Воображение является удивительной способностью человеческого разума, которая позволяет нам создавать и воспроизводить образы и идеи. Но каким образом мозг управляет этим процессом? Как работает воображение и какие факторы на него могут влиять? Как оно связано с памятью, контролем движений, ориентацией в пространстве и креативностью? Что мы знаем о работе мозга и нейроинтерфейсах?
На эти и другие вопросы в лекции в Образовательном центре 20 апреля ответил Лев Яковлев — нейрофизиолог, кандидат биологических наук, сотрудник Центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколковского института науки и технологий. Лекция прошла в рамках совместного курса Ельцин Центра и Сколтеха по современной нейробиологии «Мозги, да и только».
Мозг и центральная проблема нейрофизиологии
Прежде чем перейти к рассказу о тайнах воображения и современных методах его исследования, Лев Яковлев привёл общие сведения о мозге — удивительном органе, который является источником наших мыслей, ощущений и представлений о мире.
На протяжении долгого времени научное сообщество пытается решить центральную проблему психофизиологии, которая формулируется следующим образом: как сознание связано с материальной основой, представленной мозгом?
Окончательного ответа на этот вопрос до сих пор нет. Однако мы знаем, что мозг состоит из огромного количества нервных клеток, или нейронов, связанных между собой специальными соединениями, называемыми синапсами. В мозге содержится около 10 в десятой степени нервных клеток, а связей между ними — ещё больше. Каждая генерирует огромное количество нервных импульсов, обеспечивая сложную коммуникацию внутри мозга.
По мнению Льва Яковлева, человеческий мозг формирует модель внешнего мира, основываясь на опыте и восприятии. В процессе нашего взросления и индивидуального развития мы сталкиваемся с различными явлениями и объектами окружающей действительности. Мозг постепенно улавливает закономерности, укладывает их в систему. Формируемая таким образом модель позволяет нам представлять и воображать образы, события и идеи, которые не присутствуют в данный момент.
Каждая новая ситуация всё более точно встраивается в эту модель. Мозг подмечает закономерности и начинает пользоваться тем, что ему уже известно, чтобы «прокручивать» внутри себя ситуации и выдавать решения. Результатом таких внутренних вычислений также могут быть внезапные идеи, которые к нам приходят — так называемые озарения и вдохновение.
Что такое воображение?
Воображение — это способность взаимодействовать с объектами через сформированную мозгом модель. Или, если прибегнуть к более формальному определению, — способность к мысленному воспроизведению сенсорных характеристик объектов, — рассказывает Лев Яковлев.
Воображение играет важную роль в нашей способности мыслить и творить. Оно позволяет нам создавать и манипулировать образами внутри нашей модели мира. Наш мозг способен вызывать и воспроизводить сенсорные характеристики объектов, даже когда эти объекты отсутствуют внешне. Например, мы можем представить в голове образ красного квадрата, хотя его физическое существование не обязательно. Мы можем ментально взаимодействовать с этим образом, визуализировать его и рассматривать его различные аспекты, не прибегая к реальному физическому объекту. Это позволяет нам исследовать возможные сценарии и решения, творчески экспериментировать и разрабатывать новые идеи.
Опыт играет ключевую роль в формировании внутренней модели мира и точности нашего воображения, — продолжает эксперт. — Каждое новое взаимодействие и наблюдение позволяет нам уточнять и расширять эту модель. Например, когда мы впервые сталкиваемся с цветком, мозг запоминает его сенсорные характеристики и интегрирует их в общую модель цветков. По мере накопления опыта и встречи с различными цветками эта модель становится более точной и разнообразной.
Взаимодействие между различными отделами коры полушарий играет важную роль в процессе воображения. Информация, поступающая из органов чувств, интегрируется и обрабатывается мозгом. Это позволяет создавать связи между различными сенсорными впечатлениями и формировать единые образы объектов в нашей внутренней модели.
