База мышления – ансамбли нейронов

Я продолжаю свой рассказ, начатый статьей «Инженерная модель личности». В первой статье были методологические вопросы, а в этой мы рассмотрим базовый уровень устройства мозга, hardware на котором разворачивается мышление.

Для начала стоит сформулировать, зачем эволюция создала мышление? Ответ прост: для того, чтобы живые организмы могли создавать модели, предсказывая с их помощью изменения во внешнем мире, что позволяет действовать с учетом их изменений, и адаптироваться к ним, продляя и делая более полным и комфортным свое существование. Когда говорят о предсказании, часто имеют ввиду оценку вероятностей. Мозг работает принципиально иным образом: он осуществляет сценарное планирование ожидаемых изменений на основе модели, а потом сравнивает получаемую картину с фактической. Это – общий принцип, он касается как оперативного мониторинга действий, например, движения руки, когда мы хотим взять предмет, так и сценарного планирования жизни, при том, что занимаются этим разные отделы мозга.

Элементной базой, на которой построена наша модель мира, включая модель самого себя, являются ансамбли нейронов. А мышление – это передача возбуждения в этих ансамблях, которое позволяет принимать решения в конкретной ситуации. А также достраивать, оптимизировать и перестраивать свою модель: быстро выполнять типовые действия, ставшие привычными, создавать новые и нетривиальные, и тренировать их, если они оказались эффективными. И все одновременно. Организация ансамблей реализует схемы внимания, ориентированные на определенные ситуации и типы задач, а фокусировка мышления обеспечивается динамиками внимания – переключением этих схем. Теория ансамблей нейронов развита Майклом Грациано в Attention schema theory.

Таким образом, ансамбли нейронов образуют модель мира, и она используется мозгом для принятия и воплощения решений, а механизмы внимания выделяют те ансамбли, которые активно действуют в моменте. Модель мира – многоуровневая и сложно организованная.

Передача возбуждения идет двумя путями: электрическим и химическим. На физическом уровне у каждого нейрона есть один аксон, который выдает результат, и очень разное количество дендритов, которые собирают информацию. При этом выходную информацию аксона могут получить много дендритов разных нейронов, а не один, и тем больше, чем сильнее был импульс, так как он выдается в межклеточное пространство. Современные исследования говорят, что дендриты могут получать информацию не только от аксонов, но и от других дендритов, а также тел нейронов, кроме того, встречается передача сигналов в обратном направлении. И есть разные типы сообщений, так как клетки выдают разные нейромедиаторы, которых довольно много. И поверх всего этого действуют гормональные нейрофизиологические механизмы, влияющие на передачу возбуждения, которые обеспечивают клетки глии, и регулирование через эмоциональные механизмы.

Таким образом, на физическом уровне все устроено довольно сложно. На логическом уровне можно абстрагироваться от деталей и говорить про активацию ансамбля нейрона для передачи возбуждения, рассматривая ее как распространение сообщения. При этом распространение идет сетевым образом. расходится на разные ансамбли, работающие параллельно. Далее эти сигналы встречаются в нейронах, принимающих решения и осуществляющих арбитраж по силе возбуждения. Это касается конкуренции между разными идеями, например, когда написание статьи начинает испытывать затруднение, у меня идет конкуренция между идеей продолжить писать статью, или сделать перерыв на еду, или просто пройтись и подумать.

Активизация ансамбля в любом случае меняет его состояние. Можно говорить о закреплении связей или наоборот, их ослаблении или появлении вариаций. Таким образом, каждый такт мышления – обучение, меняет веса путей для выбора. На часто используемых путях передача возбуждения облегчается, для этого есть еще и физиологические механизмы, которые упрощают передачу – у дендритов вырастают специальные чувствительные шипики.

При ослабевании активности состояние ансамбля сохраняется – это и есть наша память. Мозг часто сравнивают с компьютером, но если сопоставлять с современными компьютерами, то у мозга есть принципиальное отличие: нет процессора, в этом компьютере вычисляет активная память.

Это вызывает следующий эффект: когда мы вспоминаем прошлое – воспоминания перезаписываются, и при этом они искажаются. Эти искажения могут быть значительны, если воспоминания неприятны.

Такая организация работы нейронов имеет ряд побочных эффектов:

Особенно все это касается выученного в первые годы жизни, так как это – время интенсивного развития мозга и первичного формирования путей, действующих далее всю жизнь, при этом сознательная рефлексивная коррекция в этот период развита слабо.

