Нейронаука

Представьте следующую ситуацию. Вы первый раз в жизни запускаете онлайн конференцию в Зуме. Вы, конечно, потренировались заранее, и сейчас конференция проходит успешно. После бурного обсуждения вам нужно подвести итоги. Для этого вы хотите выключить у всех участников микрофон. Вы начинаете просматривать пользовательский интерфейс, чтобы понять как это сделать, но интерфейс вам не знаком. К тому же вы начинаете уже волноваться, и в конце концов вы понимаете, что быстро это не сделаете.

Но затем вы мысленно посылаете свой вопрос поисковику через интерфейс мозг-компьютер и получаете последовательность действий в вашей голове.

Существуют миллиарды сценариев такого рода. Они включают в себя любые инструкции по пользованию устройства, ПО, любые справочные материалы и даже должностные инструкции. Человек не знает, как пользоваться чем-то он подключаются к внешней системе знаний и тут же знает, что ему нужно делать дальше.

Тим Урбан с Рамезом Наамом разбивают этот процесс доступ к информации на 4 уровня.

Уровень 1: Я хочу знать факт. Я обращаюсь к облаку за этой информацией как будто гуглю что-то своим мозгом и ответ в виде текста появляется перед моим мысленным взором. В основном все, что мы делаем сейчас, только все происходит в голове.

Уровень 2: Я хочу знать факт. Я обращаюсь к облаку за этой информацией, и через секунду я просто знаю это. Никакого чтения не было это больше похоже на то, как я что-то вспоминаю, обращаясь к своей памяти.

Уровень 3: Я просто знаю факт, который я захотел узнать, в ту же секунду, когда я этого захотел. Я даже не знаю, пришло ли оно из облака или хранилось в моем мозге. По сути, я могу рассматривать все облако как свой мозг. Я не знаю всей информации мой мозг никогда не мог вместить ее всю но каждый раз, когда я хочу что-то узнать, она загружается в мое сознание так легко и быстро, как будто она была там все время.

Уровень 4: Помимо простого знания фактов, я могу глубоко понять все, что захочу. Например, могу ли я загрузить произведение Бесы Ф.М. Достоевского из облака в свою память, а потом вдруг сделать так, как будто я сам его прочитал? Чтобы при этом у меня возникли собственные мысли и собственное мнение, и я мог бы процитировать отрывки из этого произведения при обсуждении?

Цитата из Neuralink and the Brains Magical Future.

Далее я хочу рассмотреть подробнее, что уже сделано для первого уровня.

Как выглядит процесс передачи информации? Как мы знаем, передача информации от органов чувств осуществляется с помощью электрических импульсов, передающихся по нервной системе. За передачу импульсов ответственны нейронные клетки - элементы нервной системы. Импульс также называют спайком. Выглядит он так:

Так вот, передача информации в мозг - это возбуждение определенных нейронов слабым током по вживленным и подведенным к конкретному нейрону проводам (их называют электродами). Электроды могут выглядеть по-разному:

Выглядит пугающе, но в далеком будущем все будет безоперационно, а не так инвазивно. Работы в этом направлении активно ведутся.

Путем возбуждения нейрона через заданные промежутки времени, можно сформировать разные паттерны сигнала. Есть гипотеза о том, что мы можем интерпретировать, т.е. наши нейроны способны различить сигнал любого формата. Это означает, что мы способны научиться различать разные паттерны в передаваемых сигналах.

Примерами прямой передачи информации могут служить устройства для предотвращения приступов эпилепсии и уменьшения тремора при болезни Паркинсона.

Но в целом понимание того, как передавать информацию в мозг пока только на самом начальном уровне. Основная загвоздка в том, что информация в нейронах хранится сильно распределенно. А технологии доступа к отдельным нейронам пока нет. Так что открываются большие перспективы для тех, кто определяется с профессией.

