2 Компьютерная метафора2.2.1 Ментальные модели и аналогия с компьютером
Новый подход к анализу психических процессов, возникший в начале 1960-х годов, имел длительную предысторию. В 1894 году ученик Гельм-гольца Генрих Герц писал: «Отношение динамической модели к системе, моделью которой она считается, это в точности отношение образов вещей, которые создает наш разум, к самим вещам…
Согласованность между разумом и природой может быть, таким образом, приравнена согласованности двух систем, являющихся моделями друг друга; мы даже могли бы объяснить эту согласованность, предположив, что наш разум способен создавать динамические модели вещей и работать с ними» (Hertz, 1894, S. 177).
Через полстолетия эту мысль развил сотрудник Бартлетта и один из создателей инженерной психологии Кеннет Крэйк: «Если организм несет в голове мелкомасштабную модель внешнего окружения и своих возможных действий, он способен проверять различные альтернативы, определять наилучшие из них, реагировать на будущее развитие ситуации и вообще во всех отношениях вести себя более полноценно, безопасно и компетентно, попадая в сложные условия» (Craik, 1943, р. 61 )6.
друга репрезентаций. Например, мы можем представить себе карту северо-востока России, так что Санкт-Петербург будет при этом представлен чем-то вроде точки, а затем развернуть эту «точку» в полномасштабное пространственное представление и т.д. (см. 6.3.2).
Рекурсивный характер имеют наши представления о других людях и их знаниях о нас (см. 7.4.1). Наконец, рекурсивность типична для нашего языка, что подчеркивалось в теории порождающей грамматики Хомского (см. 1.3.3 и 8.4.3). Используя эту теорию, можно было сделать следующий шаг — объявить различия всех этих форм репрезентации поверхностными и постулировать единый абстрактный формат представления знаний на уровне глубинных структур, допускающих алгоритмическое описание.
Вот почему в начале 1960-х годов процессы познания стали трактоваться по аналогии с процессами вычислений в компьютере. Понимание того, что человек активно «перерабатывает информацию», строя внутренние модели (репрезентации) окружения, означало переход от информационного подхода в узком смысле слова к когнитивной психологии.
Эта компьютерная метафора когнитивной психологии открыла принципиально новые теоретические возможности, заменив характерное для психологии 19-го — первой половины 20-го веков представление об энергетическом обмене организма со средой на представление о значительно более быстром и гибком информационном обмене.
Так, Вундт и его современники полагали, что только что открытый закон сохранения энергии требует признания строгого психофизического параллелизма, то есть признания — в полном согласии с картезианской философской традицией (см. 1.1.1 и 9.1.3) — полной независимости (в смысле причин и следствий) телесных и ментальных событий.
Но вычислительное устройство, потребляя весьма незначительное количество энергии, может управлять огромными механизмами. Поэтому требование психофизического параллелизма перестало вдруг казаться строго обязательным. Далее, хотя трудно сказать, какие процессы лежат в основе некоторой чисто психической работы, например, восприятия картины Рембрандта, можно легко представить компьютер или специализированный электронный прибор, осуществляющий переработку информации, которая заканчивается адекватным ситуации ответом.
Первыми работами нового направления можно считать исследования процессов образования искусственных понятий Джеромом Бруне-ром и сотрудниками, а также работы Ньюэлла, Саймона и Шоу, создавших ряд машинных моделей мышления, в том числе «Логик—теоретик» и «Универсальный решатель задач».
Общими чертами этих работ являются не только массивное использование формально-логического анализа (например, используемый в монографии Брунера теоретический аппарат совпадает с правилами индукции Дж.С. Милля), но и восстановление авторитета более ранних, «добихевиористских» исследований познания.
ПО
тационная работа Кларка Халла 1920 года по формированию понятий, выполненная на материале китайских иероглифов. Отдавая должное другим влияниям, Брунер писал позднее, что на него произвело в эти годы глубокое впечатление знакомство с традицией изучения познания в советской психологии. Действительно, в его работах отчетливо выступает интерес к анализу развития познавательных процессов, которые он вслед за Бартлеттом, Леонтьевым, Гальпериным и Пиаже связывает с формированием внешней деятельности. При этом, впрочем, он, как и Выготский, подчеркивает моменты символьного взаимодействия ребенка с другими людьми, а не чисто сенсомоторные компоненты.
Использование «менталистской» терминологии в когнитивной психологии было обусловлено вначале эвристическими соображениями; она оказалась необходимой потому, что сложность рассматриваемых феноменов не позволяла дать их осмысленную интерпретацию в других терминах. Переход к неоментализму сопровождался попыткой осмысления философских проблем, которые он за собой влечет. Практически в течение одного 1960 года появилось несколько работ, в которых ставился вопрос о характере объяснения активности познавательных процессов. Эти работы содержат предположение, что проблема бесконечного регресса к гомункулусам, поставленная ранее в споре между Толменом и Газри (она известна также как проблема Юма — см. 1.1.1 и 1.3.3), может быть обойдена, если предположить, что процессы переработки информации организованы в иерархические, все более абстрактные структуры, а сам гомункулус выполнен из нейроноподобных элементов.
В статье под названием «В защиту гомункулусов» Фрэд Эттнив (Attneave, 1961) отмечает, что если на более ранних уровнях переработки информации будут выполняться некоторые функции гомункулуса, то в конечном счете для моделирования познавательной активности во всей ее сложности потребуется система с конечным числом уровней. Блок-схема переработки информации человеком, центральное место в которой занимает гомункулус (блок Н), показана на рис. 2.4. Блок H является местом конвергенции сенсорной и аффективно-оценочной информации; его выход представляет собой произвольное поведение, в то время как рефлексы и автоматизированные навыки реализуются другими структурами. Его активность необходима для осознания, а также для всякого сколько-нибудь продолжительного запоминания информации. Эттнив легко включает в свою модель данные об ограниченности внимания и непосредственной памяти, считая, что вход в блок H ограничен 7 2 единицами предварительно организованного перцептивной системой (блок Р) материала. Совершенно очевидно, что Эттнив вкладывает в уже имевшиеся к тому времени информационные модели познавательных процессов традиционное для психологии сознания содержание. Статья завершается призывом пересмотреть вопрос о научной респектабельности гомункулуса (см. 4.4.2 и 5.2.3).
Проприоцепция
Рис. 2.4. Модель переработки информации человеком по Эттниву (Attneave, 1961). ? — перцептивная система, А — аффективно-оценочная система, ? — гомункулус, M — моторная система
Сдвиг от необихевиоризма к неоментализму когнитивной психологии был зафиксирован и в известной книге Дж. Миллера, Н. Галантера и К. Прибрама «Планы и структуры поведения» (русский перевод — Миллер, Галантер, Прибрам, 1964). Авторы описали элементарную структуру действия, включив в нее операцию когнитивной оценки, TEST. Эта структурная ячейка действия получила название TOTE {TEST—OPERATE—TEST—EXIT). Этими же авторами также еще раз была выдвинута задача изучения «центральных процессов», с помощью которых можно заполнить «пропасть между стимулами и реакциями». Образы были уподоблены планам, или компьютерным программам, иерархическая организация которых допускает возможность «самопрограммирования» и позволяет, по мнению авторов, обойтись без гомункулуса. Наряду с другими аналогичными призывами к изучению «центральных процессов», это был не просто субъективный бихевиоризм, но уже когнитивная психология, в ее специфической форме, подчеркивающей аналогию между внутренними репрезентациями и программами вычислений.
Значительная часть развернувшихся с конца 1950-х годов исследований склонялась к другой версии компьютерной метафоры, связанной с выявлением и анализом возможных структурных блоков переработки информации и принципов их объединения в единую функциональную архитектуру. Не случайно большинство этих работ было направлено на
111
выделение процессов и видов памяти, аналогичных процессам преобразования и блокам хранения информации вычислительных устройств. Благодаря экспериментам англичанина Брауна и американцев Питерсо-нов, здесь, прежде всего, удалось установить критическую роль активного повторения для всякого продолжительного сохранения информации: если после показа некоторого материала (цифры, слоги и т.д.) для запоминания испытуемый должен выполнять какую-либо интерферирующую активность (например, отнимать тройки от некоторого достаточно большого числа), то уже через 10—20 секунд вероятность правильного воспроизведения приближается к нулевой отметке7.
Джордж Сперлинг (Sperling, 1960), а несколько позднее и другие авторы, использовав методику частичного отчета (инструкция, определяющая характер воспроизведения материала, предъявляется в этой методике уже после окончания предъявления самой информационной матрицы), пришли к выводу, что сразу после кратковременного предъявления зрительная информация примерно в течение трети секунды сохраняется в виде относительного полного сенсорного образа, после чего она исчезает или переводится в какую-то другую, вероятнее всего, вербальную форму (см. 3.2.1).
Предположение об обязательном участии вербального повторения в переводе информации в долговременную память, то есть во всяком, сколько-нибудь продолжительном запоминании материала (включая абстрактные фигуры), получило название гипотезы вербальной петли (см. 5.2.1).
Для объяснения этих данных сначала Н. Во и Д. Норман (Waugh & Norman, 1965), а затем Р. Аткинсон и Р. Шиффрин (русский перевод — Аткинсон, 1980) предложили модель, в которой выделили три блока переработки информации в памяти человека: сенсорные регистры (например, «ультракороткая зрительная память» из работ Сперлинга), первичную память (кратковременная память с ограниченным объемом и вербальным повторением в качестве способа сохранения информации) и вторичную память (долговременная семантическая память с очень большим объемом пассивно сохраняемой информации). Легко видеть, что эта модель в общих чертах описывает архитектуру универсальной цифровой вычислительной машины (см 5.2.1 ). Вместе с тем, она вполне тради-ционна. Так, различение первичной и вторичной памяти можно найти уже у Джеймса или еще раньше у немецкого физиолога Экснера. Первичной памятью они называли непрерывное сохранение представления в пределах поля сознания, вторичной — повторное возвращение представления в сознание, после того как оно его покинуло. Первичная (кратковременная) память оказывается, таким образом, удивительным
образованием, одновременно имеющим сходство с сознанием, гомункулусом, каналом связи и микропроцессором компьютера!К числу других проблем этих ранних исследований относились вопросы о локализации и модусе работы селективных фильтров (внимания), осуществляющих отбор релевантной и подавление иррелевантной информации, последовательной или параллельной организации процессов в задачах поиска, характера взаимодействия восприятия и памяти при распознавании конфигураций.
Так, ученица Бродбента Энн Трисман предположила, что перцептивные процессы разворачиваются последовательно на нескольких уровнях обработки информации, начиная с анализа сенсорных признаков материала и кончая анализом семантических. Такие работы представляли не только абстрактный научный интерес.
Одной из практических проблем, изучению которой были посвящены в середине 20-го века десятки экспериментов, стала проблема вечеринки {cocktailpartyproblem) — механизмы выделения релевантного речевого сообщения на фоне множества других одновременно ведущихся разговоров.
Исследования показали, что отбор осуществляется преимущественно на основании элементарных сенсорных признаков, таких как определенное пространственное положение источника или специфический тембр голоса8. Было установлено, что семантическая связность сообщения также способствует лучшей настройке на релевантный канал (см. 4.1.2).
Значительное число работ 1960-х годов было посвящено описанию организации семантической информации в памяти. Одна из методик состояла в анализе группировки (кластеризации) словесного материала по семантическим категориям в задаче полного воспроизведения.
