Когнитивистика и нейрофизиология — науки, потеснившие философию в области вопросов о сознании. То, как мы думаем, исследуется теперь не только теоретически, в рамках работ по онтологии, но и экспериментально, в лабораториях. «Теории и практики» выбрали 6 передовых работ в этой области.

Как работает воображение

Воображение, наравне с романтической любовью, лидирует в списке самых мифологизированных механизмов человеческого мозга. Откуда берутся новые симфонии, как люди додумались до изобретения первых орудий труда, кто подсказывает, как представить проект так, чтобы все ахнули, — все эти вопросы долго считались риторическими. До тех пор, пока студент Дартмутского института Алекс Шлегель не подошел к ним со всей серьезностью. Описывая результаты своего исследования, он говорит о том, что в основе работы воображения лежит масштабная нейронная сеть — «интеллектуальное рабочее пространство». Именно она работает с образами, символами, идеями и формирует фокус мышления, необходимый для решения проблем и генерации идей.

О наличии такой нейронной сети говорилось давно, но вот однозначных доказательств у теории не было. Проводя их поиск, команда исследователей под руководством Шлегеля отобрала 15 добровольцев. Им было дано задание представлять себе абстрактные зрительные образы, а затем комбинировать их, усложняя. В это время их мозг сканировался с помощью МРТ. Исследователи обнаружили нейронную сеть, распределенную по значительной части мозга, — именно она отвечала за воображаемые манипуляции с образами. Полученные данные практически полностью подтвердили имевшиеся теоретические данные об «интеллектуальном рабочем пространстве».

«Наша находка помогает понять, как именно устройство мозга выделяет наш вид среди прочих и в перспективе может помочь в воссоздании тех же креативных процессов в машинах», — не без гордости говорит Алекс Шлегель.

Рождены быть эмпатами

Исследование о том, откуда берется одна из важнейших черт нашего вида — способность к сопереживанию, — провели ученые из Университета Вирджинии.

Руководитель проекта Джеймс Коан и его коллеги хотели узнать, какие области мозга отвечают за эмпатию и когда она включаются. Эксперимент состоял в том, что мозг 22 добровольцев сканировался в томографе, в то время как их самих, одного из их друзей или постороннего им человека слегка били током. Как и предполагали ученые, области мозга испытуемых, ответственные за реакцию на угрозу, активизировались, когда удар угрожал им самим. В случае угрозы удара незнакомца эти области проявляли слабую активность. Однако когда ударить должны были друга, мозговая активность у испытуемых была точно такой же, как и когда ученые собирались ударить током их самих.

Таким образом, эксперимент показал, что мы чувствуем эмпатию с другими оттого, что ассоциируем их с собой. «Грубо говоря, другие люди становятся частью нас самих — и это не метафора, не лирика, это реальность, — говорит Джеймс Коан. — Вследствие этого наша самоидентификация во многом основана на том, кому мы сопереживаем».

Эмпатия, добавляет Коан, ценное эволюционное приобретение — люди жили и живут под угрозой лишения ресурсов, но, строя дружбу, они приобретают тех, кому могут доверять и кто становится частью их самих. Таким образом, возможности к получению и защите ресурсов расширяются, а цели становятся общими — это часть стратегии выживания. И хоть времена и меняются, стратегия остается прежней. Наверное, и к лучшему.

Когда форма обретает смысл

Открывая глаза утром, мы вряд ли задумываемся о том, какую огромную аналитическую работу проводит наш мозг, просто чтобы мы увидели будильник, люстру и занавески. Но форма предметов у нас в голове обретает смысл не сама собой, а как раз благодаря этому анализу. Где именно и как это происходит, изучали Дэвид Зокколан из итальянского института SISSA совместно с командой Риккардо Зеццина из Политехнического университета Турина.

Область мозга, интересовавшая ученых, — нижневисочная кора. Это самая развитая из сенсорно-визуальных зон мозга, конечная станция обработки изображения, зафиксированного сетчаткой. Ее исследования велись давно, но новое слово в них появилось на рубеже 2007–2008 гг. Если до этого ученые были уверены, что, обработав картинку, нижневисочная кора «передает» ее дальше, в другие области мозга, где та обретает семантический смысл, то после появилась теория о том, что эта же зона мозга отвечает и за смысл изображений.

Разобраться, как все обстоит на самом деле, и попытались Зокколан с коллегами. Проанализировав большой объем данных, полученных на приматах, ученые пришли к неожиданному выводу — нижневисочная кора «не разменивается». Для всех классов объектов она занимается только визуальной обработкой, а вот когда речь заходит о классе «животные с 4 ногами», то она же отвечает и за семантическую классификацию, то есть за оценку «функционала» увиденного объекта. Кроме этого, итальянцам удалось выяснить, что эта же зона мозга отвечает и за «низкоуровневое» кодирование изображений, но значение этого открытия ученым только предстоит выяснить.