Нейроны всегда готовы мыслить, архитектурно мозг реагирует на внешние сигналы, а при отсутствии – идут внутренние размышления. Предмет мыслей управляется динамиками внимания: ход мыслей ими управляет и за ними следует, но может отвлекаться.

Ансамбли нейронов работают одновременно и параллельно, и не все осознаются – поэтому неожиданно всплывают мысли и идеи. Осознание происходит, когда возбуждение достигает ансамблей, содержащих модель Я, внутренней сцены, о которой я буду говорить в одной из следующих статей.

Мозг структурно разделен на функциональные области, однако ансамбли, связанные с конкретными понятиями, например, «кошка», размазаны по многим отделам. Он включает образ кошки в зрительной памяти для опознания в поле зрения, в слуховой – для мяукания и опознания слов в звуковом потоке. И простирается до коры головного мозга, где кошки связаны с многими абстракциями – домашними животными, и кошачьими, родственными понятиями, например, тигров, через ассоциативные связи, сказочными персонажами, такими как кот Баюн, и так далее, а образами конкретных знакомых вам кошках. Ансамбль также включает типовые эмоциональные реакции, и типовые действия, в том числе в подкорковых областях мозга, которые могут не осознаваться. Погладить и даже покормить кошку можно на автомате в ответ на поступающие сигналы от зрительной части и без участия осознанно мыслящей части мозга.

Структура нейронов, связанных с одним понятием, если ее рассматривать статически, образует коги, соответствующие отдельным смыслам и объединенные в глобальную сетевую структуру когнитома по Анохину-внуку.

В целом структура ансамблей – сетевая, с частичным вхождением, границы между ансамблями – логические и условны, проходят как мы их выделили. Физических границ между ансамблями нет, там можно выделить лишь нейроны и связи между ними. Если у нас есть отношения абстракции, например, кошка и собака – домашние животные, то мы можем рассматривать отдельные ансамбли для каждого из понятий, или работу ансамбля «домашние животные» в целом, и, более того, для разных контекстов оказывается уместным разное проведение границ с точки зрения описания динамик внимания. То есть здесь различение – логическое, им не соответствует никаких физических границ. На физическом уровне есть лишь границы между нейронами, и они не отличаются одна от другой.

В зависимости от поступающих сигналов и контекста активируются различные части этого ансамбля, формируется разная динамика внимания: даже если в разговоре речь зашла про вашу конкретную кошку, мысль может идти по-разному в зависимости от темы разговора и собеседников, на это влияют смежные активированные ансамбли нейронов.

Иными словами, ансамбли нейронов – в потенциально-активном состоянии, часть из них активна в моменте и они образуют динамики внимания. Они активизируются сигналами от других ансамблей – внутренних, активированных в ходе размышлений или поступающих при обработке входящего потока внешнего мира, и оба эти влияния накладываются друг на друга.

Естественно, возбуждение ансамблей нейронов требует энергии. И это регистрируют методы фМРТ. Однако, этот процесс очень малой вариабельности. Энергетическое потребление нейрона как клетки, основанное на АТФ-цикле Кребса – стабильно и варьируется при возбуждении только на 5%. Мозг всегда потребляет примерно треть энергии тела, а вариации слабо на это влияют, в отличие от мышц для которых вариабельность велика.

Так что концепт дефицита энергии для работы мозга – миф. По факту, разработчик «устает» писать код и идет «отдыхать» в Warcraft, при том, что во время прохождения миссий мозг работает гораздо интенсивнее, решает сложные задачи принятия решений в игре и взаимодействия с другими игроками в высоком темпе.

Реально тут работают другие механизм, основанный на дофамине, который необходим для передачи возбуждения, он расходуется при этом. Он вырабатывается определенными центрами в мозгу, а дальше распространяется по разным путям, и есть механизмы, которые управляют его распространением в зависимости от ситуации, направляя в двигательные, размышляющие и другие области мозга. Они связаны с механизмами мотивации и внутреннего подкрепления.

Распространение дофамина – частный случай гормонального механизма управления мозгом, который образует эмоциональный контур. Я его буду подробнее разбирать в статье, посвященной эмоциям. На уровне hardware тут помимо нейронов работают еще клетки глии.

В связи с этим у нейрофизиологов принято говорить об энергии для мышления, подразумевая под этим не энергопотребление нейрона как клетки, а подразумевая ресурс дофамина. Я дальше в своей статье употребляю термины «энергия мышления» и «ресурсы мышления» как синонимы.