Приведу еще один пример - эксперимент, в котором обезьяну научили воспринимать искусственное ощущение, вызываемое равномерным возбуждением нейронов сенсорной коры. Ученые передавали сигнал с частотой 105 миллисекунд каждый раз, когда обезьяне нужно было на мгновенье задержать руку над указанным местом. Причем над каким местом, обезьяна не знала, она лишь получала этот паттерн сигналов. Животное успешно научилось различать передаваемый сигнал и задерживать руку, когда это необходимо.

Таким образом обезьяна научилась ассоциировать передаваемый ей сигнал с определенным действием. А мы можем научиться отождествлять эти паттерны, например, с буквами алфавита или даже целыми словами.

Уровень интерпретации информации при обратной передаче, т.е. считывании, выглядит более продвинутым. Вот пара примеров в области управления физическими объектами исключительно сигналами мозга.

Парализованная женщина управляет механической рукой (манипулятором).

Обезьяна управляет передвижной тележкой.

Что это все означает? Что потенциально технология потребления информации из облака и восприятия ее силой мысли уже есть. Но она сейчас ограничена простейшими видами сигналов типа включено и отключено, которые можно комбинировать различными способами. Например, чтобы выбрать направление движение робота или манипулятора. Такой уровень реализации, при котором мы могли бы мысленно видеть изображение, как сейчас на компьютере, еще не достигнут.

Как вы думаете, какие искусственные ощущения стоило бы реализовывать в первую очередь? Мне бы, например, хотелось иметь возможность воспринять информацию из всей книги за несколько минут. Насколько это далеко от реальности? Пишите в комментариях свои мысли.

Подписывайтесь, чтобы следить за постами здесь или в t.me/nextbrain

Всем здравствуйте. Я когнитивист-теоретик. На протяжении своей недолгой научной карьеры я пытаюсь объяснить родственникам и друзьям, чем занимаюсь. Этот пост консолидирует некоторые мои ответы о том, что такое когнитивистика, что делать, если объект вашего изучения самый чернейший ящик, почему междисциплинарные исследования с отсутствием единой методологии это ОК, и есть ли шансы извлечь из всего этого какую-то пользу. Спойлер: да, недаром крупные западные университеты ежегодно штампуют когнитивистов в промышленном масштабе, и все они куда-то (благополучно) деваются.

В изложении я буду придерживаться пусть и упрощенного, но профессионального языка моей специальности, чтобы, кроме всего прочего, донести атмосферу. Если это станет препятствием для понимания и диалога жалуйтесь!

Что изучаем?

Когнитивистика или когнитивная наука (или науки, но об этом ниже) общий термин, описывающий научное направление, начавшее свое формирование в 1950-е годы и занимающееся вопросами, связанными с разумом на различных уровнях описания. Эти вопросы включают в себя, как и напрямую связанные с работой мозга (как работает мозг? какова связь между мозгом и разумом?), так и более общие, касающиеся поведения разумных агентов, их взаимодействия с друг другом и окружающей средой, а также способов обработки различного вида информации. Вышеперечисленные темы могут изучаться под разными углами и с использованием разных подходов и методологий.

Традиционно когнитивистика включает в себя шесть дисциплин:

• психологию

• компьютерные науки (в особенности машинное обучение, искусственный интеллект и робототехнику)

• нейронаук(-у/-и)

• антропологию

• лингвистику

• и философию

Предполагается, что ни одна из дисциплин в одиночку не располагает теоретическим и практическим аппаратом, достаточным для полного понимания разума. В то же время, конкретные вопросы и темы ассоциируются преимущественно с какой-то одной.

Самая древняя из перечисленных дисциплин философия. Ещё Платон и Аристотель (IV век дo н.э.) интересовались вопросами, связанными с разумом. В современной когнитивистике философия скорее ближе к Аристотелю не умозрительная, а активно базирующаяся на научных результатах и наблюдениях. Занимается философия в основном глобальными вопросами о природе разума, теоретическим описанием его работы на основе прикладных результатов, нормативностью и вопросами методологий других когнитивных наук.

