Цивилизация
Протянуть руку и взять предмет — что может быть проще действия, которое мы совершаем сотни раз на дню, особо не задумываясь о его реальной нейрофизиологической природе? Между тем способность целенаправленно брать руками вещи является критичной для выживания приматов, и расшифровка механизма, делающего такое поведение возможным, давно занимает специалистов, исследующих работу мозга.
Как показали многочисленные эксперименты, сложное динамическое взаимодействие разных мускулов, которым сопровождаются даже самые примитивные сознательные действия по сценарию «увидел — протянул руку — взял», сводится к относительно простым и хорошо изученным последовательностям в возбуждении нейронов в спинном моторном кортексе, или прецентральной извилине, участке лобной доли коры больших полушарий, связанном с мотонейронами спинного мозга и двигательными ядрами черепно-мозговых нервов.
Спрашивается, как увязать простоту этих последовательностей с, казалось бы, намного более сложными функциями мозга, такими как мышление и планирование?
Как показал эксперимент, проведенный двумя нейрофизиологами из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, чью статью публикует Science, дистанция между ними небольшая. Выяснилось, что разным моделям возбуждения мотонейронов соответствуют и разные стратегии поведения обезьян, натренированных выполнять одну и ту же задачу — преодолев несложное препятствие, схватить нужный предмет рукой.
Последовательность возбуждения нейронов, разная у двух макак, позволила непосредственно увидеть, как работает их мышление на уровне сигнализации нейронов, диктующей отличия в «когнитивных стилях» обезьян.
Собственно, этот вывод стал побочным и довольно неожиданным результатом опыта, изначальной целью которого было усовершенствовать методику, позволяющую более точно отделять одни нейронные сигналы от других.
Активность моторных нейронов, связанная с целенаправленными действиями, часто изучается с помощью стандартного эксперимента, во время которого обезьяны должны поймать объект на экране монитора, двигая кружок-прицел из центра к периферии круга, на которой, среди прочих, расположена нужная мишень, выделенная определенным цветом. <1>Одновременно с этим импульсная активность нейронов моторной коры регистрируется электродами, вживленными в соответствующие участки коры головного мозга.
Эксперименты, проведенные еще в 60-70-х годах прошлого века, показали, что движение руки обезьяны кодируется синхронными возбуждениями большой популяции (ансамбля) нейронов прецентральной извилины. Эти возбуждения получили название ансамблевых векторов (population vectors) - формализованных геометрических объектов, описывающих работу нейросети. Собственно, вся информация, необходимая, чтобы распланировать и совершить движение — начальное положение руки, расположение мишени и направление, в котором должна двигаться конечность, — кодируется ансамблевым вектором нейронов, расположенных в этом участке коры.
Простой классический эксперимент, когда обезьяне нужно поймать мишень ловушкой, двигая ее по прямой линии, не позволяет отделить ансамблевый вектор, кодирующий, например, расположение мишени, от вектора, кодирующего направление движения руки, так как эти параметры — направление движения и расположение цели — совпадают.
Чтобы разделить сигналы и лучше понять механизм оперативного планирования, стоящий за целенаправленными манипуляциями, авторы статьи усложнили опыт, введя препятствие между мишенью и ловушкой и замерив активность в общей сложности 723 нейронов моторного кортекса (343 у одной обезьяны, и 380 — у другой).
Для лучшего контроля эксперимент проводился по трем сценариям.
В первом препятствие (ловушка в виде квадратной скобки) либо не появлялось, либо появлялось, но никак не мешало провести ловушку к мишени по прямой линии. Во втором мишень была видна, но препятствие появлялось не сразу, а с некоторой задержкой после того, как мишень начинала мигать, сигнализируя, что можно двигать ловушку к цели. В третьем скобка то исчезала, то появлялась, мешая провести ловушку к мишени по прямой траектории.
Рассчет оправдался: когда скобка появлялась, мешая двигать ловушку по прямой, обезьяна была вынуждена все время удерживать в уме расположение мишени, путь к которой становился теперь не прямым, но извилистым, и ансамблевый вектор, кодирующий позицию объекта, удлинялся (обезьяна, двигая мишень, была вынуждена удерживать в уме позицию желанного объекта, то есть информацию, дополнительную к прокладыванию оперативного маршрута). И наоборот: когда препятствия не было, никаких изменений аппаратура не фиксировала — дополнительная информация не обрабатывалась и ансамблевый вектор, кодирующий работу мускулов, не менялся.
Для большей ясности в конце эксперимента была проделана стандартная процедура по сведению воедино данных, полученных от каждой обезьяны, однако непротиворечивая картина не выстраивалась — векторы «смотрели» в разные стороны.
«Это не сработало, и мы были очень разочарованы, так как не могли понять, почему итоговая подгонка данных дает противоречивый результат», признается Томас Пирс, один из авторов статьи, в пресс-релизе Университета Вашингтона.
Между тем, все противоречия исчезли, когда данные по каждой обезьяне были рассмотрены в отдельности. Выяснилось, что если в первом и третьем заходах формирование ансамблевого вектора, кодирующего движения рукой, происходило примерно по одному сценарию, во втором заходе, когда препятствие возникало неожиданно, обезьяны проявляли выраженную индивидуальность поведения, руководствуясь каждая своей собственной стратегией «уловления банана».
Одна, не дожидаясь, когда возникнет скобка, сразу двигала ловушку к цели, поэтому при неожиданном возникновении препятствия ее ансамблевый вектор укорачивался, так как все внимание животного фокусировалось на локальной задаче как можно быстрей вывести ловушку за пределы скобки. Другая, напротив, не спешила выдвигать ловушку за пределы центра круга, но терпеливо ждала, когда возникнет препятствие, и уже в сооответствии с этим планировала направление движения. Естественно, что величина и направление векторов были здесь совсем другими.
Поскольку терпеливая обезьяна не корректировала дополнительно курс ловушки, распланировав движение заранее, ее выжидательная стратегия оказывалась более эффективной, и цель она захватывала быстрей, чем более непоседливая. В то же время в опытах, когда препятствий не было, непоседливая макака оказывалась более проворной, быстрее доставая условный «банан», чем обезьяна-консерватор.
По мнению авторов, оба сценария, которым соответствуют разные картины импульсной активности нейронов, иллюстрируют разные когнитивные стратегии, или разные характеры:
более осторожный и консервативный, когда действия заранее планируются, и более импульсивный, рискованный и рассчитанный на более короткую перспективу (более короткий вектор), когда ошибки корректируются уже «по ходу дела».
Оба сценария дают различные преимущества в зависимости от внешних обстоятельств, которые постоянно меняются в среде обитания живых существ. Поэтому нельзя сказать заранее, какая из обезьян получит в перспективе «больше бананов», или, говоря иначе, репродуктивное преимущество над другой — «консерватор» или «экспериментатор».
Определить это сможет лишь слепая статистика естественного отбора мутаций генов, накладывающих персональный отпечаток на сигнальное поведение нейронов посредством целого арсенала химических регуляторов, которые вырабатываются клетками — гормонов, энзимов, нейромедиаторов и прочих нейрофакторов, формирующих, в конечном итоге, наш «характер».
Вся палитра таких «характеров», отличающих одну особь от другой, в конечном итоге базируется на пластичности отдельной нейросети, формирующей персональную стратегию поведения в ответ на внешние вызовы. Совокупность же таких стратегий увеличивает шансы выживания популяции как сообщества отдельных особей — как осторожных, так и смелых, как экспериментаторов, так и охранителей.