания представлены в одном лице [Лекторский 1980]. Решение проблемы сознания важно потому, что наше сознание – это и есть наша жизнь, которая состоит из череды впечатлений, мыслей, чувств и воспоминаний, что и составляет суть, содержание сознания. Используя слова Б. Пастернака, можно сказать, что секрет сознания «разгадке жизни равносилен» (в оригинале, конечно, лучше: «и прелести твоей секрет разгадке жизни равносилен»). И это не просто философское обобщение или художественная метафора, а теперь и «медицинский факт». Он вытекает из понятия «смерти мозга», которая, будучи диагностирована на основании определенных инструментальных признаков, главным образом, исчезновения ритмической активности ЭЭГ больного, служит сигналом для отключения устройств поддержания жизнедеятельности типа аппаратов искусственной вентиляции легких.

И.П. Павлов, выступая на XII съезде естествоиспытателей и врачей в Москве 28 декабря 1909 г., говорил о том, что со временем «математический анализ, опираясь на естественно-научный, охватит величественными формулами уравнений» законы работы мозга, включая и представления человека о самом себе. Прошло сто лет, и, возможно, время, о котором говорил И.П. Павлов, пришло. Ученые сейчас как раз и начинают поиск тех самых таинственных формул и уравнений, которые дадут возможность понять, как на основе движения нервных импульсов возникает то, что составляет содержание и смысл жизни человека – его сознание.

Литература

Дубровский 1975 – Дубровский Д.И. Проблема нейродинамического кода психических явлений // Вопросы философии. 1975. № 6. С. 84-95.

Журавлев 2012 – Журавлев А.Л. Социально-психологическое пространство личности. М.: Ин-т психологии РАН, 2012.

Иваницкий 1997 – Иваницкий Г.А. Распознавание типа решаемой в уме задачи по нескольким секундам ЭЭГ с помощью обучаемого классификатора // Журн. высш. нерв. деят. 1997. 47(4). С. 743-747.

Иваницкий 2012 – Иваницкий А.М. «Чтение мозга»: достижения, перспективы и этические проблемы // Журн. высш. нерв. деят. 2012. 62(2). С. 133-142.

Иваницкий, Иваницкий 2009 – Иваницкий А.М., Иваницкий Г.А. Некоторые аспекты проблемы «сознание и мозг» // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2009. Т. 95. N 10. С. 1108-1118.

Иваницкий… 1984 – Иваницкий А.М., Стрелец В.Б., Корсаков И.А. Информационные процессы мозга и психическая деятельность. М.: Наука, 1984.

Иваницкий… 2007 – Иваницкий Г.А., Наумов Р.А., Иваницкий А.М. Технология определения типа совершаемой в уме мысленной операции по рисунку электроэнцефалограммы // Технологии живых систем. 2007. 4(5-6). С. 20-28.

Лекторский 1980 - Лекторский В.А. Субъект, объект, познание. М., 1980.

Лекторский 2006 – Лекторский В.А. Философия, искусственный интеллект и когнитивная наука // Искусственный интеллект. Междисциплинарный подход. М., 2006. С. 12-22.

Ливанов, 1972 – Ливанов М.Н. Пространственная организация процессов головного мозга. М.: Наука. 1972.

Нишимото… 2011 – Nishimoto S., Vu A.T., Naselaris T., Benjamini V., Yu B., Gallant J.I. Reconstructing visual experiences from brain activity using natural movies // Current Biology, 21(19). С. 1641-1646.

Роик… 2012 – Роик А.О., Иваницкий Г.А., Иваницкий А.М. Когнитивное пространство человека: совпадение моделей, построенных на основе анализа ритмов мозга и на психометрических измерениях // Росс. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2012. 11(98). С. 1314-1328.

Спенсер 1897 – Спенсер Г. Основные начала. СПб., 1897.

Сперри 1994 – Сперри Р.У.  Перспективы менталистской  революции.  Возникновение нового научного мировоззрения // Мозг и разум. М.:  Наука, 1994.

Тьюринг 1960 – Тьюринг А. Может ли машина мыслить. М., 1960.

Элмз 2008 – Elms T. Lexical distance among the languages of Europe. http://elms.wordpress.com/2008/03/04/lexical-distance-among-languages-of-europe/