Устойчивые ассоциативные связи между словами изучались с помощью методики свободных ассоциаций (см. 6.1.2). Еще один подход был связан с анализом феномена «на кончике языка», описанного Джеймсом, а также, в литературной форме, А.П. Чеховым (в рассказе «Лошадиная фамилия»).
Браун и Макнил давали испытуемым словарные определения редких слов. В тех случаях, когда испытуемые не могли назвать слово, но утверждали, что знают его и вот-вот вспомнят, их просили угадать число слогов, примерное звучание, положение ударения, отдельные буквы и т.д.
Оказалось, что часто они оказывались в состоянии воспроизвести эту фрагментарную информацию об отдельных признаках слова (см. 7.1.3). Внутренняя репрезентация значений слов стала описываться как многомерный вектор свойств. В одной из первых теорий значения когнитивной психологии Катц и Фодор описали значение в терминах атомарных, иерархически организованных признаков, или предикатов: «быть мужчиной», «быть человеком», «быть живым существом» и т.д.
Так, например, понятие ХОЛОСТЯК задается, согласно теории Кат-ца и Фодора, сочетанием всего лишь трех дихотомических признаков: «быть мужчиной ( )», «быть взрослым ( )», «быть женатым (—)». Данный подход, казалось бы, наконец-то открывал путь к чисто автоматическому, машинному вычислению истинности понятий и составленных из них логических высказываний, пропозиций (см. 2.2.3).
Вместе с тем, подобная абстракция исключала из рассмотрения многие пограничные или особые случаи, определяемые такими факторами, как социокультурные традиции и предписания. Можно ли, в самом деле, считать «холостяками» иерархов римской католической церкви, хотя в их случае выполняется приведенное выше требование сочетания элементарных семантических признаков?
Точно так же, можно ли считать «холостяками» лиц нетрадиционной сексуальной ориентации или же членов формально незарегистрированных гетеросексуальных пар, которые длительное время живут вместе со своими партнерами? Очевидно, при определении даже такого простого понятия перечисление признаков оказывается недостаточным и приходится учитывать более широкий контекст — специфические особенности социокультурного института женитьбы/замужества (см. 6.3.1).
Близость этих когнитивных теорий значения структуралистским представлениям создателей экспериментальной психологии и философии 18—19-го веков неоспорима. Уже для Вундта, впрочем, всякое воспоминание было интегрировано в системе координат его трехмерной теории эмоций: «удовольствие — неудовольствие», «напряжение — расслабление», «возбуждение — успокоение».
Ее более современным аналогом может служить трехмерное семантическое пространство конно-тативных (то есть аффективных) значений, построенное в 1950-е годы с помощью статистической процедуры факторного анализа Чарльзом Осгудом и его сотрудниками (Osgood, Suci &
Tannenbaum, 1957). Эта модель имеет очень похожие на вундтовские координаты: «хороший — плохой» (шкала оценки), «сильный — слабый» (шкала силы), «активный — пассивный» (шкала активности). На базе модели была создана методика семантического дифференциала, в которой значение слов оценивалось всего лишь по трем отмеченным шкалам — оценки, силы и активности.
Рис. 2.5. Изменения в оценке коннотативного (аффективного) значения группы понятий у пациентки с раздвоением личности до (А), во время (Б) и после (В) кратковременного обострения состояния (по· Osgood, Suci & Tannenbaum, 1957).
Надо сказать, что сам Осгуд, несмотря на его активное участие в первых междисциплинарных конференциях когнитивистов и значительный фактический вклад в когнитивную науку, представлял необихевиористское направление психолингвистики. Поэтому он трактовал значение как осуществляющийся на основе ассоциативных связей внутренний медиаторный ответ (rj на внешний стимул. То, что Осгуд и другие психолингвисты середины 20-го века описывал как изменение отношения к понятиям, для представителей только что возникшей когнитивной психологии означало изменение внутренней структуры репрезентации понятий в семантической памяти. Это различие еще раз оттеняет специфику когнитивного подхода, с его общей неоменталистской ориентацией, отрицающей исследование моторики и поведения в целом. Современные психологические, а также и нейрофизиологические исследования различных форм представления знания будут подробно рассмотрены нами в следующих главах. Для новых работ становится характерным известный плюрализм — объединение этих и ряда других, первоначально противопоставлявшихся друг другу точек зрения и методических подходов (см. 6.1.3 и 9.4.1).
115
2.2 «Когнитивная психология» Улрика Найссера
Итоги первого этапа развития когнитивной подхода были подведены в книге Улрика Найссера «Когнитивная психология», вышедшей в свет в 1967 году. Уже во введении он пишет, что конструктивный характер наших познавательных процессов является фундаментальным фактом. Задача когнитивной психологии состоит в том, чтобы понять, каким образом «воспринимаемый, воспоминаемый и осмысляемый мир порождается из такого малообещающего начала, как конфигурация рети-нальной стимуляции или узоры звукового давления в ухе» (Neisser, 1967, р. 4). Заимствуя идею у Фрейда (работа «Влечения и их превращения»), Найссер, пишет, что «эту книгу можно было бы назвать «Стимульная информация и ее превращения». «Познание» — это обобщенное название для всех процессов, посредством которых сенсорная информация трансформируется, редуцируется, усиливается, сохраняется, извлекается и используется. Оно имеет отношение к этим процессам даже тогда, когда они разворачиваются в отсутствие релевантной стимуляции, как это имеет место при воображении или галлюцинациях. Такие термины, как ощущение, восприятие, воображение, запоминание, припоминание, решение задач и мышление… относятся к гипотетическим стадиям или аспектам процесса познания» (там же).
Найссер с осторожностью подходит к определению ведущей метафоры когнитивной психологии. Отмечая, что компьютерная метафора, по-видимому, уступает по своей эвристичности программной (сравнению психических процессов с машинными программами в духе Миллера, Галантера и Прибрама), он подчеркивает, что речь идет лишь о сходстве, но не об идентичности машинных программ и психических процессов. Значение обеих метафор состоит не только в доказательстве правомерности изучения внутренних психических процессов, но и в том, что они позволяют делать это без учета нейрофизиологических данных. В самом деле, если психика — это нечто вроде компьютерных программ, или «софтвера» (англ. software), а мозговые механизмы — собственно «хардвера» (англ. hardware), то очевидно одни и те же программы могут быть запущены на разных, в смысле физической реализации элементов, компьютерах (кремний, пневмоника, фотоника и т.д.). Найссер отмечает, что конечная задача когнитивной психологии состоит в демонстрации роли знания в детерминации поведения человека.
Особенно подробному анализу подвергается судьба сенсорной информации. Ее «превращения» начинаются с попадания в периферические блоки памяти: «иконическую» для зрения и «эхоическую» для слуха. Затем эта информация поступает в вербальную кратковременную память, где сохраняется с помощью процессов скрытого или явного про-говаривания. Подчеркивая конструктивный характер как низших, так и высших познавательных процессов, Найссер различает в них две фазы. Первая — фаза предвнимания — связана с относительно грубой и парал-
дельной обработкой информации. Вторая — фаза фокального внимания — имеет характер конструктивного акта, отличающегося «осознанной, внимательной, детальной и последовательной» обработкой. Только на этой второй фазе становится возможным вербальное кодирование информации, служащее предпосылкой для ее длительного сохранения в памяти и последующей реконструкции (см. 4.2.1).
Тезис об активности познавательных процессов развивается на примере психолингвистической модели «анализа через синтез». Согласно этой модели, при восприятии речи мы пытаемся построить внутреннюю репрезентацию предложения, максимально похожую на оригинал.
Если слово предъявляется на фоне шума, то предвнимательный анализ первоначально может выделить лишь отдельные различительные признаки или слоги, после чего последовательно синтезируются несколько вероятных слов, пока одно из них не совпадет с информацией на входе.
Это встречное моделирование — антиципация — может происходить на разных уровнях описания материала: буквы, слоги, слова, целые предложения. Результатом являются такие известные феномены, как ошибочное восприятие слов, которые отсутствовали в сказанной фразе, но хорошо подходят по контексту, пропуск ошибок в типографском тексте и, наконец, эффект превосходства слова Кеттела, то есть более быстрая и вообще более эффективная обработка слов, чем случайных последовательностей тех же самых букв (см. 3.3.3 и 7.2.2).
Значительное место в книге Найссера отводится феноменам памяти, в том числе зрительным образам, вновь возвращенным из бихевиористского изгнания. Найссер интерпретирует эти феномены по аналогии со зрительным восприятием. Последнее означает для него развернутый процесс интеграции получаемых во время отдельных фиксаций «кадров» зрительной информации, или «икон».
Речь идет «о постоянно развивающейся схематической модели, к которой каждой фиксацией добавляется дополнительная информация» {там же, с. 180). Для такой развернутой во времени интеграции необходимо, очевидно, некоторое пространство — зрительная память.
«Схематические зрительные объекты» могут быть синтезированы повторно. Это и есть образы представлений, которым, следовательно, свойствен такой же конструктивный характер, как и восприятию. «Существует аналогия между ролью хранящейся информации при воспроизведении и ролью стимульной информации в восприятии.
В том и в другом случае информация не попадает прямо в сознание… В области психологии памяти… можно предложить модель работы палеонтолога, которую мы использовали для объяснения восприятия и внимания: по нескольким сохранившимся костям мы восстанавливаем динозавра» {там же, с. 285).
В связи с этим вариантом концепции творческого синтеза перед Найссером встают две проблемы. Первая, называемая им «проблемой исполнителя», заключается в необходимости устранения гомункулуса из объяснительных схем. Вторая проблема, возникающая в теории Найссе-
pa, это адекватность восприятия. Если восприятие, воображение, галлюцинация — наши внутренние конструкции, то как различить подлинное восприятие, представление имевших когда-то место событий и нечто впервые воображаемое? Ответ Найссера на этот вопрос довольно формален и, вообще говоря, не очень убедителен:
Книга Найссера представляла собой пример широкого, хотя и несколько эклектического синтеза различных подходов. На базе компьютерной метафоры были объединены структурализм Вундта и функционализм Бартлетта, гештальтпсихология и лингвистика Хомского. По сути дела (например, с точки зрения разделения процессов предвнима-ния и фокальной обработки, соответствующих тому, что столетием ранее называлось перцепцией и апперцепцией — см. 1.2.2), эта работа больше всего напоминала осовремененный вариант вундтовской экспериментальной психологии. Плюрализм, распространявшийся также и на методологию исследований, где соседствовали гипотетико-дедуктивный метод и самонаблюдение, несомненно, оказался одной из привлекательных черт когнитивного подхода в целом, позволившей представителям разных психологических традиций, а также специалистам в соседних с психологией областях принять это новое глобальное направление.