В середине 19-ого века от философии как научное направление отпочковалась психология, в основе которой лежит эмпирический подход наблюдение и эксперимент. Вопросы психологии в основном касаются ментальных процессов и поведения. На сегодняшний день многие исследователи-психологи сочетают поведенческие эксперименты с компьютерным моделированием или измерением каких-то параметров мозговой активности, так как считается, что ментальные процессы напрямую связаны с работой мозга. (:

Собственно, про то, как ментальные процессы воплощены в биологических это к нейронауке, самой молодой из всей шестёрки. Первым человеком, предположившим в конце 19-го(!) века, что функциональной единицей мозга является нейронная клетка, был испанский патолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Однако конкретные теории, связывающие умственную деятельность и поведение с нейронной деятельностью, начали получать распространение много позже, так как не было подходящих инструментов для изучения. Изобретение функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) в 1980-х и развитие идеи нейронных сетей можно считать точками становления современной когнитивной нейронауки.

Лингвистика имеет отношение к когнитивистике в двух контекстах. Во-первых, это, конечно, связь между языком и мышлением. Язык как минимум наш основной способ выражения мысли. Как максимум, он тождественен самому процессу мышления (хотя я лично так не считаю). Следовательно, изучение структуры языка, его восприятия и использования способно многое прояснить и про внутренние когнитивные процессы. Второй контекст коммуникация и социальный аспект разума, к чему имеет отношение и антропология, которая изучает социальную среду, культуру и их влияние на человека, например, в формировании его убеждений и поведения.

Ну и напоследок, компьютерные науки. Про их роль в когнитивистике я напишу как-нибудь отдельно (нужно много места), но, если коротко, значение очень, очень велико. Это и идея мозг = компьютер, и теории разных когнитивных архитектур, и обратная инженерия, и инструменты моделирования когнитивных процессов...

Но так что же получается, когнитивистика это не единая наука?

Ну, это как посмотреть. С одной стороны, действительно, разные подотрасли когнитивистики используют разные терминологические аппараты и исследовательские инструменты. Поэтому люди, которые используют термин когнитивные наукИ, по-своему правы. C другой стороны, часто и вопросы, и методологии подотраслей имеют глубокую связь. Например, восприятие языка напрямую связано с работой мозга на множестве уровней, которые включают в себя и обработку аудио сигнала, и строение синтактической структуры языка, и сложные системы убеждений. Все эти уровни взаимодействуют друг с другом. Проблема связать их в стройную систему.

Характер связи между дисциплинами и уровнями вопрос открытый. Профессор Университета Торонто Джон Вервеке, например, выделяет три потенциальных характера связи между дисциплинами и соответствующих им подхода к когнитивистике:

Первый подход номинализм, или когнитивистика как обобщающий термин для нескольких отдельных наук. Основная проблема с первым подходом игнорирование наличия комплексной системы, а следовательно, ее влияния на и взаимодействия с составными частями.

Второй подход интердисциплинарный эклектицизм. Cогласно этому подходу, дисциплины сообщаются между собой, оставаясь при этом самодостаточными. Такой подход подразумевает необходимость изучения смежных областей для более глубокого понимания причинно-следственных связей, но без цели трансформации их в единую науку. Интердисциплинарный эклектицизм часто недостаточно сильная, нестабильная позиция, имеющая тенденцию распадаться в номинализм.

Третий подход синоптическая интеграция. Синоптическая интеграция подразумевает создание единого теоретического поля и языка, описывающего и связывающего когнитивные процессы на разных уровнях в общую систему, взаимопроникновение и глубокое влияние дисциплин на друг друга. Потенциальная опасность этого подхода заключается в его возможной радикализации до полного редуктивизма попытки сведения всех когнитивных процессов к одному базовому уровню, например, нейронному. Такого рода нейро-редукционизм был широко распространён среди когнитивистов второй волны и все еще встречается среди некоторых современных нейро-ученых. Подробнее об этой идее и чем она может быть проблематична в одном из следующих постов. Пока же, я только хочу отметить, что синоптическая интеграция не обязательно подразумевает под собой полный редукционизм.

Таким образом, наука когнитивистика или науки вопрос во многом мировоззренческий. Я сторонница синоптической интеграции, и для меня когнитивные науки это скорее ситуация в настоящем времени, а когнитивная наука потенциальный результат успешно проделанной работы.

