Перевод статьи из Quanta Magazine
Привычные категории психических функций, такие как восприятие, память и внимание, отражают наше восприятие самих себя, но они вводят в заблуждение относительно того, как работает мозг. Появляются новые подходы.
Нейроученые являются картографами различных областей и территорий мозга — особенностей и видов деятельности, которые их определяют, дорог и трасс, которые их соединяют, и границ, которые их очерчивают. В передней части мозга, сразу за лбом, находится префронтальная кора, источник суждений. За ней находится моторная кора, отвечающая за планирование и координацию движений. По бокам — височные доли, важные для памяти и обработки эмоций. Над ними — соматосенсорная кора, за ними — зрительная кора.
По словам Лизы Фельдман Барретт, психолога из Северо-Восточного университета, исследователи не только часто изображают мозг и его функции подобно тому, как картографы рисуют страны на континентах, но и делают это “так, как это делали старомодные картографы”. “Они анализируют мозг с точки зрения того, что их интересует в психологическом, психическом или поведенческом плане”, а затем распределяют функции по различным сетям нейронов, “как будто это блоки Lego, как будто там есть четкие границы”.
Идея о том, что существует некий сильный параллелизм… просто ошибочна.
Lisa Feldman Barrett, Northeastern University
Но карта мозга с четкими границами не только чрезмерно упрощена — она вводит в заблуждение. “Ученые более 100 лет безрезультатно искали границы мозга между мышлением, чувствами, решениями, воспоминаниями, движением и другими повседневными переживаниями”, — говорит Барретт. Множество последних неврологических исследований подтверждают, что эти ментальные категории “являются плохими проводниками для понимания того, как устроен мозг или как он работает”.
Неврологи в целом согласны с тем, как организована физическая ткань мозга: в определенные отделы, сети, типы клеток. Но когда речь заходит о том, чтобы связать их с задачей, которую может выполнять мозг — восприятие, память, внимание, эмоции или действия — “все становится гораздо более сомнительным”, — говорит Дэвид Поппель, нейробиолог из Нью-Йоркского университета.
Никто не оспаривает, что зрительная кора обеспечивает зрение, слуховая кора — слух, а гиппокамп необходим для памяти. Повреждение этих областей ухудшает эти способности, и исследователи выявили механизмы, лежащие в их основе. Но память, например, также требует наличия других сетей мозга, помимо гиппокампа, а гиппокамп, как оказалось, играет ключевую роль во все большем числе когнитивных процессов, помимо памяти. Иногда степень совпадения настолько велика, что ярлыки начинают терять свой смысл.
“Идея о том, что существует некий сильный параллелизм между ментальными категориями, которые неврологи используют, чтобы попытаться понять мозг, и нейронной реализацией ментальных событий, просто неверна”, — говорит Барретт.
И хотя нынешняя система (framework) привела к важным открытиям, “из-за неё мы завязли в определенных ловушках, которые действительно тормозят исследования”, — говорит Пол Чисек (Paul Cisek), нейробиолог из Монреальского университета, — так вышло, что она также и замедлила разработку методов лечения неврологических и психологических заболеваний.
Именно поэтому Барретт, Чисек и другие ученые утверждают, что для того, чтобы мы действительно поняли, как работает мозг, необходимо пересмотреть, возможно, радикально, концепции, лежащие в основе этой области. Решая эту задачу, они открывают новые способы формулировки вопросов о мозге и новые ответы: Только в этом месяце один из таких подходов выявил неожиданную связь между формированием памяти и метаболической регуляцией. Но даже если новая система успешно объяснит работу мозга, некоторые исследователи задаются вопросом, не будет ли ценой этого успеха потеря связи с нашим человеческим опытом.
Больше псевдонимов, чем у Шерлока Холмса
Когда функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) и другие мощные технологии позволили исследовать живой мозг все более сложными способами, нейробиологи с энтузиазмом принялись искать физическую основу наших умственных способностей. Они добились больших успехов в понимании нейронных основ восприятия, внимания, обучения, памяти, принятия решений, двигательного контроля и других классических категорий психической деятельности.
Но они также нашли тревожные доказательства того, что эти категории и нейронные сети, которые их поддерживают, работают не так, как ожидалось. Дело не только в том, что архитектура мозга не соблюдает границы между установленными психическими категориями. Дело в том, что они настолько сильно пересекаются, что одна сеть мозга “имеет больше псевдонимов, чем Шерлок Холмс”, — говорит Барретт.
Легко показать, как все не работает. Теперь самое сложное — куда двигаться дальше.
