Нейронные карты для абстрактных концепций

Идя по знакомой улице, мы следуем внутренней карте: мы знаем, где нужно свернуть, какая улица находится рядом с нашей, а какая – далеко, мы знаем, какие дома стоят вместе и какие в них есть магазины. Если улица незнакомая, то карта строится с нуля, но, так или иначе, окружающие объекты группируются у нас в уме по ландшафтно-картографическому принципу.

Однако мы группируем и классифицируем не только объекты ландшафта, но вообще любые предметы окружающего мира. При этом группы и категории могут перекрываться, входить одна в другую, вообще быть довольно произвольными. Скажем, какие вещи ассоциируются у нас с зимой? Пальто, тёплая куртка, сапоги, санки, коньки, снег, лёд и т. д. С летом, соответственно, связаны футболки, крем для загара, плавание по реке или озеру, комары. Одновременно сапоги и футболки относятся к предметам одежды, а санки и, скажем, речные катамараны относятся к предметам досуга.

Дело не в незыблемости или истинности подобных ассоциаций, а в том, что они в принципе образуются. И образуются они не только у человека, но и у животных. Без умения категоризировать было бы сложно выживать – это легко понять, если представить категорию «всё, что связано с хищником» и категорию «надвигается непогода». Животные строят ассоциации между объектами по мере накопления опыта, причём, что интересно, карта ассоциаций возникает там же, где и ландшафтная карта, то есть в гиппокампе, одном из главных центров памяти.

Мы много раз рассказывали про разные нейроны навигации гиппокампа и карты местности, которые в нём хранятся. Эксперименты с мышами и обезьянам показали, что гиппокамп схожим образом работает и с «непространственными» объектами. Например, если пустить мышь по лабиринту, в её гиппокампе будут активироваться нейроны и нейронные цепи, соответствующие поворотам и переходам лабиринта. Но если мышь будет сидеть на месте и слушать некий звук, который будет изменяться по высоте, то через какое-то время у неё в гиппокампе можно будет видеть схожую картографическую активность: нейроны будут отмечать изменения в высоте звука, как если бы мышь двигалась по звуковому ландшафту.

Сотрудники Седарс-Синайского медицинского центра и Колумбийского университета поставили схожий эксперимент с несколькими добровольцами, которым в мозг ввели электроды в связи с эпилепсией. (В некоторых случаях эпилепсия требует хирургического лечения, и чтобы определить очаг болезни, в мозг на время имплантируют электроды, считывающие активность нейронов; попутно такие больные могут участвовать в нейробиологических исследованиях.) Задача была в том, чтобы увидеть на уровне нейронов, как вообще образуются ассоциации между объектами и как такие ассоциации ведут себя при смене контекста. Участникам эксперимента последовательно показывали четыре картинки: человека, обезьяну, автомобиль и арбуз. Двумя клавишами нужно было отправить каждую картинку с экрана налево или направо. Относительно «направо» и «налево» картинки группировались по две, то есть человека и обезьяну нужно было отправлять налево, а автомобиль и арбуз направо. Но до этого нужно было додуматься путём проб и ошибок. То есть подопытный нажимал «направо» на картинке с человеком, и получал сообщение об ошибке, нажимал «направо» на картинке с арбузом, и получал сообщение о правильном ответе, и т. д. Картинки ходили по кругу, пока участники эксперимента не усваивали связь между парами картинок и действием.

В какой-то момент правила менялись: та пара картинок, которую до сих пор отправляли налево, нужно было теперь двигать направо, и наоборот. Но добровольцам об изменениях в правилах не говорили, они просто начинали получать сообщения об ошибке. Некоторые, получив такое сообщение раз или два, догадывались, что изменения касаются связанных картинок, то есть сформированная в уме ассоциация помогала им сделать вывод о том, как нужно манипулировать картинками в новых условиях.

Все это время исследователи записывали активность тысяч нейронов, чтобы потом с помощью искусственного интеллекта вычленить в них сходства и различия. Представление об отдельной картинке раскладывалось на огромное число нейронов, или, говоря точнее, на активности нейронов. Картина этих активностей была схожа для изображений, объединённых одним действием – то есть по работе нейронов можно было сделать вывод, что арбуз и автомобиль более схожи друг с другом, чем арбуз и человек, или арбуз и обезьяна, и т. д. Можно сказать, что объекты картировались в соответствии с приобретённой категорией, но слово «карта» тут, возможно, не очень удачное. Когда мы говорим о карте, то сразу представляем себе расстояния в дву- или трёхмерном пространстве. Здесь же речь совсем не о том, что «нейроны арбуза» находятся близко к «нейронам автомобиля» и далеко от «нейронов обезьяны»; и даже не о том, что в гиппокампе появляются нейроны, настроенные на манипуляции с конкретным образом. Речь о том, что в гиппокампе возникает категориальные сходства и отличия, причём активность, которая объединяет предметы в одну категорию, и активность, которая разводит их по разным категориям, не обязательно возникает в разных нейронах. Можно сказать, что тут речь идёт о создании карты понятий безотносительно содержания этих понятий. Абстрактности добавляет искусственность ситуации в целом: всё-таки в жизни нам не приходится группировать изображения фруктов и машин в соответствии с тем, куда эти изображения нужно двигать. Но если нечто подобное можно проделать на таком условном материале, значит, тот же механизм работает при любых произвольных ассоциациях, при любом категоризировании.

Не у всех участников эксперимента на нужных картинках появлялась ассоциирующая нейронная активность. Те, у кого она появлялась, легко переключались на новые правила (когда направление движения пар картинок без предупреждения менялось на противоположное). Те, у кого её так и не появлялось, повторяли долгий – относительно – путь проб и ошибок. Но если им раскрывали правила игры, то нужная обобщающая, категориальная активность в гиппокампе возникала очень быстро. При этом возникала она тем же способом и не отличалась от такой же активности, как у тех, кто обо всём догадался сам.

И это первый случай, когда на уровне нейронной активности удалось увидеть, как под действием слов в мозге происходят изменения, соответствующие когнитивной перенастройке. Можно сказать, что исследователям удалось отчасти поймать момент озарения, когда мы вдруг понимаем то, что долго не получалось понять, пусть и с помощью чужих объяснений. Возможно, что новые данные пригодятся не только в фундаментальной нейробиологии, но и в самой что ни на есть практической психологии и педагогике – ведь можно же представить, как человек схватывает родство каких-то далёких абстрактных понятий, стимулируя нейронные сети гиппокампа с помощью магнитного поля или слабого тока.

Результаты исследований опубликованы в Nature.