При этом нет жесткого переключения или-или. Всегда есть распределение энергии между управлением текущими действиями и внутренней деятельностью организма с одной стороны, и размышлениями, принятием решений с другой. Долю энергии мышления, которая расходуется на поддержание текущей деятельности, можно оценить по уровню возбуждения вегетативной нервной системы, так делает приложение Welltory, показывая в качестве батарейки свободный остаток, который может быть пущен на размышления. И то же самое показывает в виде батарейки Анна Обухова в своих выступлениях, но с другой калибровкой: 100% по Welltory это 80% у Обуховой (это было в ответах Анны на вопросы на TeamleadConf в ноябре 2023).

Модель Канемана выделяет два функциональных режима работы мозга в деятельности: быстрое принятие решений и воплощение их в жизнь привычными действиями и медленное мышление, с помощью которого будущие действия собираются из привычных с выбором альтернатив и проработкой различных сценариев. Фокус его исследований – на том, что быстрое мышление часто ошибается в своих решениях, и эти баги устройства мозга надо иметь ввиду, замечать и во-время останавливаться. При этом у человека есть склонность не признавать баги собственного мышления, а постфактум рационализировать принятые решения, объясняя, что оно было правильным. При том, что реально решение принималось вовсе не из тех соображений, которые предъявляются в виде объяснений.

Сам Канеман не исследует механизмы мозга, которые лежат в основе его функционального деления на две системы. Более того, он говорит, что это – лишь метафора. Однако, поскольку описываемое его моделью явления объективно происходят, то законным является вопрос о выявлении тех механизмов работы мозга, которые лежат в основе таких явлений.

На базовом уровне известно, что выполнение привычных действий означает возбуждение сформированных устойчивых ансамблей нейронов, оно задействует малое количество нейронов, а возбуждение большого количества нейронов выполняется лишь в точках выбора. В то время как размышления, медленное мышление требует возбуждения большого количества нейронов в коре. Разница потребления дофамина между режимами быстрого и медленного мышления – примерно в 9 раз.

Выполнение привычных действий – работа в режиме автопилота. И человек способен так делать довольно сложные действия, например, вести автомобиль. И неожиданно обнаружить себя на полпути к работе в выходной день, хотя собирался в торговый центр: он сел за руль – и у него включился автопилот. Реальный режим – смешанный, например, когда мы пишем статьи или код: мышление выдает команды достаточно верхнего уровня, а автопилот воплощает их в движения мышц и коррекцию по обратной связи, на основе того, что глаза видят в движениях пальцев, если мы не владеем слепой печатью, и на экране. И это – во много раз быстрее, чем в ситуации незнакомой клавиатуры, или режиме написания на малоактивном языке, где написание слов не отработано.

Здесь надо иметь ввиду, что это описание дает однопоточную картину. А реально идет много потоков. Всегда можно выделить мышление некоторый основной контекст, например, управление автомобилем, и наблюдение за окружающей обстановкой, от которого могут идти прерывания различного характера, в том числе не связанные с основным процессом, например, звонок по телефону. А еще, если оперативное управление преимущественно обеспечивается быстрым мышлением, то в фоновом режиме может идти процесс размышлений в медленном мышлении.

При этом идет конкуренция за управление, а механизмы управления вниманием выполняют арбитраж между системами быстрого и медленного мышления, также как между разными ансамблями нейронов в каждом из них. Например, в ситуации, когда в потенциально опасной обстановке на улице один ансамбль выдает реакцию убежать, а другой – осторожно идти, не обращая внимания. Или когда то же самое происходит не на улице, а при получении информации о потенциально опасном изменении политической обстановки.

В следующей статье мы посмотрим, как положить эти функциональные режимы Канемана на структуру мозга. А пока поговорим о других общих механизмах.

Читая этот раздел, надо помнить: хотя разделение на ансамбли – логическое и нечеткое, именно оно, в конечном итоге, формирует смыслы, которые проявляются в мышлении. Здесь как раз возникает очень тонкая грань между объективно существующими объектами и идеальными системами, которые мы выделяем при анализе. Иного способа говорить об ансамблях нейронов, чем в терминах идеальных систем – не существует.

Описывая изменения структуры ансамблей, можно говорить о различении следующих операций:

В мозгу человека есть большое количество незадействованных нервных клеток. Нейроны и связи между ними формируются по мере роста мозга с очень большим запасом, и первоначально они не нагружены смыслом. Поэтому построение ансамблей выполняется за счет существующих клеток и связей, физического роста клетки или аксонов между ними не требуется. Это используется, в том числе, при физическом повреждении мозга – создаются альтернативные пути, задействуются слабо используемые другие связи и нейроны.