2.2.3 Принципы символьного подхода
В течение 1970-х годов в психологии и за ее пределами, прежде всего в работах по искусственному интеллекту, сложилось относительно единое мнение о теоретических основаниях, методах и моделях когнитивных исследований. Перед тем как перейти к обсуждению более современных подходов и проблем, мы попытаемся кратко обрисовать основные черты этих представлений, которые можно было бы назвать «консенсусом 1970-х годов». С точки зрения терминологии специалистов в области теории и истории науки, речь идет о частном случае так называемой «парадигмы нормальной науки» (см. 9.1.1), то есть о совокупности явно или неявно разделявшихся тогда абсолютным большинством исследова-
неподтверждением наших ожиданий изменения вида объектов и окружения в процессах реальной или интериоризированной активности (см 5 3 1 и 6 3 1) Примерно так же можно интерпретировать объяснение возникновения внутреннего — психологического, или «идеального» — плана активности и в работах некоторых психологов, исследовавших процес-118 сы отногенеза, прежде всего ? Я Гальперина и Ж Пиаже
телей теоретических и методологических допущений. С известной долей условности можно выделить четыре принципа традиционной парадигмы ранней когнитивной психологии:
- приоритет знания и рационального мышления над поведением,
привычками и аффектом, - использование компьютерной метафоры,
- предположение о последовательной переработке информации,
- акцент на формальном моделировании вместо изучения мозговых
механизмов.
Итак, самым первым принципом, отличающим этот подход от бихевиоризма и, скажем, психоанализа, было подчеркивание роли знаний и рационального мышления: люди — это автономные и рациональные существа, использующие свои знания для того, чтобы в рамках доступных ресурсов оптимизировать взаимодействие с окружением.
Второй принцип заключался в аналогии между психологическими процессами и переработкой символьной информации в универсальном вычислительном устройстве. Предполагалось, что знания могут быть описаны как комбинации символов, которые репрезентируют объекты и события, но не похожи на них. Подобно тому, как слово «стул» фонетически и графически не более похоже на слово «шкаф», чем на слово «шарф», возможное перцептивное сходство самих символов никак не связано со сходством или различием репрезентируемых ими значений. Роль образца при этом, безусловно, выполняла теория Хомского, разделявшая два уровня репрезентации — поверхностный и значительно более абстрактный глубинный. Точно так же и в традиционном когнитивном подходе подчеркивался амодальный и условный характер (глубинных) когнитивных репрезентаций, связанных со значением. Задача когнитивной психологии понималась как возможно более детальная спецификация подобных абстрактных репрезентаций и осуществляемых над ними операций.
Общим допущением было, что познавательные процессы характеризуются определенными ограничениями, которые имеют структурные и, возможно, другие (например, энергетические — см. 4.2.2) основания. С ограничениями пропускной способности связан третий принцип когнитивного подхода: из-за конечной пропускной способности переработка символьной информации должна осуществляться главным образом последовательно. Вследствие последовательного характера обработки полезным источником сведений о внутренней организации процессов познания является измерение времени реакции в различных задачах. Поскольку измерение времени реакции — ментальная хронометрия — стало одним из основных методических приемов когнитивной психологии, рассмотрим соответствующие методики несколько подробнее.
В ряде случаев речь идет о методе вычитания Дондерса (см. 1.2.1). Логика этого метода использовалась, например, американским инже-
119
I
120
нерным психологом, впоследствии специалистом по когнитивной ней-ронауке Майклом Познером. В работах, направленных на анализ стадий переработки информации в задаче абстрагирования свойств буквенно-цифрового материала, он предъявлял испытуемым пары букв, предлагая быстро оценивать совпадение/несовпадение визуальных характеристик, «имен» букв или же их принадлежности к классам согласных и гласных звуков. В результате были измерены времена, необходимые для выделения информации все более высоких уровней абстракции. Как и в работах Дондерса, основной недостаток таких исследований состоит в предположении, что новые задачи в чистом виде добавляют или отнимают некоторые стадии переработки, не меняя остальных. Общим приемом выделения стадий, свободным от этих недостатков, стал предложенный в 1969 году сотрудником Белловских лабораторий Солом Стернбергом (Sternberg, 1969) метод аддитивных факторов. Идея этого методического приема связана с использованием факторного планирования эксперимента и дисперсионного анализа (они были разработаны в 1920-х годах Рональдом Фишером, 1890—1962).
Допустим, что решение некоторой хронометрической задачи включает несколько последовательных этапов переработки информации, например, тех трех этапов, которые описал еще Дондерс: детекция стимула, его различение и выбор ответа (см. 1.2.1). Тогда в случае наиболее сложной задачи времени реакции выбора (п стимулов -» и реакций) можно было бы попытаться найти такие независимые переменные, или факторы, которые, селективно влияя на продолжительность каждого из этих этапов, не вызывают изменения времени переработки информации на других этапах. Наличие отдельных этапов выразилось бы в аддитивном влиянии этих факторов на общее время реакции выбора. Аддитивность двух факторов А и В означает, что при всех значениях одного фактора влияние другого постоянно. Формальным критерием аддитивности служит ситуация, при которой величина взаимодействия факторов (АхВ) в дисперсионном анализе не достигает уровня значимости. При графическом представлении результатов аддитивность выражается в появлении параллельных зависимостей.
Действительно, многочисленные данные демонстрируют существование переменных, которые, влияя на время решения тех или иных задач, не взаимодействуют между собой (Sternberg, 1969; 1999). Как показано на рис. 2.6А, к их числу в простейшем случае относятся оптическая зашумленность («читабельность») предъявляемых зрительно цифр и естественность соответствия стимулов и ответов: в соответствующих экспериментах испытуемый должен был либо просто называть показанную цифру, либо называть цифру, на единицу большую. Аддитивность (независимость) влияния этих двух факторов на время реакции свидетельствует о существовании, по крайней мере, двух независимых этапов в процессах решения данной задачи. Содержательно их можно было бы назвать этапами перцептивного кодирования и организации ответа. Время перцептивного кодирования избирательно зависит от читабельности
естеств. неестеств естеств. неестеств.Соотношение стимулов и реакцийРис. 2.6. Примеры аддитивного (А) и неаддитивного (Б) влияния на время реакции в задаче называния цифры (по· Sternberg, 1999).цифр, а время организации ответа — от его естественности.
С другой стороны, третий экспериментальный фактор — число альтернатив — взаимодействует в той же задаче как с читабельностью цифр, так и с естественностью ответов. Можно сделать вывод, что этот фактор влияет на продолжительность каждого из выделенных выше этапов переработки, а его полезность для тестирования процессов на одном из этих этапов ограничена.
Таким образом, метод аддитивных факторов заключается в поиске пар не взаимодействующих между собой факторов с целью расчленения процесса решения задачи на отдельные стадии. Это выявление
внутренней структуры
процессов переработки информации оказывается возможным чисто психологическими методами, без использования физиологических и нейропсихологических процедур. Ограничением метода аддитивных факторов является то, что он может использоваться только в
хронометрических экспериментах,
причем в режиме относительно безошибочной работы. Следует подчеркнуть последний момент: в силу взаимозависимости скорости и точности ответов (больше времени — точнее работа и наоборот) число ошибок в хронометрических исследованиях, за исключением специальных случаев, должно оставаться на очень низком и примерно одинаковом уровне (порядка 2—3%). Данный метод был использован в огромном числе когнитивных исследований, прежде всего для систематического анализа закономерностей поиска информации в памяти (см. 5.1.2).
Четвертый принцип традиционного когнитивного подхода состоял в нарочито нечетком определении связи психологических и нейрофизиологических процессов. Считалось, что хотя процессы переработки символьной информации как-то связаны с мозговым субстратом, эта зависимость не является жесткой.
Скорее всего, работающий мозг .— необходимое, но не достаточное условие формирования символьных репрезентаций и психологического контроля поведения. Для представителей искусственного интеллекта, кстати, мозговой субстрат не был даже необходимым условием — предполагалась, что полноценные когнитивные репрезентации могут быть сформированы также и достаточно мощной компьютерной программой.
В силу нечеткости психофизиологической связи, для многих научных и практических целей вполне достаточным представлялось формальное описание вовлеченных в переработку информации процессов, даже если их мозговой субстрат остается неизвестным. Подобное формальное описание строилось на базе формализации предложений естественного языка, то есть предполагалось, что внутренние репрезентации знания имеют в своей основе вер-бально-логический характер.
Представления об абстрактно-символьной природе внутренних репрезентаций были наиболее полно разработаны Аланом Ньюэллом. Подобные представления были необходимы, чтобы полностью использовать потенциал компьютерной метафоры и показать, что знания и следствия из них (умозаключения) могут в буквальном смысле слова вычисляться.
Единицей знания при этом (см. также 5.3.1, 7.1.3 и 8.1.1) считается пропозиция — логическое суждение (утверждение), которое может быть либо истинным, либо ложным.В логике и лингвистике существуют разные подходы к описанию пропозиций.
Традиционный подход близок к описанию структуры предложения и состоит в выделении в составе пропозиции субъекта, предиката (отношения, свойства) и объекта. Этот подход, однако, проблематичен, так как субъект и объект легко могут меняться местами без изменения истинности утверждения:
«Россия продала Аляску Америке» и «Аляска была продана Россией Америке». Поэтому более современным, отвечающим духу математической логики подходом является трактовка предиката как логической функции, или отношения, в которое могут подставляться различные аргументы (объекты отношения).
В зависимости от характера предиката (отношения) пропозиция может допускать различное количество аргументов. Примером одноместного предиката служит выражение твердый (карандаш), двуместного — на (книга, стол), трехместного — подарить (Маша, Летя, яблоко) и т.д.
В качестве аргументов таких выражений могут выступать не только существительные, имена собственные и местоимения, но и целые пропозиции, в связи с чем говорят о предикатах второго порядка. Например, предикат установления причинно-следственной связи, cause, способен рекурсивно объединять серию более элементарных пропозиций:cause [подарить (Маша, Петя, яблоко), благодарить (Петя, Маша)].
живое существо
Рис. 2.7. Пример простейшей семантической сети.
На базе пропозициональных репрезентаций возможно выполнение вычислений, для которых используется пропозициональная логика, называемая также исчислением предикатов. Подчеркивание роли пропозиционального описания знания, таким образом, тесно связано с поставленной еще Лейбницем (см. 1.1.2) задачей автоматического вывода и моделирования умозаключений. Существует большое количество производных от пропозиций средств моделирования, наиболее известными из которых являются семантические сети. Они представляют собой пространственные структуры, включающие узлы (понятия, объекты, аргументы) и связи между ними (отношения, функции, предикаты). Пример фрагмента простейшей семантической сети показан на рис. 2.7 С помощью подобных сетей возможно моделирование процессов категоризации и простых умозаключений (см. 6.2.1 и 8.2.1). Так, если два понятия «лебедь» и «щука» объединены иерархически более высоким узлом «живое существо», то возможен перенос части свойств, приписанных данному узлу, с одного понятия на другое. Иными словами, интерпретация и репрезентация понятий в символьном подходе прямо зависят от процессов категоризации: как только понятие относится к некоторой более
123
абстрактной категории, оно наследует семантические признаки этой категории10.В конце 1970-х годов появились и другие средства моделирования когнитивных процессов, прежде всего так называемые системы продукций или марковские алгоритмы, названные так в честь русского математика A.A.
Маркова (1858—1922). Одним из примеров могут служить правила перезаписи порождающей грамматики Н. Хомского (см. 1.3.3). Они представляют собой колонку пар (продукций) типа «условие» —» «действие»: если на вход системы продукций попадает одно из «условий», то оно автоматически приводит к соответствующему «действию».
Продукции можно представить как определенные правила, например: «Если идет дождь, то нужно взять с собой зонт», хотя речь может идти и о средствах моделирования простых связок: «стимул» —» «реакция» Управление начинается сверху колонки и последовательно спускается вниз до нахождения первого подходящего условия.