Luiz Pessoa, University of Maryland
Недавние работы обнаружили, что, например, две трети мозга задействованы в простых движениях глаз; в то же время половина мозга активизируется во время дыхания. В 2019 году несколько групп ученых обнаружили, что бóльшая часть нейронной активности в областях “восприятия”, таких как зрительная кора, кодирует информацию о движениях животных, а не сенсорные данные.
Этот кризис идентичности не ограничивается нейронными центрами восприятия или других когнитивных функций. Считалось, что мозжечок — структура в мозге всех позвоночных — предназначен почти исключительно для контроля моторики, но ученые обнаружили, что он также играет важную роль в процессах внимания, регуляции эмоций, обработки языка и принятия решений. Базальные ганглии, еще одна древняя часть мозга, обычно ассоциирующаяся с двигательным контролем, также оказалась вовлечена в несколько высокоуровневых когнитивных процессов.
Некоторые из этих запутанных результатов могут быть следствием методологических проблем. Например, чтобы определить, где человеческий мозг выполняет различные функции, нейроученые обычно соотносят когнитивные процессы с паттернами активности мозга, измеряемыми с помощью фМРТ. Но исследования показывают, что ученым необходимо быть более внимательными к несущественным мышечным подергиваниям и движениям, которые могут искажать (contaminate) показания.
“Вы думаете, что ваши результаты говорят вам что-то о высокоуровневом познании, — говорит Дьердь Бузсаки (György Buzsáki), нейробиолог из Медицинской школы Нью-Йоркского университета, — а на самом деле они могут отражать только то, что из-за задачи глаза [испытуемого] двигаются по-другому”.
Но он и другие ученые считают, что последние результаты также указывают на более глубокую концептуальную проблему в нейронауке. “Мы делим “недвижимость” мозга в соответствии с нашими предвзятыми идеями, полагая — ошибочно, насколько я понимаю, — что эти предвзятые идеи имеют границы, и такие же границы существуют в работе мозга”, — сказал Бузсаки.
В 2019 году Рассел Полдрак, нейробиолог из Стэнфордского университета, и его коллеги решили проверить, насколько адекватны признанные категории психических функций. Они собрали огромное количество поведенческих данных — полученных в ходе экспериментов, призванных проверить различные аспекты когнитивного контроля, включая рабочую память, торможение реакции и обучение — и пропустили их через классификатор машинного обучения. Полученные классификации опровергли ожидания, когда перемешали традиционные категории результатов работы мозга и рассортировали их по новым группам, которые, казалось, “движутся вместе с точки зрения некоторых гораздо более общих конструкций”, — сказал Полдрак, — конструкций, для которых у нас еще нет обозначений, и которые могут не иметь прямого отношения к нашему сознательному опыту.
Другое исследование, проведенное коллегами Полдрака, показало, что задачи, предназначенные для измерения восприятия или памяти, “на самом деле не измеряют различные конструкты”, — сказал Полдрак. “Это говорит о том, что эти две категории действительно неточны”. Он подчеркнул, что “восприятие” или “память” не являются бесполезными терминами. Но “если мы хотим понять, что делает мозг, нам, вероятно, нужны гораздо более точные способы понимания конкретных функций”.
Тот факт, что даже неясно, как отличить тесты на восприятие от тестов на память, говорит о том, что эти категориальные конструкции “на самом деле могут не быть реальными организующими свойствами разума”, — сказал Полдрак.
Некоторые ученые возражают, утверждая, что до тех пор, пока мы знаем, что зрительная кора занимается не только зрением, или что сеть памяти делает больше, чем следует из ее названия, нам не обязательно нужно переосмысливать сами категории. Но “иногда слишком широкое, расплывчатое использование термина может иметь пагубные последствия для типов экспериментов и гипотез, которые мы генерируем”, — говорит Джон Кракауэр, нейробиолог из Университета Джона Хопкинса.
Возможно, это наиболее очевидно в исследованиях эмоций и настроения.
Страх и смятение
Джозеф ЛеДу (Joseph LeDoux ) — нейробиолог из Нью-Йоркского университета, известный своей новаторской работой по изучению миндалины, которую часто называют центром страха в мозге. Но такое представление, по его словам, очень ошибочно — и очень вредно. “На протяжении многих лет меня представляли как человека, который открыл, как чувство страха появляется из миндалины”, — сказал он. “Но я всегда вздрагивал, когда меня представляли таким образом. Наконец, с меня стало достаточно”.
Весь мир страдает из-за этого смятения.
