Реферат: Синергетика и мозг
Возникавшие бесчисленное количество раз динамические структуры закрепились механизмами эволюционного процесса, превратившись таким путем из динамических в статические, воплотившись в определенном морфологическом субстрате. В ходе эволюции сохранялась и совершенствовалась и деятельность гибких звеньев мозговых систем. Это совершенствование протекала по принципу возникновения порядка из хаоса, точнее по принципу возникновения все более детерминированного, упорядоченного хаоса. Мозг, его гибкие элементы, по-видимому, все больше избавлялись от лишних, неиспользуемых степеней свободы, что ограничивало диапазон активности гибких систем, ставя эту активность в определенные рамки и совершенствуя возможности реализации активности этих систем. Следует в связи с этим подчеркнуть еще раз абсолютную неправомерность аналогий между набором независимых осцилляторов и живыми системами, которые так или иначе организованы.
Как уже отмечалось, одна из особенностей мозговых структур состоит в их полифункциональности - одна и та же структура участвует в обеспечении множества функций. Такая полифункциональность свойственна не только макро-, но и микроструктурам мозга. В то же время, полифункциональные элементы участвуют в кооперативных эффектах, обеспечивая целостную функцию. В ходе самоорганизации очевидно актуализируются те «грани» элементов, которые обеспечивают их кооперацию. В мозге, наряду с сугубо разнородными элементами существуют и более или менее однородные элементы - нейронные колонки или модули. Один из создателей этой теории Маунткасл писал: «Общая идея состоит в следующем. Крупные структуры в головном мозгу, известные как ядра (или области) новой коры, лимбическая доля, дорсальный таламус и т.п. сами состоят из повторяющихся локальных нервных цепей, модулей, которые варьируют от одной крупной структуры к другой по числу клеток, внутренним связям и способу обработки, но которые в пределах данной структуры в основном сходны... Каждый модуль представляет собой локальную нервную цепь, которая обрабатывает ин4юрмацию, передает ее со своего входа на выход и при этом подвергает ее трансформации, определяемой общими свойствами структуры и ее внешними связями. Модули объединяются в структуры - например, в ядре или в области коры -общей или доминирующей связью, потребностью в наложении функции на определенное топографическое представительство или каким-нибудь иным фактором. Группа модулей, составляющая структуру, сама может быть разбита на подгруппы фазными связями с обособленными таким же образом подгруппами в других крупных структурах.
Предполагается, что каждый корковый модуль связан с несколькими другими корковыми модулями в этом же полушарии и с зеркальным фокусом в противоположном полушарии. Этот зеркальный фокус, в свою очередь, посредством межполушарных связей связан с исходным модулем. Такие структурные особенности создают предпосылки для внутриполушарных и межполушарных взаимодействий, служат материальной основой для процессов самоорганизации, охватывающей оба полушария мозга.
Подгруппы связанных модулей в разных мозговых структурах образуют распределенные системы. «Такая распределенная система предназначена для обслуживания распределенной функции. Один модуль структуры может быть членом нескольких (но не многих) таких систем. Следует попутно отметить, что корковая колонка (модуль) состоит примерно из 110 нейронов и 260 в зрительной коре. Подсчеты показали, что в коре человека содержится около 50 млрд. нервных клеток - намного больше, чем полагали еще сравнительно недавно.