После осуществления операций — «действий» — управление вновь начинается с верхней строчки В отличие от обычных машинных программ системы продукции практически не обладают структурой, в них, в частности, отсутствует обычный для многих языков программирования оператор перехода к другим участкам программы (оператор «go to»).
Простота систем продукций привела к тому, что они стали широко использоваться при когнитивном моделировании (см. 6 4.1 и 9 2.1). В связи с упоминанием «действий» много надежд было связано и с возможным использованием систем продукции для дополнения моделей когнитивных функций (прежде всего памяти и мышления) моделями сенсомоторных процессов.
Оценивая перспективы когнитивной психологии, один из ее представителей писал в эти годы: «Развитие этого направления науки обещает оказать на нашу философию влияние, которое будет, по крайней мере, столь же существенным, как влияние дарвинизма» (Broadbent, 1961, р. 11).
Этот энтузиазм разделялся большинством психологов. Пожалуй, единственным крупным автором в американской психологии, который позволил себе публично выразить сомнение, был специалист по восприятию Джеймс Джером Гибсон: «Многие психологи, видимо, думают, что сейчас нужно только собрать воедино все наши научные достижения.
Их самоуверенность удивляет меня. Ведь эти достижения очень сомнительны, а сама научная психология, по-моему, плохо обоснована. В любой момент все может опрокинуться, как тележка с яблоками» (Gibson, 1967, р. 142). Может показаться удивительным, но именно его взгляды оказали особенно сильное влияние на более поздние работы одного из основателей когнитивной психологии Найссера, а также на многие ведущиеся сегодня дискуссии (см. 9.3.2).
Действительно, традиционный когнитивный подход оставлял нерешенными много серьезных проблем. Так, не вполне понятной оказалась проблема первичного определения значений — «проблема заземления символов» (symbolgroundingproblem). На поздних этапах изучения языка понятия могут задаваться посредством определения и ссылок на другие символы (см. 6.1.1). Но можно ли выучить китайский язык с самого начала, имея в распоряжении лишь китайско-китайский толковый словарь, к тому же без картинок (см. 9.2.2)? Очевидно, первичное «заземление» понятий возможно в контексте непосредственного восприятия и предметных действий, однако именно они были исключены из рассмотрения. Акцент на вербально-логическом, амодальном описании знаний оставлял открытым также вопрос о природе образных явлений (их изучение привлекло поэтому внимание многих талантливых исследователей — см. 5.3.1 и 6.3.1). Далее, наши действия и восприятия явно непрерывны, поэтому их трудно описывать дискретными логическими функциями. Программы символьной обработки, например, так и не позволили смоделировать элементарный феномен восприятия — разделение видимого поля на фигуру и фон (см. 1.3.1). Вместе с тем, они оказались достаточно успешны при моделировании решения логических задач и даже игры в шахматы.
Из возникших в тот период дискуссий и новых данных к концу 1980-х годов постепенно возникли подходы, поставившие под сомнение универсальную применимость символьного подхода. В центре внимания оказались процессы параллельной обработки и «субсимвольной репрезентации» знания, в частности, процессы, лежащие в основе нашего непосредственного взаимодействия с окружением — локомоций, восприятия и действия с предметами. Новые нейрофизиологические методы, такие как трехмерное картирование активности мозга (см. 2.4.2), были быстро включены в арсенал средств психологических исследований. Радикально изменился и сам характер когнитивных теорий, в фокусе которых, наряду с нейропсихологическими механизмами, все чаще оказываются проблемы развития и коммуникативного взаимодействия. Можно сказать, что сегодня мы имеем дело с другой психологией и другой когнитивной наукой. Они стали в большей степени соответствовать представлениям об объединяющей различные научные дисциплины и субдисциплины единой романтической науке (см. 1.4.3 и 9.4.1), чем это могли представить себе создатели первых метафор данного направления.
125
2.3 Модулярность познания и коннекционизм
2.3.1 Идея специализации обработки
Вплоть до начала 1980-х годов единственной претеоретической метафорой когнитивной психологии оставалась компьютерная метафора, с характерной для нее аналогией между психологическими процессами и переработкой информации в универсальном вычислительном устройстве. Такие компьютеры, во-первых, имеют однопроцессорную архитектуру. Во-вторых, для них характерно разделение пассивных данных и активных операций над ними, причем последние объединены в более или менее сложные, заранее написанные программы. В вычислительной технике и информатике эти вычислительные устройства иногда называются «фон-неймановскими», по имени венгеро-американского математика и логика Джона фон Неймана, предложившего в 1947 году, на пороге масштабной компьютерной революции, соответствующую схему физического воплощения машины Тьюринга (см. 2.1.1)».
Изобретение и распространение микропроцессоров в самых разных областях техники привело к созданию и повсеместному внедрению множества специализированных вычислительных устройств, значительно более простых, чем фон-неймановские компьютеры, но зато более эффективных в решении своих частных задач — балансировании тяги ракетных двигателей, регуляции температуры и влажности воздуха в помещении, определении времени суток и дня недели для любой даты в течение ближайшего тысячелетия и т.д. Стремление увеличить скорость обработки информации, а равно надежность получаемых результатов, в свою очередь, обусловило создание компьютеров с несколькими одновременно задействованными процессорами (один из первых прототипов даже получил характерное имя «Нон-фон» — «Не фон-неймановский компьютер»!). Число таких параллельных процессоров может достигать в современных суперкомпьютерах десятков тысяч, так что главной проблемой здесь становится разбиение общего массива вычислений на подзадачи и коммутирование (англ. connection) работы отдельных микропроцессоров между собой.
Первым автором, в явном виде использовавшим термин «модулярность» для описания организации психологических процессов, был американский нейроинформатик Дэвид Марр (Магг, 1976; 1982). Его интересовали частные, с точки зрения когнитивного сообщества, аспекты моделирования процессов зрительного восприятия (см. 3.3.2) и работы
нейронных сетей мозжечка. В своем «принципе модулярной организации» Марр предположил, что «любой большой массив вычислений должен быть реализован как коллекция частей, настолько независимых друг от друга, насколько это допускает общая задача. Если процесс не организован подобным образом, то небольшое изменение в одном месте будет иметь последствия во многих других местах.
Это означает, что процесс в целом будет очень трудно избавить от ошибок или улучшить, как путем вмешательства человека, так и посредством естественной эволюции — ведь любое изменение, улучшающее один из фрагментов, будет сопровождаться множеством компенсаторных изменений в других местах» (Магг, 1976, р. 485).
Идея разбиения большого массива вычислений на относительно независимые автономные задачи, решаемые специализированными механизмами (подпрограммами или модулями) была очевидной для биологов и информатиков, но первоначально оставалась скорее малоубедительной для специалистов по когнитивной психологии, вполне удовлетворенных возможностями классической компьютерной метафоры.
Кроме того, научная психология в целом, как мы видели в предыдущей главе, ориентируясь на опыт «больших сестер» — физики и химии, постоянно стремилась дать возможно более единообразное, или «гомогенное», объяснение частным феноменам и процессам (см. 1.3.2).
Модулярный подход, напротив, постулирует нечто принципиально иное, а именно существование множества качественно различных ме- · ханизмов, обеспечивающих специализированные способы решения для разных групп задач.Возможно, что именно из-за методологической установки на гомогенизацию длительное время оставались незамеченными и данныепсиходиагностических исследований интеллекта.
Эти исследования,по крайней мере, с начала 1930-х годов, сигнализировали об относительно низкой корреляции способностей в таких областях, как, например, вербальный и практический интеллект (см. 8.4.3). Последовательное применение процедур факторного анализа по отношению киндивидуальным результатам выполнения разнообразных когнитивных задач (тестов) привело уже в наше время к дальнейшему расщеплению списка способностей.
Так, в одной из современных работ (мырассмотрим их позднее — см. 8.1.1) было выделено в общей сложности52 способности, что отдаленно напоминает список из 37 способностей,выделенных на основании сугубо спекулятивных соображений френологами еще в первой половине 19-го века (см. 2.4.3).
Другим важнымразличением в психометрических исследованиях интеллекта стала идеяо различии «кристаллизованного» (основанного на знаниях и устоявшихся навыках) и «текучего» (основанного на абстрактных мыслительных способностях) интеллекта.
Это различение также в какой-то степени предвосхитило современные попытки разделить когнитивныепроцессы на специализированные (или модулярные) и более универсальные (центральные) системы. 127
В порядке ретроспективного отступления можно отметить также, что представление об относительно узкой специализации различных когнитивных механизмов периодически возникало в истории психологии, в частности, оно было широко распространено в американской функционалистской психологии.
Торндайк и Вудвортс еще в 1901 году подчеркивали: «Психика (mind) — это машина для осуществления специализированных реакций на конкретные ситуации. Она работает очень детально, адаптируясь к доступному ей опыту.. Улучшение одной из ментальных функций редко сопровождается сопоставимым улучшением других, независимо от того, насколько они между собой похожи, ибо функционирование каждой ментальной функции обусловлено специфическими особенностями конкретной ситуации» (Thorndike &
Woodworth, 1901, ? 249—250). При желании, в этом описании можно легко усмотреть сходство с современными модулярными представлениями и даже с идеей функциональных систем («функциональных органов») отечественной психофизиологии (см. 1.4.2).К середине 1980-х годов общая ситуация в когнитивных исследованиях восприятия и высших форм познания существенно изменилась.
На смену эйфории, вызванной первыми успехами в создании компьютерных моделей человеческого интеллекта (типа «Универсального решателя задач» Ньюэлла и Саймона) или в выявлении очертаний архитектуры хранения информации в памяти человека (разделение кратковременной и долговременной памяти), пришло более или менее отчетливое понимание сложности исследуемых задач и разнообразия участвующих в их реализации психологических и нейрофизиологических механизмов.
Стали отчетливо раздаваться голоса о новом (то есть третьем по счету) полномасштабном кризисе психологии (см. 2.3.3 и 9.1.1). Один из ведущих специалистов в области психолингвистики и мышления Филипп Джонсон-Лэйрд писал в эти годы: «Двадцать лет интенсивных исследований процессов переработки информации у человека еще не привели к формулированию их общих принципов.
Более того, кажется, что эта задача вообще неразрешима. Что делать дальше?» (Johnson-Laird, 1978, р. 108).На этом фоне неожиданно актуальной стала точка зрения самого инициатора когнитивного переворота в психологии и лингвистике Хомского. Согласно его мнению, таких «общих принципов», может быть, и не существует.
Например, речевые процессы являются не только врожденными, но и «специальными» (или домено-специфическими — domain-specific), в смысле их независимости как от когнитивных способностей в других столь же специальных областях, так и от интеллекта в целом.
Аналогично, в исследованиях памяти было высказано сходное предположение, что долговременная память на самом деле не едина, а разделена, как минимум, на две автономные подсистемы — вербальную и образную (см. 5.3.1). Множество предположительно параллельных подсистем обработки сенсорной информации было обнаружено при
психофизических и нейрофизиологических исследованиях восприятия, причем как в случае отдельных модальностей (зрение, слух и т.д.), так и субмодальностей, например, восприятия формы, пространственного положения или цвета объектов (см. 3.1.3). Все эти данные требовали совершенно других объяснительных схем.