Joseph LeDoux, New York University
ЛеДу целое десятилетие подчеркивал, что миндалина вообще не участвует в генерации страха. Страх, указывает он, — это когнитивная интерпретация ситуации, субъективный опыт, связанный с памятью и другими процессами. Психологические явления, которые одни люди воспринимают как страх, другие могут воспринимать совершенно иначе. Исследования показывают, что чувство страха возникает в префронтальной коре и связанных с ней областях мозга.
С другой стороны, миндалина участвует в обработке и реагировании на угрозы — древний, подсознательный поведенческий и физиологический механизм. “Доказательства показывают, что не всегда причиной поведения является страх”, — сказал ЛеДу.
Называть миндалину центром страха может показаться безобидным, продолжает он, но “тогда миндалина наследует весь семантический багаж страха”. Эта ошибка может исказить попытки разработать лекарства, в том числе те, которые направлены на снижение тревожности. Когда потенциальные препараты тестируются на животных в условиях стресса, если животные ведут себя менее робко или демонстрируют меньшее физиологическое возбуждение, это обычно интерпретируется как снижение уровня тревоги или страха. Но лекарство может изменить чьи-то поведенческие или физиологические реакции — те результаты работы миндалины (outputs) — без облегчения чувства тревоги, сказал ЛеДу.
“Вся область страдает из-за этой путаницы”, — сказал он.
Подобные проблемы возникают и в других областях, добавил он, например, в исследованиях восприятия, где физическая обработка сенсорного стимула и его сознательное переживание часто объединяются вместе. В обоих случаях, по мнению ЛеДу, “их нужно разделить”.
Функциональность в контексте
Разделение значимости различных областей мозга осложняется еще и тем, что участие нейронных систем в определенных функциях не сводится к принципу “все или ничего”. Иногда это зависит от деталей того, что обрабатывается.
Возьмем, к примеру, часть медиальной височной доли, называемую периренальной корой — важнейший компонент классической системы “памяти” в коре головного мозга. Элизабет Мюррей из Национального института психического здоровья и другие провели эксперименты, в которых людей и обезьян просили выбрать нужное изображение из пары, в разной степени похожих друг на друга.
Сначала мы должны рассмотреть механизмы мозга, почему и как они развивались.
György Buzsáki, NYU School of Medicine
Они обнаружили, что периренальная кора участвовала в выполнении задания только при наличии определенного количества совпадающих признаков. Если изображения были более или менее похожи, периферическая кора не имела никакого отношения к тому, насколько хорошо справлялись с заданием люди или обезьяны. Аналогичным образом, было установлено, что нижняя височная кора, которой традиционно отводится роль в зрительном восприятии, имеет решающее значение для задач на запоминание, но только в определенных условиях.
По мнению нейробиолога в отставке Стивена Уайза, бывшего сотрудника NIMH, полученные результаты означают, что вместо классификации областей коры головного мозга по их специализированным зрительным, слуховым, соматосенсорным или исполнительным функциям, исследователи должны изучать различные комбинации информации, которую они представляют. Одна область может быть вовлечена в представление простых комбинаций признаков, таких как “оранжевый” и “квадрат” для оранжевого квадрата. Другие регионы могли развиться для представления более сложных комбинаций визуальных признаков или комбинаций акустической или количественной информации.
Уайз утверждает, что такая схема организации мозга объясняет, почему в традиционных картах умственной деятельности так много неожиданного функционального дублирования. Когда каждый регион представляет определенную комбинацию информации, “он делает это и для памяти, и для восприятия, и для внимания, и для контроля действий”, — говорит Уайз.
Именно поэтому задачи на восприятие и память, которые Мюррей использовала в своих экспериментах, лишь иногда задействовали периферическую кору: По мере того, как изображения в каждой задаче менялись, менялись и комбинации признаков, которые их различали.
Репрезентативная схема Уайза — это лишь один из способов переосмысления подразделений мозга. Хотя другие исследователи согласны с тем, что список частей, которым руководствуется большинство нейронаучных исследований, имеет проблемы, нет единого мнения о том, как их решить.
И даже ученые, выступающие за более радикальное переосмысление этой области, считают, что ее трудно очертить. “Легко показать, что не работает. Теперь самое сложное — куда двигаться дальше”, — говорит Луис Пессоа, нейробиолог из Университета Мэриленда. “Я [часто] ловил себя на том, что использую множество терминов, которые я критиковал. Как я могу сказать обо всем, не сказав “внимание”, “эмоции”, “мотивация”?”.