Одна из форм активности самоорганизующихся систем - это так называемый «режим с обострением». Нелинейность, многокомпонентность, неоднородность системы приводит к тому, что локальные процессы диссипации в разных компонентах системы приобретают разный характер и приводят к разным последствиям. Среди этих последствий могут быть более или менее выгодные (для системы в целом). Более выгодные быстро развивающиеся процессы приобретают главенствующее значение, подавляя другие процессы, становятся вектором развития системы. Такие конкурентные отношения хорошо известны в биологии. Выступая как общебиологические закономерности, в деятельности мозга они приобретают специфическую форму в виде феномена отрицательной индукции и сопряженного торможения. Суть этого феномена состоит в том, что возникающий в мозге очаг возбуждения тормозит окружающие нейронные популяции или целые мозговые структуры. Это торможение представляет собой по функциональному смыслу подавление помех, и, следовательно, оптимизацию деятельности, связанную с активностью возникшего очага. Эта оптимизация включает «доорганизацию» очага и совершенствование соответствующей деятельности. «Режим с обострением», т.е. отрицательная индукция или сопряженное торможение является одной из фундаментальнейших закономерностей нейрофизиологии, феноменология которого детально описана применительно к различным образованиям центральной нервной системы. Своеобразие этого феномена в центральной нервной системе определяется тем, что режим с обострением связан с активностью не независимых осцилляторов, а с субстратом, представляющим собой высшую форму организации материи. Есть много оснований считать, что эволюция нашла и закрепила такую структурную организацию нервной системы, которая «предусматривает» наиболее эффективную реализацию режима с обострением. Этот режим, вероятно, лежит в основе организации любой биологической функции, достигая наивысшей эффективности и совершенства на уровне центральной нервной системы. Организация-самоорганизация в режиме с обострением обеспечивает не только эффективность соответствующей функции, но, поскольку речь идет о мозге, обеспечивает адекватность соответствующих высших мозговых реакций и, в конечном счете, отражательной деятельности мозга. Выражением режима с обострением может служить и так называемое фокусированное внимание - один из важнейших физиологических компонентов познавательной деятельности. Мозг, функционирующий не по принципу экрана, а по принципу активного радара, постоянно прощупывающего среду, реализует эту свою «прощупывающую» деятельность на основе режима с обострением. Фокусированное внимание определяется доминирующей потребностью, на удовлетворение которой направлена текущая деятельность организма. В самом общем виде режим с обострением есть не что иное, как переход «от хаоса к порядку». Реализация этого принципа требует определенной степени хаотичности системы. И действительно, имеется немало прямых доказательств определенной хаотичности функционирования живых систем. Классическим примером такого рода является ритм сердечных сокращений: его излишняя упорядоченность, чрезмерная регулярность - плохой прогностический признак. То же касается и головного мозга. Не случайно А-А.Ухтомский называл центральную нервную систему царством неопределенности. Формула «переход от хаоса к порядку» для живых систем на самом деле означает переход к оптимальному, а не максимальному порядку.
В процессе организации-самоорганизации интегративной деятельности мозга фундаментальную роль играют события, развертывающиеся на субклеточном-молекулярном уровне его структурно-функциональной организации. Одной из главных особенностей функционирования этого уровня структурной организации является тесное взаимодействие всех нейрохимических механизмов мозга. На основе такого взаимодействия реализуются те или иные аспекты интегративной деятельности мозга. Общий принцип взаимодействия нейрохимических систем мозга предполагает выявление и функциональную оценку конкретных путей взаимодействия, раскрытия функционального смысла этого взаимодействия, тем более, что не все пути таких взаимодействий равноценны для разных форм деятельности. Одна из важнейших характеристик нейрона - состояние его рецепторного аппарата, определяющего чувствительность к различным химическим сигналам. В целостном функционирующем мозге осуществляется тончайшая регуляция чувствительности нервных клеток к химическим сигналам, и это, возможно, одна из наиболее эффективных линий регуляции способности нейронов к кооперативным эффектам. Структурно-функциональная организация нейрохимического аппарата мозга такова, что она обеспечивает возможность формирования нейронных ансамблей, обеспечивающих различные интегративные эффекты: восприятие, формирование мотивационных возбуждений, реализацию подкрепления, формирование временной связи и т.д.
Тесная взаимосвязь нейрохимических механизмов обеспечивает тонкую регуляцию кооперативных эффектов. Известно множество синергетических эффектов, в основе которых лежат механизмы регуляции синтеза, секреции и инактивации химических посредников. Известно например, что выделяющиеся из нервных окончаний нейропептиды изменяют чувствительность постсинаптической мембраны к другим химическим посылкам. Путем такой кооперации повышается эффективность синаптической передачи.
