Общие представления о принципах организации поведения. Компьютерная аналогия работы центральной нервной системы

Термин высшая нервная деятельность (ВНД) был введен в науку академиком Иваном Петровичем Павловым (1849— 1936), считавшим его равнозначным понятию «психическая деятельность». Действительно, объект изучения психологии и физиологии высшей нервной деятельности — работа мозга; эти науки объединяет и ряд общих методов исследования. Вместе с тем психология и физиология ВНД изучают разные стороны работы мозга. Физиология ВНД исследует механизмы деятельности всего мозга, отдельных его структур и нейронов, связи между структурами и их влияние друг на друга, механизмы поведения. Психология изучает результаты работы ЦНС, проявляющиеся в виде образов, идей, представлений и других психических проявлений. Труды психологов и физиологов ВНД всегда тесно переплетались, используя достижения обеих наук. В последние десятилетия даже возникла новая наука — психофизиология, основной задачей которой является изучение физиологических основ психической деятельности.

Мысль о том, что психическая деятельность осуществляется при участии нервной системы, возникла еще до нашей эры, но каким образом это происходит — очень долго оставалось неясным. Даже сейчас нельзя сказать, что механизмы работы мозга полностью раскрыты, особенно когда речь идет о мозге человека — самом сложном из известных объектов научных исследований.

Первым ученым, доказавшим участие нервной системы в поведении, был римский врач Гален (II век н. э.). Он обнаружил, что головной и спинной мозг связаны со всеми органами нервами и что разрыв нерва, соединяющего мозг и мышцу, приводит к параличу. Он также показал, что при перерезке нервов, идущих от органов чувств, организм перестает воспринимать раздражители.

Зарождение физиологии мозга как науки связано с работами французского математика и философа Рене Декарта (XVII в.). Именно он создал представление о рефлекторном принципе работы организма. Правда, сам термин «рефлекс» был предложен в XVIII в. чешским ученым Й. Прохазкой.

Декарт рассматривал организм как машину, действующую по принципу несложных механизмов того времени (часы, кузнечный мех). Он считал, что внешнее воздействие натягивает «нити», идущие в сенсорных нервах от органов чувств к мозгу (рис. 4.1). Зрительный сигнал, действуя на глаз 1, приводит в движение зрительный нерв 2, который открывает в головном мозге особый клапан 3. При открывании клапана «животные духи» начинают по двигательному нерву 4 поступать в мышцу 5, раздувая ее, что и приводит к сокращению мышцы (движению).

Рис. 4.1. Схема срабатывания мышцы в ответ на стимул (по Р. Декарту)

Несмотря на упрощенность, концепция Декарта учитывает целый ряд существенных особенностей работы мозга, а именно: органом, управляющим поведением, является головной мозг; мышечная реакция порождается изменениями в примыкающем к мышце нерве; процессы, происходящие в сенсорных нервах, отражаются на двигательных нервах. Последнее положение — это описание рефлекса, который определяется как осуществляемая при участии нервной системы ответная реакция организма на некоторый стимул. Декарт считал, что по такому принципу происходят только простые, непроизвольные движения.

Наряду с этим он признавал наличие души, которая обеспечивает сложное целесообразное поведение человека. Представления Декарта легли в основу теорий, развиваемых физиологами в течение последующих двух веков, в том числе в основу работ И. М. Сеченова, о которых будет рассказано ниже.

В начале XX века сформировалось несколько научных направлений, которые рассматривали рефлекторный принцип как основу поведения человека и животных. Наиболее известны из них школа классической физиологии ВНД И. П. Павлова и американская школа бихевиоризма (Б.-Э. Торндайк, Дж. Уотсон). Создатели этих направлений, сводя поведение к принципу «стимул → реакция», понимали, конечно, что упрощают реальную картину работы мозга. Но именно подобное упрощение позволило выявить многие базовые принципы обучения, обработки сенсорной информации и формирования двигательных навыков.