Чисек, работающий в Монреале, является одним из нескольких исследователей, начавших перестраивать концептуальные категории с эволюционной точки зрения. В течение последних пяти лет он кропотливо прокладывал свой путь через эволюцию позвоночных, изучая прогрессивную специализацию поведенческих систем.
“Функциональные подразделения действительно существуют в мозге”, — сказал он. “И у них действительно есть эволюционная история. Если мы сможем определить эту историю, это поможет нам лучше определить понятия”.
Чисек уже использовал свою новую разбивку деятельности мозга, чтобы объяснить, почему, например, базальные ганглии играют ключевую роль в некоторых задачах по принятию решений, но не в других. “Вы понимаете, что ни термин “принятие решений”, ни термин “внимание” на самом деле не соответствуют какому-то объекту в мозге”, — сказал он. Вместо этого в мозге существуют определенные прагматические схемы, которые выполняют определенные действия, такие как “приближение” или “избегание”. … Некоторые из этих вещей будут немного похожи на внимание”.
Бузсаки придерживается аналогичной точки зрения. “В первую очередь мы должны рассмотреть механизмы мозга, а также то, почему и как они развивались”, — сказал он. Например, воспоминания, планирование будущего и воображение частично кодируются одними и теми же нейронными механизмами, что, с эволюционной точки зрения, имеет смысл, поскольку одна и та же система может быть использована для разных целей. “Возможно, лучше рассматривать все [эти понятия] как единое целое”, — сказал он.
Этот подход уже привел к некоторым интригующим открытиям. В течение многих лет Бузсаки изучал острые волны (sharp wave-ripples) — тип мозговой активности в гиппокампе, который позволяет хранить и извлекать воспоминания. Но в этом месяце в журнале Nature его бывший аспирант Дэвид Тингли и другие сотрудники лаборатории Бузсаки раскрыли совершенно новую их функцию: они помогают регулировать уровень сахара в крови.
“Мы связываем две совершенно разные крайности”, — сказал Бузсаки, — базовый метаболический процесс и когнитивный процесс высокого уровня. Теперь он надеется обнаружить более глубокую связь между этими двумя процессами и получить представление о том, как резкие волновые колебания для регуляции организма могли быть использованы для формирования памяти.
Без паники
Возможны и альтернативные подходы к изучению ментальных категорий. Например, Барретт, Пессоа и другие ученые рассматривают нейронную активность всего мозга и различные виды поведения одновременно. “Вы изучаете всю систему в целом и взаимодействие ее частей”, — говорит Барретт. Функциональные категории, такие как память, восприятие и внимание, могут быть поняты как “особенности состояния мозга”.
Можно получить знания, но также можно перестать понимать себя.
John Krakauer, Johns Hopkins University
Из-за контринтуитивных группировок, которые возникли в его предыдущем исследовании поведенческих данных, Полдрак продолжает интересоваться поиском новых категорий без использования моделей, на основе данных. Он считает, что ментальные понятия потенциально могут быть переписаны в вычислительных терминах — возможно, в виде упрощенной версии математических описаний, которые определяют слои в искусственных нейронных сетях.
У каждого из этих потенциальных решений есть недостатки. “Но вы не оцениваете новый подход по всем вопросам, на которые он отвечает, но на которые не мог ответить старый”, — говорит Барретт. “Вы оцениваете его по тому, какие новые вопросы он стимулирует”.
“Не существует правильного способа сделать это”, — добавила она. “Есть только лучшие и худшие способы”.
Полдрак согласился. “Я не думаю, что кто-то из нас хотел бы сказать людям: “Не используйте больше слово “память”, — сказал он. Но чтобы понять мозг, нам, возможно, придется подвергнуть сомнению наши интуитивные представления о том, как он работает — “точно так же, как квантовая механика бросает вызов нашему пониманию физических явлений в мире”.
Еще один важный момент — насколько значимой может оказаться новая концепция. “Вы можете получить знания, но на самом деле вы можете перестать понимать себя”, — сказал Кракауэр.
Когда мы задаемся вопросом о том, как работает мозг, объяснил он, мы хотим, чтобы это означало: Что происходит в моем мозге, когда я влюбляюсь? Или когда я взволнован? Если мы слишком далеко отойдем от нашего субъективного опыта и привычных когнитивных концепций, он опасается, что то, что мы узнаем о мозге, может быть похоже на “42” в “Автостопом по галактике”: правильный ответ, но не на тот вопрос, который мы имели в виду. “Готовы ли мы с этим жить?” — спрашивает Кракауэр.