Хорошо известная зависимость процесса самоорганизации от состояния самоорганизующихся элементов, позволяет по-новому подойти к пониманию ряда весьма своеобразных феноменов в деятельности мозга, привлекающих большое внимание исследователей и пока во многом остающихся не вполне понятными. Речь идет, прежде всего, о так называемом феномене «транспорта памяти». Суть этого феномена заключается в том, что информация, приобретенная мозгом при обучении или характеризующая некоторые формы патологии, с помощью извлеченных из мозга химических субстратов может быть передана «необученному» мозгу. Такой «транспорт памяти» одно время рассматривался как убедительный аргумент в пользу представления о кодировании приобретаемой информации в химических субстратах как основном механизме памяти. Число сторонников такой трактовки главным образом в свете новых точных фактических данных и ряд теоретических соображений значительно уменьшилось. Но сам феномен «транспорта памяти» в той или иной форме оказался воспроизводимым, что, естественно, побуждает искать ответа на вопрос о его природе. В свете идей самоорганизации ответ может состоять в следующем. В ходе обучения изменяются свойства нервных элементов, участвующих в этом процессе. Изменяются, естественно, и их химические свойства. В результате этих перестроек в обучающемся мозге могут возникать химические факторы, отражающие не содержание приобретаемой информации, т.е. память в собственном смысле, а состояние нервных элементов. Находящиеся в определенном состоянии элементы самоорганизуются определенным образом, формируя соответствующую динамическую структуру. Очевидно, что если такие же свойства придать нервным клеткам мозга животного-реципиента, то в нем путем самоорганизации может возникнуть многонейронная система, в каких-то пределах подобная система, возникшей в мозге обучающегося животного-донора. Таким образом, «транспорт памяти» в действительности - это транспорт содержащихся в транспортируемом субстрате информации о состоянии нервных элементов мозга донора. Разумеется, это предположение нуждается во всесторонней экспериментальной проверке. Тем не менее, такой подход вполне правомерен. Он может служить иллюстрацией высказанного выше положения о том, что идеи синергетики намечают и новые подходы к изучению деятельности мозга. В пользу правомерности именно такого подхода может свидетельствовать и другой интересный феномен, получивший название «диссоциированного обучения». Суть этого феномена состоит в том, что мозг обученный в одном состоянии (например, на фоне введения какого-нибудь фармакологического препарата) «забывает» о приобретенной информации при тестировании в ином или нормальном состоянии. Стоит вернуть мозг в то состояние, в котором он обучался, как полностью воспроизводится приобретенная информация. Очевидно, и здесь определенную роль могут играть явления самоорганизации, обусловленные состоянием нервных элементов.
Одной из интенсивно исследуемых в последние годы форм взаимодействия мозговых образований является межполушарное взаимодействие. К настоящему времени твердо установлена функциональная специализация мозговых полушарий у человека и животных. Полноценная, эффективная работа целого мозга основана на тесном взаимодействии полушарий мозга, каждое из которых вносит свой вклад в решение общемозговых задач. Роль взаимного влияния полушарий четко обнаруживается при рассечении межполушарных связей («расщепленный мозг»). Целенаправленное изучение специфики функционирования и взаимодействия полушарий мозга при осуществлении им интегративной деятельности связано с именем выдающегося нейрофизиолога Р.Сперри. Впоследствии в разработку этой масштабной и принципиальной проблемы включилось множество исследователей и в настоящее время это направление представлено множеством работ, позволивших внести много нового в понимание механизмов межполушарного синтеза. Показано, что межполушарное взаимодействие реализуется не только на уровне целых полушарий, но и на уровне отдельных микросистем нейронов, образующихся в разных полушариях и структурно связанных друг с другом. Это создает предпосылки не тотального, а избирательного взаимодействия между полушариями. Эти взаимодействия, по-видимому, включают и такие изменения свойств контрлатерального полушария, которые облегчают кооперацию полушарий и превращение их в единую высокоэффективную систему.