Затем появилась необходимость ввести между стимулом и реакцией дополнительное звено и преобразовать исходную схему в форму «стимул → мозг → реакция». Это дополнение отражает то, что ученые осознали и попытались учесть зависимость поведения не только от сенсорных сигналов, но и от внутренних процессов, происходящих в ЦНС. К последним можно отнести память, работу со сложными сенсорными образами, мотивации и эмоции. Возникали и развивались новые психологические школы, специализирующиеся на изучении этих явлений (гештальпсихология, психоанализ, когнитивная психология, различные течения возрастной психологии).

Результатом параллельных исследований физиологов ВНД явилось создание концепции о функциональной системе работы мозга, сформулированной П. К. Анохиным (рис. 4.2). Функциональная система включает в себя блоки сенсорных систем, памяти, потребностей и мотиваций, а также блок регуляции уровня бодрствования. Эти четыре составляющие передают свои сигналы на блок принятия решений — центральное звено всей функциональной системы. Именно здесь на основе имеющейся у индивидуума информации происходит выбор программы поведения и запуск ее реализации, для чего сигнал передается на двигательные системы мозга, которые осуществляют непосредственное управление мышцами.

Особое значение имеет включенная в структуру функциональной системы работы мозга обратная связь между результатами поведения и блоком принятия решений. Любое мышечное сокращение приводит к изменениям сенсорных потоков (конечности перемещаются в пространстве, изменяется зрительная афферентация). Эти изменения и есть, по сути, результаты поведения, которые регистрируют сенсорные системы. Полученная информация учитывается блоком принятия решений при выборе новой программы или используется для корректировки еще не завершенного поведенческого акта. Таким образом обеспечивается цикличность и непрерывность поведения, когда результаты одного этапа деятельности являются предпосылками для запуска следующего ее этапа.

Функциональная система мозга как формализованная схема работы ЦНС ближе к реальности, чем чисто рефлекторные представления, но и в этом случае мы вынуждены проводить целый ряд упрощений — иначе предлагаемая схема приобретет слишком громоздкий вид. Так, блок памяти включает в себя двигательную (процедурную) и сенсорную (декларативную) память, одновременно подразделяясь на целый ряд типов кратковременной и долговременной памяти. Наиболее сложную деятельность блока принятия решений обеспечивают ассоциативные структуры мозга, а также центры положительного и отрицательного подкрепления, регулирующие обучение и уровень эмоций. Все эти вопросы в той или иной мере будут освещены в следующих главах.

Рис. 4.2. Упрощенная схема функциональной системы работы мозга, предложенная П. К. Анохиным

Работа мозга чрезвычайно сложна, и, пытаясь описать ее принципы, мы вынуждены прибегать, помимо использования собственно физиологических данных, еще и к аналогиям. При этом наиболее полезным оказывается сравнение ЦНС с объектами из мира техники. Так, Декарт сравнивал работу мозга с пневматической машиной. В конце XIX века ЦНС представляли телефонной станцией, где нервы — провода, а информация передается в виде электрических сигналов. Вступая в XXI век, мы сравниваем мозг с компьютерами.

Принципиальное устройство вычислительной машины (например, персонального компьютера высокого класса) сходно с функциональной системой мозга, при этом блокам сенсорных и двигательных систем соответствуют устройства ввода (клавиатура, мышь, сканеры) и вывода (дисплей, принтеры, звуковые колонки). Присутствует в компьютере и память (кратковременная и долговременная); блоку принятия решений соответствует процессор. Но есть и существенные различия. Одно из них касается быстродействия.

И в вычислительной машине, и в мозге информация передается в виде стандартных электрических импульсов. Однако в первом случае частота передачи составляет сотни миллионов и миллиарды импульсов в секунду. В случае ЦНС эта величина не превышает 1000 Гц (поскольку длительность потенциала действия не может быть меньше 1 мс). Каким же образом мозг компенсирует эту разницу? Очевидно, что за счет огромного числа каналов передачи информации — аксонов, по которым распространяются сигналы. Сама организация ЦНС обеспечивает возможность широкой параллельной обработки информации в различных нервных структурах, что резко ускоряет производимые «вычисления» и увеличивает надежность всей системы, устраняя последствия возможной потери сигнала одним из каналов.