Фальшивое прошлое

Феномен ложной памяти довольно распространен, он упоминается, например, в судебной практике — бывает, что жертва или свидетель признают свою вину, после чего криминалистам удается выяснить, кто же настоящий преступник. Как именно создаются ложные воспоминания (и воспоминания вообще), исследовала команда нобелевского лауреата Судзуми Тонегавы из Массачусетского технологического института.

Ассоциативные воспоминания формируются как цепочка из взаимосвязанных элементов — картинок, звуков, запахов, ощущений. Эти ассоциации кодируются химическими и физическими изменениями в нейронах и нейронных связях. Сети нейронов, хранящие воспоминание, называются следами памяти, или энграммами. Именно с ними и работали ученые. Ключевым был вопрос, возможно ли подлинную энграмму заменить ложной. Фальшивые воспоминания «внушали» мышам.

Вначале мышь сажали в клетку А. После того как она изучала ее, ей активировали определенные клетки памяти. На следующий день мышь помещали в клетку B и там слегка ударяли током. В это же время ей активировали те же нейроны, что и в клетке A. На третий день мышь вновь сажали в клетку A, где она тут же замирала от страха — при том, что здесь она не получала разряда тока. Дело в том, что у нее включались фальшивые воспоминания: мышь испытывала страх в клетке A, потому что вместе с ударом в клетке B она переживала воспоминания о клетке А.

Исследователи обнаружили, что сразу после вызова ложной памяти уровень активности в «центре страха» мозга мыши был точно таким, как и при реальных воспоминаниях.

«Мы выяснили, что можем реактивировать и менять воспоминания в мозге. Это означает, что сейчас мы можем получить ответы на вопросы, которые до этого поднимались разве что в sci-fi сериалах», — радуется один из исследователей Стив Рамирез.

Где рождается математика

Научные открытия начинаются не с успешного эксперимента и даже не с формулирования гипотезы. Довольно часто они становятся отложенным результатом плодотворных научных дебатов. Именно на этой стадии находится сейчас масштабное и многообещающее исследование того, откуда же берется математика.

Сегодня языком формул можно описать весь спектр известных науке явлений, от спирали ДНК до спиральных галактик. При этом единого мнения о том, является математика собственным языком вселенной или изобретением человеческого разума, пока нет. Его-то и обсудили четверо ученых по инициативе Фонда норвежского физика-мультимиллионера Фреда Кавли.

Нейробиологи, активно исследующие области мозга, ответственные за математическое мышление, считают, что математика «берется из головы». «Числа — это не свойство вселенной, но скорее отражение биологической подоплеки того, как люди осмысляют мир вокруг себя», — говорит Рафаэль Нуньез, профессор когнитивистики Калифорнийского университета. С ним соглашается, Брайан Баттеруорт, почетный профессор когнитивной нейропсихологии Института когнитивной нейронауки Университетского колледжа Лондона: «Числа — скорее мощный способ описания некоторых аспектов вселенной, чем ее неотъемлемая часть».

Оппонентами Нуньеза и Баттеруорта стали физики Симеон Хеллерман и Макс Тегмарк. «Думаю, многие физики согласятся, что должно существовать какое-то полное описание Вселенной и законов природы, и в этом предположении имплицитно то, что Вселенная по своей природе математическая», — говорит Хеллерман, доцент Института физики и математики Вселенной Университета Токио. Тегмарк, профессор физики Массачусетского технологического института, согласен с коллегой: «Люди всего лишь открывают математические структуры Вселенной, существующие независимо от них». Дискуссия прошла публично в Google Hangouts, и остается надеяться, что она станет основой для дальнейших, еще более успешных исследований.

Как память становится долгой

Память — это, по сути, то, чем мы являемся. Взаимодействуя с окружающими людьми и средой, мы постоянно обращаемся к прошлому опыту. Но как именно он формируется и как краткосрочная память становится долгосрочной, пока известно очень смутно. Этот вопрос и изучала команда исследователей под руководством докторов Тазу Аоки и Хитоши Окамото из японского Института исследований мозга RIKEN.

Японские ученые проводили исследование на рыбке данио рерио. Рыбок с помощью легких ударов током обучали реагировать на красный светодиод как сигнал опасности. Со временем его свет начал вызывать точечную нервную активность в той части мозга рыбок, которая соответствует человеческой коре головного мозга. Затем у данио рерио удаляли этот регион мозга, но они по-прежнему были способны реагировать на сигнал об опасности. Правда, память о нем стала исключительно кратковременной, долговременные же воспоминания не сохранялись. «Это говорит о том, что долговременная и кратковременная память формируется и хранится в разных отделах мозга. Мы думаем, что кратковременная память становится долговременной в кортикальной области мозга», — говорит Аоки.

Еще одно исследование включало в себя обучение рыбки сразу двум сигналам — красного и синего светодиодов. Эксперимент показал, что за запоминание каждого из них отвечали разные группы нейронов конечного мозга. Это говорит о том, что разные поведенческие программы хранятся и воспроизводятся разными группами нервных клеток. Полученные результаты стали первым опытом наблюдения «сборки» памяти.