Объект изучения черный ящик

Так в чем состоит сложность интеграции субдисциплин и уровней анализа различных процессов? Во-первых, мозг во многом до сих пор черный ящик. Что еще хуже, разум даже не ящик. Позиции, поддерживающие полностью физический характер разума в классическом понимании проблематичны ненамного меньше, чем, например, дуалистические, различающие ментальные и физические объекты. Физикалисты часто сталкиваются с трудностями, когда речь заходит о феноменологии или субъективном опыте (хотя эти вопросы начинают все активнее разрабатываться), дуалисты (и нейтральные монисты) в попытках объяснить возможность влияния ментального на физическое. Эта проблема, на русском языке носящая ужасное название психофизическая (по-английски звучит как the mind-body problem), в современной трактовке чаще всего приписывается Декарту, хотя истоки ее прослеживаются вплоть до 400-х годов до н.э. Если у вас есть свободные выходные для ее решения, вот куда можно себя приложить. Отличный шанс сделать что-то полезное и остаться в истории (:

Даже с точки зрения физикалистов, тем не менее, границы разума (физические или структурные) не обязательно совпадают с границами мозга или даже тела, а такие тесно связанные с разумом понятия как, например, сознание или личность (неточный перевод английского self, предлагайте другие), еще более концептуально неоднозначны. Об этом тоже, возможно, я напишу как-нибудь позже.

Потыкав палочкой используя разные известные методы (или изобретая новые), можно заполучить информацию о структуре мозга, поведении человека и корреляции между, например, поведением и различными параметрами вроде локализации и интенсивности мозговой активности. К сожалению, как анализ, так и синтез этой информации не всегда прямолинеен. Для начала изоляция конкретных процессов в мозге вопрос совсем не тривиальный. Во-первых, из-за обширности деятельности и многозадачности, а во-вторых, из-за того, что мы не всегда знаем, какой уровень анализа является верным (т.е. на что вообще смотреть). В глобальном плане это ведет к ошибочным или даже псевдонаучным парадигмам, как, например, уже ископаемая френология вычисление психологических характеристик по строению черепа.

В локальном к ошибкам экспериментального дизайна (не то измерили, не учли зависимые переменные) и ошибкам интерпретации (измерили то, что хотели измерить, но вывод сделали неверный). К этому добавляются еще и существенные недочеты методологии использования существующих технических инструментов. Взять, к примеру, утконоса дохлого лосося, любимого студентами-нейрологами.

Эксперимент с лососем, наделавший в свое время много шума и получивший в 2012 году Шнобелевскую премию, был призван привлечь внимание научного сообщества к проблеме статистической обработки результатов фМРТ. Прочитать про него по-английски можно, например, здесь, но если коротко, то отсутствие поправки на множественную проверку гипотез влечет к наблюдению когнитивной деятельности у мертвой рыбы. Возвращаясь к проблеме интерпретации, показательно еще и то, что некоторые восприняли аргумент в пользу проведения определенного типа статистического анализа за успешную попытку полной дискредитации фМРТ как исследовательского инструмента.

Поведенческая составляющая экспериментов тоже не без проблем. Если такие внешние сигналы организма, как пульс, движение зрачков и температура тела легко (и, допустим, уместно) регистрируются, то огромная часть экспериментов связанных, например, с феноменологическими аспектами базируется на самоотчетах, которые ненадежны как минимум ввиду субъективности оценочных шкал, а часто и ввиду концептуальных неточностей в постановке вопросов. Грамотное составление опросников с учетом факторов влияния настоящее искусство. Что еще интересно, даже если самоотчет максимально объективен, существует опасность функциональной иллюзии (не технический термин!). Например, попытка с помощью опросников выяснить является ли личность непрерывной на протяжении жизни не вполне корректна, если эта непрерывность является иллюзией, созданной организмом для его осознанной части в целях самосохранения. Такая вот конспирология.