4 Усиливающееся влияние нейронаук2.4.1 Интерес к нейропсихологическим данным
Глобальная тенденция, ярко выступившая в течение последнего десятилетия 20-го века, связана с ростом интереса к мозговым механизмам — реальной архитектуре познавательных процессов. Возникновение когнитивного подхода многие психологи восприняли первоначально как освобождение от (пусть часто лишь декларируемой) необходимости интересоваться мозговым субстратом и возможными нейрофизиологическими механизмами тех или иных познавательных процессов.
Если уподобить психику компьютерным программам, то очень важно, что одна и та же программа может быть запущена на разном «хардвере» — на различных реализациях машины Тьюринга. Есть, следовательно, известная независимость программного обеспечения, или «софтвера», от машинного субстрата.
Суть ранней компьютерной метафоры состояла в предположении о том, что психика относится к мозгу так же, как программа относится к машинному субстрату. Компьютерные программы в качестве психологической теории позволяют интерпретировать наблюдаемые в исследованиях эффекты, «не дожидаясь — по словам Найссера — пока придет нейрофизиолог и все объяснит» (см. 2.3.2).
В 1982 году Дэвид Марр (Магг, 1982), изучавший сенсорные механизмы зрительного восприятия и координации движений, сформулировал альтернативный методологический принцип, предполагающий одновременный анализ как биологических, так и искусственных систем переработки информации на трех уровнях их описания:
- общий функциональный анализ решаемых системой задач;
- алгоритмическое описание выполняемых операций;
- анализ воплощения этих алгоритмов на конкретном субстрате, или
«хардвере».
В последующие годы с появлением множества нестандартных архитектур в коннекционизме и, в особенности, в связи со спекуляциями о мозговой локализации тех или иных «когнитивных модулей» естественно стал возникать вопрос о том, как эти гипотетические механизмы реализованы на самом деле.
Требование Марра к доведению анализа до уровня нейрофизиологического «воплощения» постепенно стало если не необходимым, то во всяком случае желательным элементом любого претендующего на научную полноту когнитивного исследования.Все это, наряду с наметившимися трудностями проверки формальных моделей (см. 9.1.2), привело к настоящему всплеску интереса к нейропсихологическим данным о нарушениях и мозговых механизмах познавательных процессов.
Рис. 2.12. Новая метафора когнитивных исследований: А. Левое полушарие коры с обозначением долей: (1) фронтальных, (2 теменных, (3) затылочных и (4) височных; Б. Продольный разрез мозга, позволяющий увидеть некоторые субкортикальные структуры, такие как таламус и средний мозг.
ле 21-го века напоминают рис. 2.12. Напротив, начиная с 1990-х годов ослабло влияние собственно компьютерной метафоры и машинных (или машиноподобных) моделей. В связи с этим развитием в психологических работах стали использоваться анатомо-физиологические термины, в частности, для обозначения локализации возможных мозговых механизмов: антериорные (передние), постериорные (задние), дорзаль-ные (расположенные в верхней части коры), вентральные (в нижней ее части), латеральные (на боковой поверхности), медианные (вблизи разделяющей кору на два полушария продольной борозды).
Типичным стало и упоминание долей коры головного мозга: фронтальных (лобных), темпоральных (височных), париетальных (теменных), окципитальных (затылочных), а также и более локальных их областей16.Традиционным нейропсихологическим подходом является выделение разнообразных синдромов — систематического сочетания отдельных симптомов нарушения поведения и работы мозга.
Значение синдромного анализа двояко. Во-первых, он позволяет относительно упорядочить материал клинических наблюдений, главным образом, поведенческих коррелятов локальных поражений мозга. Во-вторых, он дает возможность, хотя бы в самом первом приближении, опреде-
лить области мозга, ответственные за те или иные функциональные проявления — речь (синдромы афазии), память {амнезия), восприятие (агнозия), программирование и реализацию действий (апраксия) и т.д. Некоторые из числа наиболее известных синдромных нарушений приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Наиболее известные синдромы клинической нейропсихологии
Синдром | Область нарушений |
Речевые процессы (см. 7.1.3 и 7.3.3) | |
Афазия Брока | Произношение и грамматическая правильность речи |
Афазия Вернике | Понимание речи, использование подходящих слов |
Проводниковая афазия | Повторение услышанных (и понятых) слов и предложений |
Аномия | Нахождение слова в памяти |
Словестная глухота | Узнавание слова на слух и его повторение |
Алексия/Дислексия | Чтение, понимание и повторение написанного |
Аграфия | Различные аспекты навыка письменной речи |
Другие символические координации | |
Акалькулия | Математические способности, счет в уме |
Восприятие и сенсомоторные процессы (см. 3.3.1 и 3.4.2) | |
Агнозия | Узнавание предметов в той или иной модальности |
Прозопагнозия | Зрительное узнавание лиц |
Апраксия | Произвольные движения и сенсомоторные навыки |
Внимание (см. 3.4.2 и 4.4.3) | |
Синдром Балинта | Интеграция локальных впечатлений в целостный образ |
Игнорирование полупространства | Внимание к предметам, латерализованным в пространстве |
Память (см. 5.1.1 и 5.3.2) | |
Амнезия | Процессы произвольного припоминания и узнавания |
Мышление и планирование деятельности (см. 4.4.2, 5.2.3 и 8.1.3) | |
Лобный/Дезэкзе-кутивный синдром | Произвольный контроль действий, достижение целей, а также их смена в случае изменения обстоятельств |
Несколько иная стратегия исследований связана с анализом отдельных случаев, когда в первую очередь подчеркивается индивидуальная картина нарушения и личности пациента, а не то общее, что роднит данный случай с множеством аналогичных, как при описании обобщенных синдромов. Настоящим мастером анализа отдельных случаев был А.Р. Лурия. Этот жанр чрезвычайно распространен и в современной когнитивной науке, особенно в работах известного американского нейро-психолога Оливера Закса (например, Sacks, 1995). Наконец, третья стратегия исследований, называемая методом двойных диссоциаций, состоит в поиске таких пар отдельных случаев (или, если повезет, синдромов), которые представляют собой как бы зеркальную картину друг друга.
В связи с тем, что поиск двойных диссоциаций — это весьма распространенная стратегия в современных когнитивных исследованиях, остановимся на ней несколько подробнее. Этот прием предназначен для контроля правильности интерпретации отдельных случаев. Рассмотрим конкретную проблему. В последние годы описано несколько случаев пациентов с интересной формой семантической агнозии. Эти пациенты способны узнавать и семантически классифицировать неодушевленные предметы, но испытывают сильные затруднения в узнавании живых существ. Можно ли на основании этих данных сделать вывод о том, что семантическая память и ее мозговые механизмы разделены на две подструктуры по принципу живой—неживой? Очевидно, такой вывод был бы преждевременным, поскольку узнавание живых существ может быть просто более сложным процессом, превышающим ослабленные познавательные возможности пациентов с поражениями мозга. Поэтому если бы удалось найти двойную (парную) диссоциацию — один или более случаев сохранного узнавания живых существ и трудностей с узнаванием неодушевленных предметов, то о возможном расщеплении механизмов семантической памяти можно было бы говорить с большей степенью определенности (см. 6.1.3).
Первоначально в когнитивной психологии роль нейропсихологи-ческих данных была связана с обсуждением отдельных, особенно ярких клинических случаев. Однако вскоре стало ясно, что они могут играть важную роль и при проверке справедливости некоторых, подчас весьма общих психологических теорий. Так, Т. Шаллис и Э. Уоррингтон (Shallice & Warrington, 1970) описали пациента, у которого есть долговременная, но нарушена кратковременная память. Существование такого нарушения означает, что едва ли может быть правильной распространенная в когнитивной психологии трактовка запоминания, в которой информация, чтобы попасть в блок долговременного хранения, обязательно должна пройти через блок кратковременной памяти (см. 5.2.1).
Аналогично и несколько ранее А. Р. Лурия (1968) описал знаменитого мнемониста Ш., исследования памяти которого заставляют усомниться в том, что способности к кратковременному запоминанию всегда ог-144
раничены «магическим числом» Миллера17. На самом деле, между кратковременной и долговременной памятью Ш. не было большого различия (см. 5.1.1). Следует заметить, что описание личности и специфических возможностей (а также ограничений) памяти, восприятия и мышления Ш., конечно же, не было «клиническим случаем» в прямом смысле этого слова, однако по характеру анализа оно остается одним из лучших исследований нейропсихологического типа (casestudy, Einzelfallanalyse) в мировой научной литературе.
С возникновением гипотезы модулярной организации познания (см. 2.3.2) в середине 1980-х годов нейропсихологическим данным как таковым начало уделяться повышенное внимание. Более того, многие модели познавательных процессов стали в явном виде строиться как нейрофизиологические модели, причем не только нормального, но и аномального функционирования мозга. Серьезной проблемой на этом пути оказался неэкспериментальный, корреляционный характер ней-ропсихологических данных. Всякое мозговое поражение — это своего рода уникальный «эксперимент природы». У клинического нейропси-холога нет возможности выполнить требования, необходимые для подлинного эксперимента: произвольно воспроизводить поражение или создать контрольную ситуацию, которая бы отличалась от исходной исключительно фактом данного поражения. Поэтому в случае клинических данных всегда остается вероятность того, что наблюдаемая картина в какой-то степени обусловлена особенностями, сложившимися еще до возникновения патологических изменений.
Конечно, если бы было возможно временно «выключать» и затем «включать» без каких-либо последствий отдельные мозговые структуры или, быть может, даже «видеть» их функционирование по ходу нормального решения задач, то можно было бы надеяться на получение значительно более надежных и общих результатов, чем при анализе клинических данных. Такие методы действительно появились в течение последних 10—15 лет, став особенно мощным стимулом нейропси-хологической и нейрофизиологической переориентации заметной час-
дражавшего во время операций на мозге различные участки коры бодрствующих пациен
тов. Примерно в 40 случаях (из 520) электрической стимуляции нижних височных облас
тей возникал своеобразный феномен, названный «вспышками пережитого». Они пред
ставляли собой живые зрительные и слуховые образы, которые всегда переживались па
циентом как воспоминания из его далекого прошлого, а не актуальные события. Ни в
одном из описанных случаев не наблюдалось обратного течения событий или пересече
ний воспоминаний из различных периодов жизни пациента. Воспоминания прекраща
лись с остановкой стимуляции, но иногда могли быть возобновлены с прерванного мо
мента при повторном раздражении той же точки коры. При интерпретации этих данных
возникают трудности, связанные прежде всего с идентификаций сообщений как аутен
тичных переживаний из прошлого пациента. Возможно поэтому наблюдения Пенфидда
уже около 50 лет остаются непроверенными другими авторами. 145
ти современной научной психологии и когнитивных исследований в целом. Речь идет о создании и начавшемся широком применении новых методов трехмерного картирования мозга и его функциональных состояний {brainimaging).
Разработка этих методов была отмечена в 2003 году присуждением Нобелевской премии. Мозговое картирование используется сегодня как в клинических, так и в чисто исследовательских целях, в частности, во все большем числе относительно традиционных психологических экспериментов, проводимых с обычными испытуемыми.2.4.
2 Новые методы и старые проблемыВплоть до самого последнего времени существовали две основные группы методов изучения нейрофизиологических механизмов invivo: анализ ЭЭГ и микроэлектродное отведение активности отдельных нейронных структур.