Важным аспектом воображения является связь с речью. Мы используем слова и язык для обозначения и описания объектов и идей в нашей внутренней модели. Это помогает нам структурировать и организовывать наши мысли и представления. Многие учёные до недавних пор были уверены, что мозг кодирует информацию при помощи лингвистических паттернов, но это представление было скорректировано новейшими исследованиями. О них Лев Яковлев рассказал позже.
Влияние воображения на физическую реальность
По словам Льва Яковлева, когда мы говорим о воображении, стоит отметить, что оно является не дискретной и точной характеристикой, а скорее спектром. Разные люди могут иметь разную степень интенсивности воображения. Некоторые могут переживать очень яркие мысленные образы, в то время как другие могут испытывать сложности с воображением. Большинство людей находятся где-то посередине этого спектра.
Интересно, что воображение, хотя является исключительно мысленным процессом, может вызывать измеримые физические изменения в организме. Эти изменения — такие, как измерение потенциала на мембране клеток или скорости кровотока — можно считать с помощью различных приборов.
Этот факт об отношении воображения к физическим изменениям лежит в основе обучения и может быть применён в лечебных процедурах. Ведь если наши мысли могут вызывать физические изменения в организме, то можно использовать это свойство для улучшения состояния и здоровья людей, — говорит эксперт.
Поведенческие и нейроимиджинговые методики изучения воображения
Изучение воображения началось с середины прошлого века. Однако, так как это внутренний процесс, исследователи не могли прямо наблюдать его. Поэтому были разработаны различные поведенческие методики. Например, испытуемым давали задачи, в которых они должны были представлять определённые сценарии или образы, а исследователи могли оценивать степень выраженности их воображения на основе реакций и ответов испытуемых.
С развитием компьютерных технологий и увеличением вычислительных мощностей стало возможным обрабатывать и анализировать большие объёмы данных, что помогает в буквальном смысле проникнуть внутрь мозга.
Одним из важных прорывов в изучении воображения стали нейроимиджинговые методики, такие как магнитно-резонансная томография и позитронная эмиссионная томография. С их помощью можно наблюдать активность мозга и определённых областей, которые активизируются при выполнении задач и проявлении воображения. Эти методы позволяют более конкретно и содержательно изучать, какие участки мозга задействованы в процессе воображения и выполнения различных задач.
Интересно, что исследования в области нейроимиджинга и воображения привели к развитию моделей, объясняющих процессы, происходящие в мозге при формировании мысленных образов. В статье The Heterogeneity of Mental Representation, написанной Стивеном Кослином и Джоли Пирсоном в 2015 году, была наконец достигнута договорённость о том, как мозг кодирует эти образы. Название статьи указывает на то, что процесс не является простым и однозначным.
Как мозг записывает образы?
Согласно исследованиям, на первых этапах формирования мысленных образов мозг использует сенсорные характеристики, особенно в случае визуальной модальности, поскольку большинство исследований было сосредоточено на визуальном воображении. Однако часто мысленные образы мультисенсорны, включают различные компоненты, такие как цвет, форма, структура, звук, запах и т. д.
Авторы статьи отмечают, что выводы, полученные из исследований визуального воображения, могут быть распространены и на другие сенсорные системы — к этому аспекту и отсылает гетерогенность, упомянутая в названии статьи. Кроме того, выяснилось, что на низших уровнях мозг кодирует информацию в виде сенсорных характеристик, а на более высоких уровнях возникают семантические связи и ассоциации, связанные с определёнными объектами.
В результате новейших исследований была предложена модель, объясняющая функционирование воображения. По данным учёных, мысленные действия, включая воображение, могут привести к активации сенсорных отделов коры мозга даже при отсутствии физического воздействия на сенсорные системы. Это свидетельствует о том, что воображение имеет силу и способно создавать внутренние представления сенсорных образов.