Поскольку исследования строятся на предыдущих исследованиях, бардак часто приумножается. И хотя в целом проблемы интерпретации и методологии существуют во всех науках, когнитивные, в силу особенностей объекта изучения, этим грешат особенно часто.

Наконец, eще одна проблема интеграции когнитивных наук заключается в том, что языки дисциплин и разных подуровней не совпадают и не переносятся друг на друга напрямую. А там, где переносятся, мы часто не знаем о сходствах и трансферах между дисциплинами ввиду банального отсутствия коммуникации между специалистами. В итоге, при наличии высокой компетенции в подотраслях, синтеза знаний не происходит.

Что же делать?

Такое состояние дел заставляет некоторых скептиков сомневаться в потенциальной возможности значительного прогресса как в синоптической интеграции дисциплин, так и научном изучении разума в принципе. На мой взгляд, гораздо интереснее аргументы против когнитивистики, имеющие метафизический априори характер, хотя и те, и другие кажутся мне несколько пораженческими. Метафизические аргументы в большинстве своем говорят о теоретической невозможности полного познания разума разумом или мозга мозгом. Очень упрощая сидя внутри коробочки, нельзя узнать, как она выглядит снаружи. Однако такие аргументы апеллируют к определенным интерпретациям знания, понимания, симуляции и так далее, которые не обязательно являются единственно допустимыми, потенциально универсально важными или самыми продуктивными. Даже будучи выстроенными корректно, теоретические аргументы такого рода часто без надобности перекрывают водопровод во всем доме, в том числе для достижимых и локальных задач.

Что касается большого количества тупиковых исследовательских программ в прошлом, то они, на мой взгляд, прежде всего знак проделанной работы, который в контексте сложности и небольшого возраста решаемой задачи сигнализирует скорее о прогрессе, чем его отсутствии. В конце концов, когнитивной революции нет еще 70-ти лет, а одному из важнейших инструментов изучения мозга, ФМРТ например, и 35-ти промежуток времени, укладывающийся в одну человеческую жизнь.

Чтобы у вас не создалось впечатления бесполезности когнитивистики, внизу несколько выборочных достижений в случайном порядке.

1. Прогресс в диагностике и лечении психических расстройств прямой результат развития парадигмы разум = мозг. Осознание того, что расстройства психики имеют биологическую основу, открыло дорогу разработке медикаментозных методов лечения (и уменьшению стигматизации этих расстройств в обществе). В то же время связь между мозгом и мышлением имеет и обратное направление, позволяя достаточно успешно применять немедикаментозные способы вроде когнитивно-поведенческой терапии для лечения, например, депрессии и неврозов.

2. Другое достижение открытие, что мозг нейропластичен на протяжении всей жизни, т. е. нейронные сети могут изменяться посредством роста и реорганизации, хоть и в меньшей степени, чем в детстве (долгое время читалось, что во взрослом возрасте пластичности почти нет). Нейропластичность важна для обучения, памяти или, например, реабилитации после черепно-мозговых травм, и может быть довольно радикальной, вплоть до полного изменения функций определенных частей мозга. Более того, при наличии понимания работы отдельных когнитивных систем, нейропластичность можно эксплуатировать. Например, активно разрабатываются способы сенсорного замещения для незрячих людей. Изображение с видеокамеры топографически переводится в звук, и пациенты учатся его интерпретировать. С небольшой тренировкой они могут с помощью камеры различать разные объекты в помещении и считывать эмоции с лиц. При этом процессе, со временем начинает наблюдаться активация нейронов в зрительной части мозга, несмотря на то что оптический нерв никак не задействован. Все это вряд ли похоже на зрение в классическом понимании, но идея крутая.

