А.М.КУСТУБАЕВА А.М.КУСТУБАЕВА
КОГНИТИВНАЯ НЕЙРОНАУКА, ИСТОКИ ЗАРОЖДЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Cognitive Neuroscience is an academic field concerned with the scientific study of biological substrates underlying cognition. The short introduction and some research in cognitive neuroscience are given in this article.
С позиции всемирно известного ученого Eric R. Kandel, лауреата Нобелевской премии,
«когнитивная нейронаука – с ее целенаправленностью на изучение перцепции, действий, памяти, лингвистики и избирательного внимания – все больше и больше представляет центральный фокус всех нейронаук в 21 веке» [1]. Что же это за область и что она изучает? Целью данной статьи является краткое введение в данную отрасль, возникшей в 70х годах и получившей достаточное широкое распостранение во всем мире.
Когнитивная нейронаука – относительно недавно сформировавшееся научное направление, изучающее биологическую природу когнитивных функций, специфически фокусируясь на нейрональных субстратах ментальных процессов. Это ответвление как когнитивной психологии, так и нейронауки. В связи с многодисциплинарной природой когнитивной нейронауки ученые, занимающиеся исследованиями в данном направлении могут иметь различный предварительный базовый опыт: нейронаука, психология, нейропсихология, психиатрия, нейрология, физика, лингвистика, философия, компьютерные науки, моделирование и математика.
Находясь на стыке, данная наука интегрирует теоретические концепции и методические подходы многих научных областей: психофизические методы, электрофизиологические и психофизиологические методы, функциональное магнитно-резонансное сканирование, позитронно-эмиссионная томография, методы когнитивной геномики и поведенческой геномики, методы исследования нарушений функций мозга, методы моделирования и другие. Для некоторого представления изучаемых проблем когнитивной нейронауки я привожу примеры вопросов, актуальных для современной когнитивной нейронауки:
1. Как мозг продуцирует индивидуальность человеческих действий?
2. Локализуются ли ментальные процессы в определенных регионах мозга, или же ментальные функции - репрезентация свойств мозга как органа?
3. Какие анатомические и физиологические закономерности функционирования мозга отражаются в ментальных функциях?
4. В какой степени ментальные процессы привязаны к нейрональной архитектуре мозга?
5. Каким образом гены регулируют поведение, и как экспрессия генов регулирует развитие и процессы обучения?
Истоками зарождения данной науки можно считать все направления, которые касались вопроса соотношения психики и мозга. Это Franz Joseph Gall с основами френологии; это Pierre Flourens, положивший начало изучению нейропсихологических нарушений функций на основе повреждения мозга; это Paul Broca и Carl Wernicke, основатели нейролингвистики; это Иван Петрович Павлов и его учение об условнорефлекторной деятельности, одна из революционных теорий, продвинувшая науку в сторону познания мозга; это Лурия, которого во всем мире считают основателем нейропсихологии. И многие другие открытия, которые относились к психофизиологии, физиологии высшей нервной деятельности, нейропсихологии.... Все же развитие ветви когнитивной нейронауки стало возможным благодаря возникновению прежде всего когнитивной пихологии, которая началась со знаменательной встречи когнитивистов в Массачусетском Институте Технологии 11 сентября 1956 года, где George A. Miller [2] представил свою работу «The Magical Number Seven, Plus or Minus Two»/ «Магическая цифра семь, плюс минус два». Noam Chomsky and Newell & Simon[3,4] представили свои исследования в моделировании. Ulric Neisser написал книгу Cognitive Psychology/ Когнитивная психология в 1967 году[5]. David Marr [6] предложил иерархическую структуру памяти, что послужило признанию многими психологами, что ментальные процессы сопровождаются определенными процессами в мозге, включая алгоритмы.
Когнитивная психология в поисках ответов все больше и больше вовлекала методы нейронауки, которые помогали опровергать или доказывать те или иные когнитивные теории. В конце 1970 года George Miller and Michael Gazzaniga, сидя в Нъю-Йоркском такси, придумали термин «когнитивная нейронаука». Именно с этого момента зародилась когнитивная нейронаука
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы
как отдельная ветвь в науке. С тех пор во многих Университетах появились программы подготовки по Когнитивной нейронауки, в отдельных Университетах, таких как Оксфорд, Гарвардский Университет, Университет Орегон, Бостон Университет и многие другие родились целые школы. Переломным моментом для развития когнитивной нейронауки стало возникновение новейших технологий исследований, таких как позитронно-эмисионная томография (ПЭТ), магнитно-резонасное сканирование, в особенности функциональное, позволяющее измерять активность мозга в процессе выполнения различных когнитивных задач. Функциональное магнитно-резонансное сканирование позволило раскрыть многие аспекты механизмов когнитивных функций, в исследованиях памяти, внимания, речи, сознания (метод кратко описан в статье Кустубаевой, 2008) [7]. Например, МРС исследования эпизодической памяти, наряду с позитронно-эмисионной томографией (ПЭТ), подтвердили модель HERA (hemispheric encoding/
retrieval asymmetry) - гемисферную ассиметрию кодирования в памяти и извлечения из памяти:
левая префронтальная кора оказалась больше вовлечена в процесс кодирования информации в эпизодическую память, тогда как правая префронтальная кора больше вовлечена в процесс извлечения из эпизодической памяти [8]. Безусловно, рассказать о всей науке в отдельной статье невозможно. В связи с этим, я представлю здесь только некоторые исследования из когнитивной нейронауки, которые могут прояснить суть данного направления и какие перспективы она может иметь в будущем. В когнитивной нейронауке достаточно большую популярность получила трехсистемная модель внимания М. Познера [9, представлена кратко в обзорной статье 10].
