Компьютерная имитация мозговой активности

Возможно, в будущем мы сможем сочетать методы с высокой разрешающей способностью, такие как электрофизиология с использованием тонких игл, когда обнаруживается активность отдельных нейронов, с методами сканирования, позволяющими одновременно измерить активность нескольких областей мозга, и таким образом интегрировать макроскопическую и микроскопическую информацию. Возможно также, наши знания о нейронах и их связях в будущем достигнут столь высокого уровня, что удастся создавать компьютерные модели мозга. С помощью этих моделей можно будет проверить различные гипотезы о поведении нейронов.

Моя исследовательская группа как раз участвует в подобном совместном проекте вместе с Еспером Тегнером, Фредриком Эдином и Юлианом Маковеану — разработчиками компьютерных моделей памяти[66]. Наша цель — расшифровать механизмы, которые увеличивают объем рабочей памяти, а также проследить за изменениями мозговой активности в детском возрасте.

В наших исследованиях мы использовали сеть из нескольких сот нейронов, что соответствует поверхности лобной доли площадью примерно около квадратного миллиметра. Затем мы смоделировали сеть, которая по своему строению имитировала работу мозга обезьян, когда они сохраняли информацию в рабочей памяти. Теперь эта микросеть могла сохранять информацию в рабочей памяти. Точно так же, как у обезьян, эта информация сохранялась за счет непрерывной активности клеток: в тот период, когда информация сохраняется, происходит вторичная активизация, и таким образом, информация запоминается.

Но показывает ли эта модель, как увеличить объем памяти? Какие процессы способствуют улучшению памяти? Мы хотели подтвердить или опровергнуть две основных гипотезы. Первая гипотеза — рабочая память улучшается за счет усиления связей между нейронами. Согласно второй гипотезе, объем памяти зависит от скорости, с которой нейроны обмениваются импульсами. То есть чем выше скорость, тем лучше память. Скорее всего, увеличение скорости соединений зависит от процесса миелинизации, и лично я в это охотно верю, поскольку магнитно-резонансное сканирование ранее показало, что миелинизация нервных волокон в определенных областях мозга позитивно влияет на рабочую память.

Для проверки обеих гипотез были созданы две модели нейронных сетей — «детская» и «взрослая». Затем мы измерили активность нейронов в процессе запоминания информации в рабочей памяти. Мы также измерили активность мозга у детей и у взрослых методом функциональной магнитно-резонансной томографии, чтобы понять, какая из гипотез больше соответствует действительности.

Выяснилось, что первая гипотеза имеет больше прав на существование. Сеть с более прочными синаптическими связями оказалась более стабильной, и мнемоническая деятельность продолжалась даже при наличии помех. Наши эксперименты с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии подтвердили эти выводы. К моему разочарованию оказалось, что моя любимая гипотеза — об изменении активности мозга за счет скорости передачи импульсов — не подтвердилась.

В начале книги я высказал предположение, что сама природа ограничила наши познавательные возможности, и мы, обладая интеллектом каменного века, сегодня имеем дело с мощным информационным потоком. Оказалось, что ограничен именно объем рабочей памяти, это и есть регулятор. Пытаясь найти конкретную область мозга, где расположено это препятствие, мы обнаружили, что регуляторы рабочей памяти рассредоточены не по всей коре головного мозга, а находятся в определенных ключевых областях теменной и лобной долей.

Затем мы сделали следующий шаг, чтобы найти механизмы, ограничивающие объемы этих областей мозга. Мы хотели выяснить, какие нейрофизиологические процессы происходят на этих участках и как они связаны с ограниченным объемом памяти. И хотя мы продвинулись на научном фронте, многие вопросы пока так и остались открытыми. Компьютерное моделирование позволяет предположить, что, возможно, объем памяти каким-то образом зависит от прочности синаптических связей.