Первая группа методов использует регистрацию интегральных электрических ритмов мозга, или электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Это делается с помощью внешних, наложенных на кожу головы испытуемых электродов и не требует при использовании соответствующих усилителей сигнала создания особых условий, выходящих за рамки обычного лабораторного окружения.
Вместе с тем, как правило, картина регистрируемых колебаний столь зашумлена, что по ней невозможно прямо судить о влиянии отдельных экспериментальных переменных, а лишь о глобальных стадиях изменения функциональных состояний, таких как бодрствование или сон.
Поэтому в когнитивных исследованиях получила распространение модификация, известная как метод регистрации вызванных потенциалов мозга (ERPs— event-relatedpotentials).
В этом случае предъявление стимула многократно повторяется, а затем сегменты записи ЭЭГ, синхронизированные с моментом отдельных предъявлений, накладываются друг на друга и суммируются. Случайные, разнонаправленные колебания компенсируют друг друга, и вырисовывается электрический ответ коры мозга на само стимульное событие.
Этот ответ демонстрирует ряд характерных особенностей, например, негативное отклонение потенциалов через 100—200 мс после предъявления (этот пик в картине вызванных потенциалов получил название N1) и положительное отклонение примерно через 300 мс (РЗ).
По расположению и амплитуде этих отклонений, несколько отличающихся в случае разных областей коры и для разных модальностей стимуляции (рис. 2.13), можно в определенной степени судить о временной развертке процессов переработки информации. Данный метод позволил подойти к решению некоторых фундаментальных проблем когнитивной психологии.
Так, сравнение вызванных потенциалов на акустические стимулы в условиях направленного внимания и при его отвлечении показало, что внимание усиливает компоненты вызванных 146 потенциалов уже через 40—60 мс после стимульного события (Woldorff
Рис. 2.13. Типичная картина вызванных потенциалов мозга (А) и подготовка эксперимента по регистрации электрической активности мозга в процессах социального взаимодействия (Б).
et al., 1993). Очевидно, это важный аргумент в пользу гипотезы так называемой ранней селекции в спорах сторонников различных моделей селективного внимания (см. 2.2.1 и 4.1.2).
Недостатком, ограничивающим применение ЭЭГ в ее различных вариантах, является низкое пространственное разрешение, а также то обстоятельство, что при этом методе регистрируются электрические изменения на поверхности, а не в глубине мозга. Метод микроэлектродного отведения активности — второй классический метод нейрофизиологического анализа — чрезвычайно точен, позволяет работать с отдельными нейронами или группами нейронов, которые расположены в любых, в том числе глубинных отделах мозга, но его применение трудоемко и, по понятным причинам, ограничено почти исключительно экспериментами на животных. Несмотря на выдающиеся результаты, полученные, например, в исследованиях зрительной сенсорной обработки (см. 3.3.2) и памяти (см. 5.3.2), значение этого метода непосредственно для когнитивных исследований относительно невелико.
Предпосылки для современных методов трехмерного картирования работы мозга были созданы благодаря компьютерным программам, обеспечивающим реконструкцию объемной пространственной модели регистрируемых процессов. Наиболее известным из числа этих новых методов до сих пор является позитронно-эмиссионная томография {ПЭТ-сканирование). Неприятной особенностью этого метода является необходимость введения в кровь радиоактивного раствора. Когда в ходе решения задач та или иная область мозга становится активной, радиоактивное вещество поступает вместе с усилившимся кровотоком к соот-
147
ветствующим регионам. Для экспериментов выбираются относительно неустойчивые изотопы, и в этих регионах мозга усиливаются процессы радиоактивного распада. Выделяющиеся в результате положительно заряженные частицы — позитроны — практически сразу же аннигилируют с электронами. При этом образуются два разлетающихся под углом 180° друг к другу фотона. Эти последние и регистрируются датчиками; расположенными вокруг головы испытуемого. Метод обеспечивает довольно высокое пространственное разрешение, порядка 3—4 мм. Однако его временное разрешение мало — в лучшем случае оно составляет примерно одну минуту, что не позволяет отслеживать сколько-нибудь быстрые когнитивные процессы. Тем не менее с помощью ПЭТ-скани-рования были получены фундаментальные результаты, в особенности относящиеся к мозговой локализации различных систем памяти и даже личности (Craik et al., 1999).
Во многих отношениях значительно более совершенным методом картирования является ядерная магниторезонансная томография (МРТ). Этот метод делает возможной очень точную (до I мм) и довольно быструю, по сравнению с ПЭТ, регистрацию. Кроме того, он неинвазивен, то есть не связан с нарушением целостности тканей организма, например, введением в кровь каких-либо субстанций. Его физической основой является эффект излучения радиоволн определенной частоты отдельными атомами, находящимися в переменном магнитном поле, которое создается расположенным вокруг испытуемого магнитом весом более 10 тонн. В экспериментальной психологии данный метод используется в варианте функциональной МРТ (фМРТ), когда определяется количество кислорода в крови (а именно в молекуле гемоглобина)18. Этот показатель интенсивности метаболических процессов коррелирует с активностью нейронов в соответствующих областях мозга. Недостатком фМРТ является все-таки слишком низкая временная разрешающая способность, позволяющая, в лучшем случае, различать события продолжительностью не менее одной секунды19. Тем не менее это, несомненно, самая лучшая на сегодняшний день методика мозгового картирования. Насколько можно судить по стремительно накапливающимся данным, фМРТ часто подтверждает и значительно уточняет результаты ПЭТ-сканирования.
DTI (DiffusionTensorImaging), позволяющий от
слеживать процессы миелинации аксонов, то есть изменения объема и распределения
белого вещества мозга (см 9.4.2), начинает широко использоваться в нейропсихоло
гии развития.
19 В последнее время появились первые работы, направленные на использование фМРТ
для регистрации изменений магнитного поля, вызванных непосредственно нейронной
активностью. Временное разрешение увеличивается при этом на порядок. В сочетании с
параллельной регистрацией ЭЭГ можно надеяться получить в ближайшем будущем еще
более высокое разрешения — до 1 мс. В отдельных случаях делаются попытки совмеще
ния фМРТ с регистрацией движений глаз испытуемого, что также обеспечивает лучший
148 тайминг событий.
Рис. 2.14. Визуализация данных фМРТ в задаче припоминания географических названий.
На рис. 2.14 показано зарегистрированное с помощью этого метода изменение активности различных участков коры испытуемого, пытающегося вспомнить название столицы Южной Кореи. Особенно сильно выраженный участок активации в префронтальных областях левого полушария может интерпретироваться как типичное проявление интенции на воспроизведение информации из безличной семантической памяти (при попытках припоминания автобиографических сведений активация наблюдается в правых префронтальных структурах — см. 5.3.2). Одновременная активация заднетеменных областей коры свидетельствует о том, что эта задача, по-видимому, решается при помощи фоновых координации, связанных с мысленным просмотром пространственных репрезентаций, или «когнитивных карт» (см. 6.3.1).
Как мы отмечали выше, магнитные поля могут использоваться не только для диагностики, но и для активного изменения динамики физиологических процессов. Для этого применяются мощные магнитные воздействия, которые ведут к кратковременному нарушению работы определенных участков мозга. Сам этот метод получил название трансчерепной магнитной стимуляции, или ? MC {transcranial magneticstimulation, TMS). Один из интереснейших результатов, полученных с помощью данного метода, явно противоречит предсказаниям и духу концепции модулярности Фодора (см. 2.3.2). Оказалось, что затылочные (то есть с анатомической точки зрения зрительные) отделы коры слепых испытуемых постепенно меняют свою специализацию и принимают на себя часть функций по переработке тактильной информации. Они не только систематически активируются в случае тактильных за-
149
дач, но их временное «выключение» ведет к возникновению ошибок узнавания воспринимаемых на ощупь объектов, например, при чтении шрифта Брайля.
Одним из самых мощных методов современной когнитивной нейронауки является магнитоэнцефалография (МЭГ). В ней применяется регистрация магнитных полей, сопровождающих активность нейронов. Поскольку эти эффекты примерно в 100 млн. раз слабее фонового магнитного поля Земли, их регистрация чрезвычайно трудоемка и требует использования специальных сверхпроводниковых детекторов (superconducting quantum interference devices — SQUIDs). Это самый быстрый из всех неинвазивных методов, конкурирующий даже с микроэлектродным отведением. МЭГ с успехом используется для уточнения функции отдельных регионов мозга, а также для описания временной развертки активации. Так, с ее помощью было установлено, что зрительные поля V5, участвующие в переработке информации о движении, включаются в работу через 20—30 мс после активации первичных зрительных полей VI (Andersen et al., 1997). К сожалению, МЭГ имеет слабое пространственное разрешение, поэтому обычно ее применяют в сочетании с фМРТ. Для проведения подобных исследований нужно участие междисциплинарного коллектива в составе физиков, психологов, нейрофизиологов и медиков, владеющих навыками работы с дорогостоящей физической аппаратурой, способных интерпретировать получаемые данные и объяснять их друг другу20.
Стоимость необходимой технической инфраструктуры и уникальная квалификация сотрудников — не единственная проблема мозгового картирования. Большинство этих методов основано на регистрации метаболических процессов, лишь сопутствующих собственно нейрофизиологической активности. Характер этой связи не всегда понятен в деталях. Далее, получаемая информация, давая трехмерную модель активированных областей, обычно ничего не говорит о взаимоотношениях между этими областями в процессе решения задачи. В этом смысле известные преимущества имеет классический метод ЭЭГ, так как он дает возможность определять корреляцию (когерентность) колебаний электрических потенциалов в различных областях поверхности коры и, таким образом, судить о типе взаимоотношений этих областей. Наконец, серьезные сомнения начинает вызывать так называемая процедура вычитания, с которой практически всегда связано использование мозгового картирования
оптическая томография, при которой применяется близкое к инфракрасной зоне спектра световое облучение {NearInfra—RedSpectroscopy, ? 1RS). Хотя значительная часть фотонов поглощается при этом тканями кожи, черепа и мозга, некоторая часть выходит наружу, что позволяет судить о состоянии активации нейронных структур и степени кровенаполнения. По-видимому, речь идет о создании аналога фМРТ, но более дешевого и удобного в применении. Ведется работа и над простыми акустическими методами мозгового картирования, использующими для оп-150 ределения скорости кровотока эффект Допплера.
в экспериментальных исследованиях. При этом из картины активации мозга в экспериментальном условии вычитается картина активации в контрольном или некотором другом референтном условии.Так, чтобы узнать, в чем состоит особенность нейрофизиологических механизмов семантической обработки материала по сравнению с перцептивной обработкой, из результирующего «образа активации» в задаче на семантическую категоризацию вычитается «образ активации» в задаче на анализ перцептивных признаков материала.
При этом, естественно, все области мозга, которые были примерно одинаково активированы в обеих задачах, выпадают из рассмотрения. Но что если активированные области — это не просто мозаика независимых друг от друга модулей и целое в работе мозга, как подчеркивали гештальтпсихологи, всегда «больше суммы своих частей»?
Тогда процедура вычитания может не только не помочь, но даже осложнить интерпретацию полученных данных. В формальном отношении это старая проблема, которая впервые возникла в 19-м веке в связи с дискуссиями, развернувшимися в связи с методом вычитания Дондерса (см. 1.2.1 и 2.2.3).