Благодаря современным нейрокогнитивным, а также нейрогуморальным и нейрогенетическим методам исследования лаборатория М.Познера Университета Орегон внесла существенный вклад в развитие данной модели на системном уровне. Основываясь на положении, что внимание является центральным, как в когнитивной психологии, так и когнитивной нейронауке, М. Познер предлагает три системы внимания, приуроченные к определенным анатомическим структурам: 1.
Система ориентировки (Orienting) выполняет избирательную функцию из сенсорных входов; 2.
Система возбуждения-бдительности (Alerting) определена как система для достижения и установления состояния чувствительности к поступающим стимулам; 3. Система экзекутивного контроля (Executive control) вовлекает механизмы для мониторинга и решения кофликта между мыслями, чувствами и ответными действиями. Генетические исследования показали, что ген DRD4 оказался важным для экзекутивного контроля, а ген АРОЕ для ориентировки внимания [9].
Анатомия данных структур и их функции, модуляторы и гены, учавствующие в этих системах представлены в таблице 1.
Таблица 1.Анатомия трехсистемной модели внимания. (из М. Познера) [9]
Функция Структура Модулятор Гены
Ориентировка Средний мозг, Верхнетеменные и височно-теменные отделы коры, фронтальные глазодвигательные поля
Ацетилхолин АРОЕ
Возбуждение-
бдительность Ствол мозга (Locus coeruleus), правые теменные зоны коры
Норэпинофрин
Экзекутивный контроль
Передняя поясная извилина, медианная и вентролатеральная префронтальная кора, базальные ганглии
Дофамин DRD4
Экзекутивное внимание и произвольный контроль, по мнению Познера, взаимосвязанные процессы. Произвольный контроль включает в себя внимание, перераспределение фокуса
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы
внимания и контроль торможения. Исследования показали, что произвольный контроль позитивно коррелировал с активностью в дорсальной сингулярной коре, и негативно – в вентральной сингулярной коре [9,11]. Необходимо отметить, что дифференциация сингулярной коры связана с анатомическими особенностями нейрональных связей: именно дорсальная ее часть имеет развитые связи с фронтальной корой, а вентральная часть с лимбикой. Соответственно этому и функциональное разделение данной структуры: дорсальная связана больше с произвольным контролем, а вентральная – с эмоциональной регуляцией. Данные исследования внесли существенный вклад в понимание когнитивной и эмоциональной регуляции. В лонгиэтюдных исследованиях закономерностей развития систем внимания, начиная с новорожденных и в раннем детском возрасте позволили обнаружить, что даже новорожденные имеют способность к регуляции эмоций, практически с той же анатомией, что и у взрослого человека, только менее дифференцированно [9,12]. Индивидуальные различия в развитии экзекутивного внимания коррелировали с данными опросника родителей о способности детей регулировать их поведение.
Исследования когнитивной нейронауки касаются многих разделов сходных с разделами когнитивной психологии. Приведу в пример некоторые более узкие исследования. Изучение основ билингвистики в процессе развития с помощью фМРС выявило наличие различных кортикальных зон, связанных с родным и иностранным языком [13]. Оказалось, что при изучении иностранного языка в раннем возрасте (ранний билингвист) области двух языков перекрываются в специфической зоне Брока, в то время как у позднего билинвиста (изучавшего иностранный язык в более старшем возрасте) зоны языков раздельны или мало перекрываются, чем объясняется затрудненность перехода употребления одного языка к другому.
Исследования процессов сознания методом фМРС позволили выявить, что осознание той или иной информации требует большей активации коры головного мозга, в первую очередь фронтальных отделов по сравнению с простым актом восприятия. Например, ФМРС исследования Дehaene S. с соавторами замаскированных слов показали, что снижение активации коры головного мозга в особенности в префронтальных и теменных зонах связано с затруднением осознания предъявлемых слов [14].