В следующей главе мы опять поговорим об информационном потоке и некоторых ситуациях, которые требуют умственного напряжения. Например, когда мы должны выполнить работу, несмотря на помехи. Или когда мы пытаемся выполнить несколько действий одновременно. Мы уже убедились в том, что объем рабочей памяти — ключевой фактор, когда речь идет о выполнении ряда интеллектуальных задач. А теперь попробуем разобраться: каковы механизмы помехоустойчивости? Существует ли зависимость между нашей способностью игнорировать помехи и делать одновременно несколько дел? Почему нам иногда так трудно сосредоточиться или выполнить несколько задач одновременно?

Объем мозга и интеллект

Сверхамбициозность и нетерпение — эти качества вынуждают нас применять давние и хорошо известные приемы. Очень часто мы стремимся закончить дела побыстрее — и хватаемся за все одновременно. Мы пытаемся сделать как можно больше дел в кратчайшие сроки. Существует целая серия анекдотов об ученом и писателе Георге Клейне из Каролинского института и его методах сэкономить время. Бреясь, он учит греческий, а когда плавает в бассейне, вдоль бортика ходит его ассистент и записывает за ним его высказывания. Сидя за рулем, Клейн диктует электронные письма, а во время обеда читает.

Часть задач, таких как, например, одновременно бриться и завтракать, трудно выполнить из-за ограничений моторики. Другие задачи, такие как вести машину и параллельно смотреть на карту, вызывают сложности потому, что мы воспринимаем информацию только из одного источника и сосредотачиваем взгляд только на одном предмете. Многие разноплановые задачи трудно выполнить одновременно по причине того, что они плохо синхронизируются. В любом случае, одновременное выполнение разных задач является серьезным испытанием для рабочей памяти.

Майкл Познер считает, что данные многих исследований в этой области можно предельно упростить и описать с помощью следующего графика:

Результат одновременного выполнения двух задач

Кривая на приведенном графике показывает результаты одновременного выполнения двух задач[67]. Например, задача А — чтение газеты, а задача В — разговор за завтраком с гражданской супругой или законной половиной. Если вы, например, решите целиком сосредоточиться на газете и проигнорировать общение с вашим партнером, то задачу А вы выполните на 100 процентов (по определению), а задачу В не выполните вовсе. Если вы начнете все же прислушиваться к собеседнику и давать какие-то односложные ответы, вы немного улучшите свои показатели, и они станут выше нуля, но вместе с тем чтение газеты, конечно, замедлится, и вам придется по несколько раз перечитывать абзацы и сложные фразы. Результат по выполнению задачи А начнет ухудшаться. Если вы отложите газету и уделите вашему собеседнику все внимание, вы выполните задачу В на 100 процентов, но задача А останется невыполненной, и результат будет нулевым.

Как видно из графика, выполняя задачу А на 90 процентов, мы можем одновременно выполнить задачу В почти на 44 процента. Неожиданно объем рабочей памяти увеличился на целых 34 процента. Отчасти это объясняется тем, что мы быстро переключаемся с одной задачи на другую, но при этом тратим больше времени и сил. Мы расплачиваемся также тем, что используем возможности нашей рабочей памяти только на 90 процентов, хотя могли бы использовать на все 100. Если вы невпопад ответите на вопрос, будете ли вы пить кофе с молоком или без, или дважды прочтете одно и то же сообщение, это еще полбеды. Но явно не стоит обсуждать, куда и как выгоднее вложить накопления, пытаясь при этом осилить передовицы утренних газет.

Бытует мнение, что женщины лучше мужчин выполняют разные задачи одновременно, и это связано с большей плотностью связей нервных волокон между правым и левым полушариями. Фраза о том, что «у женщины в голове широкополосный канал», стала расхожей. Это скорее миф, который получил особую популярность именно в Швеции. Я перерыл массу литературы, но мне не удалось найти ни одного подтверждения тому, что между мужчинами и женщинами в этом плане существуют принципиальные различия. Я переписывался со многими специалистами, но не нашел никакой отсылки к этому утверждению и не смог вычислить, откуда пошел этот слух. Хотя то, что «мозолистое тело» («corpus callosum») — проводник между двумя полушариями, у мужчин и женщин отличается по форме и по величине, это факт. И все же никто достоверно не знает, какое функциональное значение имеет эта особенность.