Когда мы говорим о различных способностях мышления, то важно помнить об альтернативных путях для достижения одних и тех же результатах. Например, для запоминания большого количества объектов помимо простой тренировки памяти существуют различные мнемотехники, которые позволяют достичь таких же эффектов косвенным образом. И большинство дихотомий в психологии лишь меряют тренированность одних типов путей по сравнению с другими, и за счет тренировки мы можем изменить способ размышления. Вопрос нужно ли это делать – отдельный, это частный случай вопроса стоит ли использовать уже сформировавшиеся сильные стороны, или надо подтянуть слабые.

Примерная архитектура связей разных отделов мозга – задана, выделены функциональные области с большим числом связей. Это и приводит к структурированию мозга на конкретные области. А также, совместно с гормональными механизмами поддерживает базовые способы поведения: поисковое и подражательное, охоту, агрессию, социальное взаимодействие.

Однако, особенности развития конкретного мозга могут приводить к другой архитектуре, и связь является статистической, а не абсолютной. Подробнее я это разбираю дальше, сопоставляя модульную и функциональную архитектуру мозга. Архитектура может служить ограничением для определенных действий, например, межполушарных связей маловато и это ограничивает образование сложных ансамблей между ними. Число удерживаемых объектов внимания также ограничено, поэтому для работы с большим количеством объектов важно правильно организовать смысловые структуры, которые позволят ими управлять.

Исходя из избыточности нервных клеток, можно утверждать, что в подавляющем большинстве случаев ограничения не носят физиологического характера и могут быть сняты путем тренировки и обучения, которое нужным образом достроит ансамбли нейронов. Однако, одна и та же достройка в период раннего развития мозга и уже в зрелом возрасте требует разного количества усилий. Это хорошо известно по обучению языку: дети в многоязыковых семьях легко осваивают несоклько языков в раннем возрасте, и в дальнейшем развитии также легче осваивают новые языки, чем те, кто учит другие языки уже в зрелом возрасте.

Достройка ансамблей, даже из существующих клеток требует возбуждения большого количества нейронов, которое должно быть обеспечено дофамином и системой внутреннего подкрепления. Изменение весов в существующих ансамблях, в том числе со сменой пути, требует меньше ресурсов, а использование уже имеющихся ансамблей – еще менее ресурсов.

Более того, есть физиологический процесс, обеспечивающий фиксацию устойчивых связей для быстрого прохождения возбуждения по часто используемым путям – миелинизация. К сожалению, он является необратимым, и перестроить таким образом зафиксированные схемы мышления становится невозможным, хотя можно попробовать сделать что-то с участком. который идет на вход этого процесса.

Есть отдельные механизмы регулирования, касающиеся роста и отмирания неиспользуемых нейронов и связей, и возрастная динамика активности этих механизмов. С возрастом неиспользуемые связи и избыточные клетки отмирают, слишком часто используемые пути миелинизируются.

До млекопитающих базовым механизмов формирования ансамблей нейронов были предзаписанные программы: рефлексы и инстинкты. У млекопитающих эволюция перешла от них к формированию ансамблей нейронов обучением.

В целом полезно различать следующие способы, которыми формируются ансамбли нейронов.

Ансамбли не формируются сами. Есть возрастные динамики формирования конкретных структур с развитием ребенка, но без обучения и личного опыта ансамбли сформированы не будут.

Есть исследования по корреляции между поощрением любознательности в год и успехами в школе и дальнейшей карьере. С другой стороны, насколько я знаю, там не исследовали детально вопрос, насколько важно именно ранее поощрение, и насколько легко это изменить в более позднем возрасте. Ведь понятно, что если родители поощряли любознательность в полгода-год, то они и далее продолжали это делать, в том числе, возможно, противодействуя и компенсируя навязывание правил детскими учреждениями. И наоборот, те родители, которые блокировали любознательность в детском возрасте, продолжали это делать и позднее.

Насколько я представляю, у педагогов, которые занимаются развитием детей, есть достаточно много наработок о возрастной динамике развития. Однако, их сопоставление с нейрофизиологическим развитием мозга еще в будущем, тут тоже много данных наработано до современных исследований, а также не учитывают социально-культурные составляющие.

На этом я завершаю вторую статью по инженерной модели личности. В следующей статье мы рассмотрим функциональную и структурную модель мозга. Затем поговорим подробнее про формирование ансамблей, механизмы эмоций, работу внутренней сцены и схемы самоопределения, и доберемся до разбора нейрофизиологических оснований моделей психологии. Продолжение следует.