ФМРС исследования, проведенные нашей группой ученых в Центре Когнитивной нейронауке (г.Турку, Финляндия) под руководством проф. H. Hämäläinen, выявили влияние гипервентиляции и задержки дыхания, на простые и сложные зрительно-моторные реакции [15]. Известно, что многие современные тренинги используют гипервентиляцию и задержку дыхания в качестве регулирующих методов. Данные дыхательные пробы очень быстро влияют на церебральный кровоток и могут индуцировать измененное состояние сознания. Наши фМРС и ЭЭГ (электронцефалография) исследования показали, что данные техники нужно использовать с большой осторожностью и с учетом индивидуальных различий.
Необходимо уделить внимание на еще одно очень важное подразделение когнитивной нейронауки , особенно активно развивающееся в последние годы в связи с ее техническим прикладным значением – это вычислительная нейронаука, называемая по английски Computational Neursocience. Данное направление включает в свои задачи моделирование нейрональных процессов при выполнении различных когнитивных функций. Достаточно огромное количество скопившихся данных нейронауки предоставляют большую возможность для специалистов в области моделирования, которые пролагают мост между функциями мозга и лабильными когнициями и действиями, и создают модели, которые описывают как взаимодействуют нейронные сети. Таковы модели Bullock, Tan, and John (2009); Grossberg (2008); Grossberg, S., Bullock, D., & Dranias, M.R.( 2008) [16, 17,18]. Например, в модели CogEM (Cognitive-Emotional- Motor/Когнитивное-Эмоциональное-Моторное) представлена модель, предсказывающая динамику корковых-подкорковых взаимоотношений и обучения во время восприятия, когниций, эмоций и действий (Grossberg, 2008) [17]. Методы моделирования нейронауки позволяют интегрировать различные эмпирические находки для практического применения в развитии современных технологий. Например, для развития производства искусственных органов и частей тела (искусственная нога, рука), для развития робототехники и т.д..
Таким образом, когнитивная нейронаука, опираясь на базовые научные направления, бурно развивается в ногу с современной технологией, все глубже познавая закономерности когнитивных процессов. И конечно же, очень важно развивать данное научное направление и в нашей стране.
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kandel E. R., Schwartz J.H., Jessell T.M. Principles of Neuronal science. 2000, 1414 p.
2. Miller, G. A. The magical number seven, plus or minus two: Some limits on our capacity for processing information.1956. Psychological Review 63 (2): P.81–97.
3. Noam Chomsky. Three Models for the Description of Language. IRE Transactions on Information Theory.
September, 1956,P. 113-124.
4. Newell & Simon. Current developments in Complex information processing. 1956 (Techincal report). RAND, May.
5. Marr D. Vision: A computational investigation into the human representation and processing of visual information. 1983, 397 p.
6. Neisser U. Cognitive Psychology. Prentice Hall, 1967,351p.
7. Кустубаева А.М. Функциональное магнитно-резонансное сканирование и когнитивные функции.
КазНУ, серия Вестник психологии и социологии. 1 -(24), Алматы, 2008. – C. 64-69.
8. Tulving E. Episodic memory: From Mind to Brain Annu. Rev. Psychol. 2002. 53: P.1–25.
9. Posner M. Evolution and development of self-regulation. (2008). American Museum of natural history. New York, 25 p.
10. Кустубаева А.М. Регуляция когнитивных функций с позиций А.Р. Лурия и М. Познера.Вестник НАПК. 2009, 3-4, 43-50.
11. Fernandez-Duque D., Baird J.A., Posner M. Executive Attention and Metacognitive Regulation.
Consciousness and Cognition, 2000, pp.288-307.
12. Posner M.& Rothbart M. (2000). Developing mechanisms of self-regulation. Development and Psychopatology, 12 pp. 427-441.
13. Kim K.H. S., Relkin N. R., Lee K.-M., Hirsch J. Distinct cortical areas associated with native and second languages. Nature ,388, 1997, p. 171-174.
14. Dehaene S, Naccache L, Cohen L, Bihan DL, Mangin JF, Poline JB, Rivière D. Cerebral mechanisms of word masking and unconscious repetition priming. Nat Neurosci. 2001 Jul;4(7), p.752-758.Kustubayeva A.M., Vorobyev V., Hamalainen H. The behavioral and fMRI data in visual-motor tasks after hyperventilation and breath holding. The proceeding of the Tenth international conference on cognitive and neural systems”, Boston, 2006, p.51.
15. Bullock D., Tan O.T., & John Y.J. Computational perspectives on forebrain microcircuits implicated in reinforcement learning, action selection, and cognitive control. Neural Networks. 2009, 22, 5-6::757-765 p.
16. Grossberg S. Cortical and subcortical predictive dynamics and learning during perception, cognition, emotion, and action. Invited article for a special issue on: Predictions in the brain: Using our past to generate a future Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 2008, P.23
17. Grossberg, S., Bullock, D., and Dranias, M.R. (2008). Neural dynamics underlying impaired autonomic and conditioned responses following amygdala and orbitofrontal lesions.
Behavioral Neuroscience, 122, 1100-1125 p.
Поступила в редакцию 23.09.2010.