   Сенсорное замещение (Amir Amedi/Cell Biology)

3. Достижения в области искусственного интеллекта у многих на слуху. Здесь можно упомянуть, например, AlphaGo в качестве успешного примера машинного обучения без использования алгоритмов специфичных для игры (из чего следует, что применённый в программе подход можно использовать для других задач). Более поздняя версия AlphaGo Zero, превзошедшая предыдущую версию меньше, чем за месяц, вообще обучалась игре с нуля, тренируясь исключительно сама с собой. Значителен прогресс и в работе с языком (чат-боты, переводчики, генераторы поэзии, анализаторы тональности текста). Помимо выполнения своих прямых прикладных функций, такие программы, основанные на искусственных нейронных сетях, демонстрируют, как некоторые свойства языка могут быть реализованы с помощью коннекционистских подходов. Это потенциально важно для развития дискуссии о человеческой когнитивной архитектуре в целом, так как многие противники коннекционизма часто приводят доводы, связанные именно с неприспособленностью коннекционистских подходов для решения языковых задач.

4. Нобелевская премия по медицине в 2014 году была присуждена за открытие так называемых нейронов места. Совместно с еще более свежими координатными нейронами и нейронами границ, они отвечают за осуществление навигации в пространстве. Нейроны места активируются при нахождении в определенном положении в физическом пространстве. Координатные размечают пространство ровной шестиугольной сеткой, а нейроны границ активируются при нахождении, собственно, у границы доступного помещения. Вот прям так буквально. Человеческая система GPS сама по себе очень интересна, но есть предположение, что тот же механизм лежит и в основе мышления, т.е. мы ориентируемся в концептуальных пространствах так же, как и в физических. К последнему заявлению пока много вопросов, но некоторые косвенные подтверждения есть (как и совместимость такого способа кодировки информации с некоторыми другими теориями о мышлении).

   Активация нейронов места, координатных нейронов и нейронов границ (Sanders et al. 2015)

5. Еще мы знаем, что память реконструктивна. Мы не запоминаем события, как они есть. Формирование воспоминаний происходит интегративно, под влиянием разных факторов, например контекста и эмоций, а при попытке вспомнить конкретное событие память тоже трансформируется. Понимать это полезно, например, при допросе свидетелей и принятии решений, основанных на их показаниях. Есть и исследования по изменению памяти. Например, разрабатываются препараты, направленные на излечение наркозависимости посредством влияния на белки, участвующие в формировании памяти, и устранения ранее сформированной привязанности.

Это несколько несвязанных примеров. Конечно, все эти достижения можно классифицировать как достижения конкретных дисциплин из шестиугольника. Тем не менее, они либо базируются на исследовательском опыте из нескольких областей, либо имеют важные применения и последствия для одной и более других когнитивных наук. К вопросу о синоптической интеграции, многие исследования, помимо своей прямой цели, служат своего рода подкормом для философов. Например, с одной стороны, изучение детского мышления позволяет создавать более эффективные образовательные программы для людей разного возраста и в целом способствовать развитию. С другой стороны, исследования в области психологии развития помогают теоретикам уточнять классификацию метальных процессов и разбираться с нашей когнитивной архитектурой, например, делать более уверенные предложения о связи тех или иных процессов. Кросскультурные и кросс-языковые исследования тоже имеют такой двойной эффект. С практической точки зрения, они, например, помогают оптимально выстраивать коммуникацию, а с теоретической распознавать какие процессы и механизмы универсальны, а какие формируются под воздействием внешних факторов. Из кросс-языковых экспериментов, напимер, мы знаем, что возможность восприятия оттенков одного цвета зависит от наличия понятий (слов) для обозначения этих оттенков. Следовательно, визуальное восприятие немного когнитивно проницаемо, т. е. в некоторой степени зависит от понятийного аппарата человека (и так далее). Конечно, для того чтобы использовать экспериментальную литературу таким образом и выстраивать связи между, казалось бы, далекими областями, нужно много читать.Поэтому есть необходимость именно в теоретиках с широким научным кругозором, способных к интеграции знаний из смежных дисциплин, созданию концептуальных систем и грамотной интерпретации экспериментальных данных. К этому, собственно, и стремимся.

На этом пока все.

Спасибо за внимание. Я подумываю превратить этот пост в полноценную серию, затрагивающую актуальные теоретические и практические вопросы, историю когнитивистики, а также вопросы из серии куда пойти учиться и что почитать. Если это вам интересно, напишите в комментариях. Предложения, пожелания и вопросы приветствуются.