Главное отличие нервной системы от компьютера — в сути выполняемых ими задач. Компьютер создан для осуществления быстрых операций с точными числами, а целью работы мозга является то, что можно назвать вероятностным прогнозированием изменений в окружающей среде и организацией реакций организма, исходя из сделанного прогноза.

Иными словами, достаточно сложно организованная ЦНС все время пытается заглянуть в будущее и учитывает результаты таких попыток, запуская поведенческие реакции; при этом рассматриваются несколько возможных вариантов реагирования, и, если их «привлекательность» для мозга достаточно близка, мы не сможем с точностью предположить, какая программа действий будет выбрана. Это делает поведение индивидуума до определенной степени непредсказуемым, вероятностным, создает «шум» в работе нейронных сетей, безусловно, полезный по двум причинам.

Во-первых, ЦНС оказывается способной к перебору разных вариантов решения одной и той же задачи, что увеличивает вероятность нахождения наиболее оптимального из них. Особенно важно это при помещении особи в некоторые новые условия, когда метод проб и ошибок оказывается единственным приемлемым путем, например, для выхода из запертой камеры или для достижения пищи. Во-вторых, относительная непредсказуемость поведения выполняет в ходе эволюции защитные функции, поскольку предоставляет животному шанс спастись от хищника, который не может с точностью предугадать реакции своей потенциальной жертвы.

Наиболее правомерно сравнивать ЦНС не с одним компьютером, а с целым комплексом вычислительных центров, что схематически изображено на рис. 4.3. Каждый блок функциональной системы мозга можно представить в виде иерархически организованного комплекса вычислительных устройств, низшие из которых выполняют более простые операции (например, в случае зрительной системы идентифицируют светлые и темные точки). Чем выше в иерархии расположено устройство, тем более сложные функции с ним связаны (для зрительной системы задачами максимального уровня сложности являются чтение и узнавание лиц). При этом возможен очень широкий обмен информацией между отдельными «вычислительными устройствами» не только в рамках одной системы-центра (двигательного, центра памяти), но и между ними. Иными словами, мозгу чужда авторитарность, и «нижестоящие» не нуждаются в разрешении «вышестоящих» для осуществления самых разнообразных контактов. Как правило, вышестоящие области стараются передать рутинные (многократно повторяемые) функции нижестоящим, высвобождаясь для выполнения более нестандартных, «творческих» задач. Наиболее яркий пример этого — автоматизация навыков в двигательных системах.

Рис. 4.3. Компьютерная аналогия работы мозга, рассматривающая ЦНС как совокупность иерархически организованных вычислительных центров, состоящих в тесной взаимосвязи: 1 — обработка информации внутри центра («от простого к сложному»); 2 — сознательный уровень работы мозга; 3 — обмен информацией между центрами

Аналогия «компьютерных центров» мозга позволяет сделать еще одно важное заключение. Легко понять, что наиболее сложные функции ЦНС сосредоточены на вершинах «пирамид» (рис. 4.3). В полной мере это относится и к такому высочайшему проявлению работы мозга, как сознание; вся остальная часть «айсберга» — это подсознательная сфера. Конечно, следует учитывать, что центры нашего сознания имеют возможность подключения к подавляющему большинству «вычислительных устройств» мозга. Момент осуществления такого контакта — это момент переноса и удержания внимания на некотором объекте, воспринимаемом органами чувств, совершаемом необычном движении или внутреннем субъективном состоянии. Однако число таких контактов, осуществляемых в одно и то же время, очень ограничено и часто равно единице.

Таким образом, наше сознание можно уподобить «пользователю», находящемуся в огромном компьютерном комплексе. Пользователь стремится контролировать работу отдельных вычислительных устройств, для чего ему необходимо быстро переходить от одного компьютера к другому. При этом комплекс продолжает работать, и вычислительные устройства в отсутствии пользователя (без контроля сознания) продолжают более или менее успешно выполнять свои функции. Некоторым из них пользователь может даже мешать, а в отдельных случаях вход в те или иные программы запрещен, поскольку был бы вреден для организма в целом; в частности, мы не можем сознательно контролировать работу гипоталамуса (в том числе его эндокринную активность) и многие вегетативные функции.