Одна из форм воображения — произвольное воображение, которое связано с сознательным обращением к мысленным образам. Другая форма — непроизвольное воображение, когда образы возникают в голове без нашего намеренного участия. Непроизвольное воображение может быть связано среди прочего с определёнными патологическими состояниями. Например, при посттравматическом стрессовом расстройстве люди могут переживать яркие флешбэки или воспроизводить в памяти события, связанные с травматическими ситуациями.
Воображение как предугадывание реальности
Один из экспериментов, проведённых на тему воображения, связан с визуальным восприятием цвета. Людям с помощью джойстика предлагали менять цветовые настройки изображений фруктов. Оказалось, что мозг реагировал на возникновение цвета на изображении раньше, чем оно фактически становилось цветным. Это объясняется опытом и предварительными знаниями о цветовых характеристиках объектов — банан жёлтый, помидор красный. Мозг, чтобы экономить энергию, предварительно сообщает подобную цветовую информацию, основываясь на ожиданиях и опыте.
Другие эксперименты с использованием томографии позволили установить, что даже при предъявлении чёрно-белых изображений фруктов активировались определённые цветовые области коры мозга. Это указывает на то, что непроизвольное воображение также может сопровождаться активацией соответствующих сенсорных областей мозга.
Исследования также установили связь между шизофренией, расстройством аутистического спектра и объёмом, а также площадью зрительной коры мозга. У пациентов с шизофренией было обнаружено снижение площади зрительной коры, а также снижение интенсивности воображения, хотя яркость образов оставалась высокой. Это означает, что у людей с шизофренией могут быть яркие галлюцинации, но их сила может быть не такой выраженной.
Видеозапись лекции Льва Яковлева "Нейрофизиология воображения"
Воображение в интерфейсе «мозг-компьютер»
Ещё одна интересная область, связанная с воображением, — это интерфейс «мозг-компьютер» (BCI). Эта технология позволяет управлять внешними устройствами, используя активность головного мозга. Мозг излучает электрическую или магнитную активность, которая изменяется в соответствии с намерением человека. Эта активность может быть декодирована компьютерной системой и использована для выполнения команд.
Один из распространённых методов управления BCI — это воображение движения. При воображении движения, например, правой рукой, активируются соответствующие области мозга, включая моторную кору, фотосенсорную кору, париетальную или теменную кору, а также гиппокамп, связанный с памятью. Электроэнцефалограмма (ЭЭГ) — это один из неинвазивных методов регистрации мозговых сигналов, который используется в BCI. Однако электроды и датчики, расположенные на поверхности головы, могут регистрировать сигналы только с поверхностных областей коры мозга, в то время как глубокие структуры, такие как гиппокамп, не могут быть захвачены.
Наблюдения с помощью ЭЭГ показали, что во время воображения движения активация наблюдается в определённых частотных диапазонах, таких как мью-ритм или сенсомоторный ритм, который обычно находится в диапазоне от 8 до 14 Гц. Этот ритм может быть использован для распознавания и управления компьютерными устройствами в рамках BCI.
Исследования тактильной активации
В завершение лекции Лев Яковлев рассказал о собственных исследованиях интерфейса «мозг-компьютер» и его возможностей. Этот интерфейс позволяет управлять командами и помогает в реабилитации людей, потерявших способность управлять конечностями из-за травмы или заболевания. Работа молодого учёного связана с исследованием нейропластичности и двигательного обучения.
Команда Льва Яковлева исследовала тактильное представление, сопровождающее любое движение, и обнаружила, что его активация может также использоваться для управления нейрокомпьютерными интерфейсами. Эксперименты были направлены на отделение двигательного воображения от тактильного представления. Учёный обратил внимание на связь между соматосенсорной функцией и управлением движениями и исследовал случаи, когда повреждение соматосенсорной зоны, например вследствие инсульта, могло вызывать нарушения движения.
Эксперт отметил, что его работа относится к малоисследованной области, особенно в отношении тактильной активации, и призвал других профессионалов включиться в это перспективное направление.