Наметившееся решение применительно к методикам трехмерного мозгового картирования заключается в использовании статистических процедур факторного анализа, выявляющих информацию о взаимодействии (обычно в форме корреляций) процессов активации различных структур мозга.
Перед тем как перейти к рассмотрению нового поколения теоретических моделей когнитивной психологии, необходимо упомянуть еще одну группу методов, использование которых становится обязательным атрибутом все большего числа исследований. Речь идет о регистрации движений глаз, основанной на быстрой обработке видеоизображений.
Хотя история анализа движений глаз насчитывает более 100 лет, значительная часть ранних работ была направлена на классификацию типов движений глаз и на описание их биомеханических характеристик. Безусловно релевантными для психологии были лишь исследования чтения и зрительного поиска.
Они позволили описать характерный узор очень быстрых саккадических движений и относительно неподвижных фиксаций, а также выявить то обстоятельствог что глазодвигательная активность обычно несколько опережает все формы отчета (включая интроспекцию!) о выполняемой деятельности (см. 3.4.1).
В конце 1960-х годов широкую международную известность получили работы отечественных исследователей, прежде всего биофизика А.Л. Ярбуса (1965). Он продемонстрировал выраженную зависимость траектории движений глаз при рассматривании сложных осмысленных изображений от стоящей перед субъектом задачи.
Насколько всеобщим было восхищение результатами Ярбуса, настолько незначительным оказалось желание их повторить. Дело в том, что его методика была основана на использовании резиновой присоски с укрепленным на ней зеркальцем (позднее радиоантенной).
должен был в течение эксперимента держать прикушенной специальную соединенную с рамкой и вылитую по форме его зубов пластиковую пластину. Такой эксперимент мог продолжаться не более нескольких минут, обработка же данных занимала недели и месяцы.Ситуация стала быстро меняться в середине 1990-х годов, когда началось гражданское использование технологии автоматического наведения ракет по видеоизображениям цели и ее непосредственного окружения.
При регистрации движений глаз роль отслеживаемой «цели» выполняют зрачки, снимаемые в инфракрасном, остающемся невидимым для испытуемого свете быстрыми (с частотой смены кадра до 500 Гц) и очень маленькими (примерно 5 мм) телекамерами. Одновременно таким же образом регистрируются движения головы.
Объединение информации о положении головы и зрачков позволяет чрезвычайно быстро (с задержкой в несколько миллисекунд) определять абсолютное направление взора в окружающем пространстве. Эти новые методы могут быть совершенно бесконтактными (камеры устанавливаются только в окружении, например, монтируются над компьютерным монитором).
Они также позволяют испытуемому одновременно с регистрацией в известных пределах двигать головой, взаимодействовать с техническими устройствами и общаться с другими людьми (рис. 2.15).Значение этих методов выходит за рамки исследований собственно зрительного восприятия, поскольку направление взора служит наиболее надежным и практически мгновенным индикатором положения фокуса внимания, а следовательно, и выполняемых действий (см. 4.1.1).
Кроме того, продолжительность зрительных фиксаций и общее время пребывания взора в определенной области окружения позволяют судить о характере и уровне обработки информации (Vehchkovsky, 1999). Существенно, что данные о направлении взора и окуломоторных собы-
152
Рис. 2.15. Бесконтактная методика регистрации движений глаз А — инфракрасное освещение, выделяющее зрачки для компьютерной видеообработки и слежения, Б — возможное расположение аппаратуры (по Joos, Rotting & Vehchkovsky, 2003)
тиях, включающих саккады и моргания, обрабатываются за сотые доли секунды. Это дает возможность менять параметры ситуации прямо по ходу эксперимента, в зависимости от параметров движений глаз (gaze-contingentexperiments).
Более того, специальные процедуры, близкие коннекционистским моделям, делают возможным по узору саккад и фиксаций идентифицировать намерения человека, что необходимо для адаптивной поддержки операторов сложных технических систем (см. 2.1.2 и 7.4.3).
2.4.3 Нейробиологические модели познанияВ потоке новых данных, порожденных использованием методов трехмерного картирования мозга, стало не всегда просто узнавать аналоги традиционных психологических понятий и те компоненты ранних когнитивных моделей, которые строились на базе традиционной компьютерной метафоры.
Даже если пытаться и далее описывать мозг как машину, занимающуюся вычислениями, ясно, что это машина совершенно другого рода, чем все известные нам на сегодняшний день рукотворные технические устройства. Главное отличие состоит, несомненно, в эволюционном и онтогенетическом развитии, а также в обилии элементов — по некоторым данным общее число нейронов головного мозга превышает 100 миллиардов, число же их специализированных соединений, синапсов, оказывается на два-три порядка больше (см. 9.4.2).
Все это ведет к массивной параллельности нейрофизиологических процессов, сочетающейся, впрочем, с определенной анатомической дискретностью и функциональной специализацией мозговых структур.Многие авторы пытались дать описание такой глобальной специализации.
Одним из самых известных примеров служит схема А. Р. Лурия(1975), в которой выделено три основных функциональных блока мозга.Так называемый энергетический блок (стволовые отделы мозга, древняякора и медиобазальные отделы лобной коры) обеспечивает длительноебодрствование и осуществление форм деятельности, требующих концентрации внимания.
Второй блок (задние височные и теменно-заты-лочные отделы коры) обеспечивает получение, переработку и хранениеинформации. Это гностический или познавательный блок. Наконец,третий, исполнительный блок (лобные доли) необходим для программирования, регуляции и контроля текущей деятельности.
Взгляды Лурияпродолжают сегодня интенсивно развиваться в нейрокогнитивных моделях внимания, которые выявляют также различные генетические ибиохимические основания для каждого из этих функциональных блоков(см. 4.3.3). 153
Надо сказать, что это была далеко не первая и не последняя трехуровневая классификация. Самая первая из них была предложена Джоном Хьюлинг-Джексоном, выдающимся английским неврологом конца 19-го века. Опираясь на эволюционное учение Дарвина, он выделил лобные доли коры как высшую инстанцию поведенческого контроля у человека. Кроме того, проведенный им в ряде работ анализ расстройств речи (афазий) привел его к выводу, что в реализации речевых функций принимают участие не только традиционно рассматриваемые в этом контексте структуры левого полушария (уже хорошо известные к тому времени зоны Брока и Вернике — см. 7.1.1 ), но и механизмы правого полушария, а также субкортикальные центры. Он сформулировал идеи координации активности нескольких разноуровневых механизмов в процессе решения задач, близкие понятию «функциональная система». Эти работы послужили одним из оснований для предпринятой H.A. Бернштейном 50 лет спустя попытки теоретического синтеза накопленных к середине 20-го века поведенческих и нейропсихологических данных о механизмах регуляции движений (см. 1.4.2).
Практически одновременно с Лурия американский нейрофизиолог Пол Маклин (например. McLean, 1973) предложил несколько иную концепцию тройственной организации работы мозга. Наибольший интерес в ней представляет описание среднего уровня, включающего связанную с пространственной памятью и аффективным поведением лим-бическую кору — высшую инстанцию мозга у древних млекопитающих. Лимбическая система, в свою очередь, развивается из субкортикальных базалъных ганглиев, ответственных за контроль поведения у рептилий и птиц. По мнению Маклина, агрессивность территориального поведения отдельных людей, групп и целых государств — наследие этого периода филогенеза. Хотя человек интеллектуально и покинул царство биологических закономерностей, эмоционально он не в состоянии контролировать свой, в его основе все еще «рептильный мозг» {reptilianbrain)21.
Все эти авторы — Хьюлинг-Джексон, Бернштейн, Лурия и Маклин, — по сути дела, решали одну и ту же общую задачу, которая называется в геологии стратификацией, то есть выделением в общем массиве породы отдельных слоев, или уровней, относящихся к различным предысторическим эпохам (Velichkovsky & Challis, 1999). Стратификация выполняет в геологии чрезвычайно полезную роль, позволяя сразу переносить на найденный в некотором слое материал общие характеристики соответствующей эпохи, например, кембрия или триасса. Если
миндалина (амигдала), развивается непосредственно из зачатков коры древних рептилий (Abolotz, Morales & Montiel, 154 2003).
бы нам удалось построить уровнево-эволюционную модель психофизиологических процессов, то она могла бы выполнять по отношению к частным находкам и феноменам когнитивной науки аналогичную эвристическую функцию (см. 1.4.1 и 8.4.3).
Характеризуя актуальное состояние исследований, следует отметить их известную противоречивость, вызванную быстрой сменой характера объяснительных моделей. Волна технических инноваций стремительно меняет в последнее время сам облик когнитивной психологии как научной дисциплины в направлении комплексных когнитивных нейроисследований. Современные модели психологических процессов испытывают особенно сильное влияние «модулярной» нейропсихологии. При этом из-за обилия данных и противоречивости теоретических взглядов зачастую оказывается забытой более общая эволюционная и функциональная перспектива исследований. Конец 20-го века, когда многие когнитивные психологи — порой довольно неожиданно для самих себя — стали нейропсихологами и психофизиологами, оказался временем выдающихся открытий (часть из них будет обсуждаться в последующих главах), но зачастую и псевдооткрытий, в традициях так называемой френологии — популярной в начале 19-го века салонной игры на ощупывание формы черепа с целью определения бугров и впадин, предположительно связанных со степенью развития патриотизма, памяти или, например, литературных способностей.
Так, несколько лет назад одновременно в Северной Америке и Европе появились сообщения двух видных авторов об открытии с помощью ПЭТ-сканирования «центра мышления» — любое умственное усилие действительно вызывало активацию этой узколокализованной области в основании фронтальных долей. При последующем анализе этот «центр» оказался, однако, всего лишь крупным узлом питающих передние отделы коры мозга кровеносных сосудов. По сегодняшний день в профессиональной литературе обсуждается другое недавнее предположение (Tulving, 1998), согласно которому кодирование информации о различных событиях собственной биографии при запоминании (так называемая эпизодическая память — см. 5.3.2) преимущественно осуществляется фронтальными отделами левого полушария, а ее извлечение при припоминании — префронтальными структурами правого. Трудно прежде всего представить эволюционные основания для подобной специализации полушарий, ведь запоминание и припоминание обычно представляют собой моменты единого мнестического действия. Не случайно это предположение оказалось скорректированным в ходе психологических и нейропсихологических исследований памяти (см. 5.3.3).
Одновременно накапливаются новые данные о множественности механизмов и чрезвычайно широких взаимосвязях таких глобальных когнитивных функций, как, например, речь и память. В частности, в случае речи (как это предполагал уже Хьюлинг-Джексон) было установлено, что мозговая локализация основных механизмов не ограничена только левым полушарием коры, но включает также структуры правого
155
полушария и различные субкортикальные механизмы (см. 7.3.3). В результате подобного обилия взаимосвязей изучаемых структур наиболее успешными практически во всех областях когнитивных исследований сегодня оказываются нейросетевые, или коннекционистские модели.
В связи с распространением моделей, основанных на использовании искусственных нейронных сетей, следует заметить, что реальные мозговые механизмы, по-видимому, демонстрируют несколько различных принципов эволюционной организации (Striedter, 2004). Наряду с формами организации, напоминающими относительно автономные «модули» («ядра» или «центры» — они находятся, главным образом, в субкортикальных структурах), значительная часть коры, ее так называемые ассоциативные отделы, демонстрирует более распределенный, сетевой тип организации, когда каждая группа нейронов связана со всеми остальными. Это различение, впрочем, не является очень строгим. Сетевой тип организации демонстрирует и так называемая восходящая ретикулярная активирующая система {AscendingReticularActivatingSystem, ARAS), локализованная в глубоких субкортикальных структурах ствола, а также среднего и промежуточного мозга. Ее функция состоит в широкой активации коры, без чего состояния бодрствования и внимания оказываются невозможны (см. 4.4.1)22. Модулярные и коннекционистские подходы в когнитивных исследованиях опираются на данные о подобной горизонтальной организации самого мозгового субстрата.
Помимо и сверх того, мозговые структуры сохраняют следы их эволюционного происхождения, которые обуславливают моменты иерархических отношений между ними. Разумеется, эти иерархические, межуровневые отношения выражены не так явно, как в случае структуры бюрократических учреждений (типа какого-нибудь министерства или крупного университета). Часто они оставляют впечатление скорее градуальных переходов (Гольдберг, 2004). Существуют три основных градиента эволюционного развития мозга. Первый и наиболее ранний из них связан с переходом от древнейших, субкортикальных к кортикальным структурам (Grillner et al., 2005). Внутри коры больших полушарий, которая, кстати говоря, имеется в развитом виде только у млекопитающих (Aboitiz, Morales & Montiel, 2003), возник второй выраженный градиент развития — от задних к более новым, передним (лобным, или фронтальным) структурам. Данные эволюционные изменения продолжались вплоть до начала антропогенеза (6—7 млн. лет назад), который иногда даже называют в литературе «эпохой лобных долей» (рис. 2.16). На этой последней фазе эволюции внутри самих передних отделов коры наметился еще один градиент роста, сопровождающийся ускоренным разви-
Рис. 2.16. Коэффициенты относительного роста участков коры в антропогенезе, демонстрирующие ускоренное развитие ассоциативных, в особенности фронтальных областейтием фронтополярных областей правого полушария и теменно-височ-но-затылочных областей левого полушария23.
23 Мы никак не затрагиваем здесь проблему ко-эволюции, параллельно разворачивающейся на многих уровнях организации мозга (Deacon, 1996) Иными словами, изменения могут происходить не только в порядке развития высших эволюционных механизмов, но и в ходе модификации низкоуровневых структур Примером служит мозжечок, или цере-бемум, включающий в развитом виде структуры палео-, архе- и неоцеребеллума Активация мозжечка наблюдается как в случае сравнительно простых сенсомоторных тестов на сохранение равновесия или выполнение точностных движений, так и при решении разнообразных когнитивных и коммуникативных задач (Casey, 2005) Общим для всех этих задач является точное пространственно-временное согласование некоторого множества операций (см 7 3 3)
157
Насколько можно судить по имеющимся данным, существование подобных градиентов эволюционного развития мозга не проходит бесследно для взаимоотношения соответствующих познавательных процессов, задавая, так сказать, «вертикальное измерение» их организации, исключительно важное с точки зрения упомянутой выше общей задачи стратификации (см. 3.4.2, 5.3.3 и 8.4.3).
В самом деле, примерно такая же динамика изменения неирональнои пластичности различных участков коры наблюдается и в раннем онтогенезе (см. 9.4.2). При этом сначала формируются субкортикальные структуры, затем сенсорные и моторные зоны коры и, с временным сдвигом, ассоциативные области ее теменных и височных долей, после чего постепенно, в течение значительной части жизни формируются структуры филогенетически наиболее новых лобных долей (Huttenlocher, 2002;
Thatcher, 1992). Наконец, близкая последовательность вовлечения уровневых механизмов мозга имеет место и при актуальном развертывании — микрогенезе — познавательных процессов, таких как предметное восприятие или понимание речи.Многие из полученных в последние годы конкретных результатов нейрофизиологического и нейропсихологического анализа будут обсуждаться в последующих главах, посвященных отдельным областям когнитивных исследований.
Вместе с тем, чтение данной книги ни в коей мере не может заменить углубленного изучения данных и методов современной когнитивной нейронауки. Мы попытались лишь указать возможные точки соприкосновения, сознательно сделав акцент на анализе относительно молярных психологических феноменов, их механизмов и функциональной роли в деятельности.
Преимущественное внимание к молярным механизмам объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, детальное и одновременно целостное описание различных познавательных процессов сегодня все еще едва ли возможно. Во-вторых, накапливается все больше данных о чрезвычайной пластичности мозга (см. 9.4.2).
Поэтому сколько-нибудь общие, инвариантные закономерности могут быть выявлены только при рассмотрении более или менее глобальных механизмов. Можно надеяться, что отдельные открытия будут вписываться в намечающуюся глобальную картину и уточнять ее.
Одним из таких выдающихся открытий стало недавнее описание группой итальянских нейрофизиологов во главе с Джиакомо Риццолат-ти в нижней (вентральной) части премоторной коры и в теменных областях коры обезьян так называемых зеркальных нейронов (mirrorneurons— см.
, например, Rizzolatti, 2004). Эти нейроны активируются при выполнении сложных, осмысленных движений, типа доставания пищи или разгрызания ореха. Их нельзя считать просто моторными или «командными» нейронами, так как они активируются уже при одном виде выполнения тех же самых целенаправленных движений, или действий, другими обезьянами или экспериментатором.
ной жизни и научении приматов, являясь одной из основ характерной для психологии человека интерсубъектности (см. 9.4.1). Уже Кёлер (КоеЫег, 1921) описал внезапно охватывавшие наблюдавшуюся им колонию шимпанзе кратковременные «моды» на украшение себя яркими полосками ткани или на новый способ добывания термитов.
Прелесть кёлеровских описаний, несомненно, состоит именно в том, что в таком «обезьянничании» мы сразу и легко узнаем самих себя.В связи с данными о локализации зеркальных нейронов в нижних премоторных областях, следует также отметить два дополнительных обстоятельства.
Во-первых, эти области граничат с нижними структурами префронтальной коры, которые участвуют у человека в эмоциональной саморегуляции и контроле социального поведения (см. 4.4.2 и 9.4.3). Во-вторых, они отчасти совпадают с областями, гомологичными так называемой зоне Брока, которая ответственна у человека за экспрессивное речевое поведение и грамматику речи (см. 7.1.1 и 7.3.3).
Речь является функцией, которая наиболее сильно зависит от социальной имитации, а также от ситуативной настройки процессов понимания на параметры речи и мимики партнера (см. 7.1.3). С помощью фМРТ функции зеркальных нейронов начинают исследоваться и у человека.
Фундаментальное значение этих данных для когнитивной науки состоит в том, что они объясняют механизмы развития речи и языка в филогенетической перспективе, демонстрируя их связь не столько с ранними вокализациями (у других приматов эти вокализации связаны с базальными ганглиями и структурами древней, лимбической коры), сколько с жестикуляцией и кооперативными, осуществляемыми совместно с другими особями действиями.
Конечно, эта перспектива весьма сильно отличается от сугубо формального анализа языка в работах Хомского и его последователей.Целый каскад аналогичных открытий подтверждает более ранние теоретические представления отечественных физиологов и нейропсихо-логов о социальной основе высших мозговых процессов (см. 4.1.1 и 7.1.2).
Среди пионеров исследования социального мозга следует, наряду с А.Р. Лурия, отметить выдающегося физиолога и философа Алексея Алексеевича Ухтомского (1889—1942), который ввел понятие «доминанта на другого человека». Некоторые новые результаты исследования этого социального по сути дела комплекса поведенческих, психологических и физиологических реакций будет рассмотрена нами в последней главе книги (см. 9.4.2).
Работу ведущих исследовательских коллективов, таким образом, начинает определять романтическая задача создания культурно-исторической нейропсихологии развития.В то же время понятно, что эта общая задача не может быть решена без анализа моторики, сложных форм социального взаимодействия, а также эмоционально-аффективной жизни.
При этом все чаще выявляется недостаточность распространенной в когнитивной науке методологии анализа локальных (модулярных) механизмов обработки. На первый план выдвигается бернштейновское понятие «координация» 159
(Velichkovsky, 2005). Кроме того, при всем внимании, уделяемом в последние годы трехмерному картированию мозга, для когнитивной науки до сих пор во многом неизведанным континентом остаются функции нейротрансмиттеров24. В современной нейрокогнитивной литературе в особенности обсуждается роль селективной гибели рецепторов, чувствительных к нейромедиатору ацетилхолину, в нарушениях внимания и в возникновении болезни Алъцгеймера (см. 4.3.3 и 5.4.3), а также влияние выделяемого при положительных эмоциях дофамина на функции самоконтроля и особенности процессов принятия решений (см. 9.4.3).
Нарушение баланса дофаминэргической и глутаматэргической систем, возможно, лежит в основе патогенеза такого заболевания, как шизофрения. Исследования физиологических механизмов действия дофамина были удостоены в 2002 году Нобелевской премии.
Для понимания действия нейротрансмиттеров необходимы более молекулярные подходы, развиваемые в так называемой «мокрой» физиологии, биохимии и молекулярной генетике. В связи с недавней расшифровкой генома человека, в частности, стали быстро развиваться работы по когнитивной геномике (см. 4.3.3 и 9.4.2).
Так, ген АРОЕ (от Apolipoproteine), участвующий в работе холинэргической системы, оказывает широкое влияние на формирование памяти и пространственного внимания. Близкую роль играют некоторые генетические маркеры иммунной системы человека (Nilsson, 2005).
Функции имеющей автобиографический оттенок эпизодической памяти более специфично связаны с генами DRD4 и СОМТ, регулирующими дофаминэргические процессы. Эти же гены, вместе с рядом других, оказывают существенное влияние на формирование высших форм внимательного контроля поведения и познания (Posner, 2004).
Работы по когнитивной геномике ставят на более прочную основу анализ психогенетических вопросов развития интеллекта (см. 9.4.2). В этих относительно новых для психологии областях можно искать дополнительные объяснения особенностей аффективно-эмоциональных состояний, стресса или утомления, механизмов возникновения психосоматических и психиатрических нарушений, а также многих, в том числе уровневых аспектов развития, функционирования и распада когнитивных процессов.
Все перечисленные в этом разделе книги области исследования развиваются столь быстро, что очень трудно делать прогнозы о том, как они будут выглядеть через 15—20 лет. Единственное предсказание, которое можно с уверенностью сделать сегодня, состоит в том, что как бы ни
160
24 К нейротрансмитгерам относятся аминокислоты (прежде всего, главные возбуждающие и тормозные медиаторы связей нейронов головного мозга — глутамат и, соответственно, гамма-аминомасляная кислота, ГАМК), моноамины (дофамин, серотонин, адреналин, норадреналин/норэпинефрин), нейропептиды, а также некоторые быстрорастворимые газы и ацетилхолин. По способу их действия нейротрансмиттеры разделяются на два класса — нейромедиапгоры и нейромодуляторы
изменились основные исследовательские подходы в будущем, в истории когнитивной нейронауки останутся имена таких авторов, как Дж. Хьюлинг-Джексон, П.К. Анохин, H.A. Бернштейн, А.Р. Лурия, П. Маклин, A.A. Ухтомский и Д. Хэбб, задолго до появления современных методов картирования работы мозга попытавшихся на основе общих эволюционных соображений, продуманного экспериментального анализа и изучения отдельных клинических случаев восстановить картину развития функциональных механизмов познания и регуляции поведения.