Формирование «порядка из хаоса» путем образования динамических структур может иметь прямое отношение к механизмам памяти. Существует несколько форм или этапов памяти, главными из которых являются кратковременная память и долговременная память. Кратковременная память обычно характеризуется как динамическая, лабильная, а долговременная, как стабильная, закрепившая в себе информацию, полученную из кратковременной памяти. Можно допустить, что на динамическом этапе (кратковременная память) возникают динамические структуры, архитектура которых определяется комплексом внешних и внутренних факторов. Динамическая структура - это процесс, поддерживаемый соответствующими внешними и внутренними факторами. Однако процесс этот затухающий, благодаря чему информация удерживается в кратковременной памяти ограниченное время. В случае достаточной значимости воспринятой информации, содержащейся в динамической структуре, она (информация) каким-то образом передается в долговременную память, где может храниться в течение всей жизни особи. Можно думать, что под влиянием определенных внешних воздействий инициируются процессы самоорганизации, продолжающиеся после окончания действий раздражителей и приводящие к формированию динамической структуры, основы кратковременной памяти. Определенная длительность существования этой динамической структуры необходима и достаточна для оценки значимости воспринятой информации и перевода ее в долговременную память. Интересно, что извлечение информации из хранилищ долговременной памяти связано с переводом соответствующей энграммы в динамическую форму. Это означает, что как ввод информации в мозг, так и ее извлечение (воспроизведение) осуществляется на основе нейродинамических процессов, в которых, возможно, участвует индуцированная самоорганизация. Хорошо известно, что память, как и любая сложная функция, носит системный характер, так что есть все основания говорить о временной и структурно-функциональной организации памяти.
Не входя в детальное рассмотрение различных аспектов системной организации памяти, важно подчеркнуть, что ее структурно-функциональная организация включает, как уже отмечалось, жесткие и гибкие звенья. Обучение животных, а, возможно, и человека, не есть каждый раз формирование абсолютно новой энграммы, построенной целиком из «гибких» звеньев. Исследование нейроморфологических основ памяти позволило выявить ряд структурных систем, включающихся в формирование различных знграмм. Эти предсуществующие, генетически детерминированные морфологические системы представляют собой жесткие звенья энграмм. Обучение складывается из двух классов процессов - активации соответствующих предшествующих морфологических систем и их достраивания за счет «гибких» звеньев. При всей автономности такого достраивания, в основе которого лежит самоорганизация гибких звеньев, интегрирующихся с жесткими, такая самоорганизация непременно несет на себе печать канализации. В конечном итоге - это направляемая, детерминированная самоорганизация, самым главным, принципиальным моментом которой является вырожденность. Мы ниже вернемся к этой глубокой идее Эделмена, но говоря о принципах формирования энграмм необходимо еще раз со всей настоятельностью подчеркнуть значение принципа вырожденности, благодаря которому одна и та же информация может быть «декодирована» разными путами.
В свое время А.А.Ухтомский указывал, что организм, выработавший определенный новый условный рефлекс, есть во многом новый организм. В связи с этим, естественно, возникает вопрос. Вернется ли к прежнему состоянию этот организм, утратив новый рефлекс. Ответ на этот вопрос в самой общей форме вытекает из положения о том, что приобретение нового условного рефлекса - не просто добавка еще одной энграммы к ранее заготовленному фонду, но и перестройка всего этого фонда. Но это означает, что возврат к прежнему состоянию при гипотетической утрате нового рефлекса (новой энграммы) практически невозможен, как впрочем, невозможна и утрата новой энграммы по той простой причине, что эта новая энграмма «включилась» в фонд ранее приобретенных энграмм, вступив с ними в определенную связь и в той или иной степени реорганизуя их. В этой связи возникает проблема необратимости в деятельности мозга. При рассмотрении этой проблемы целесообразно напомнить об общебиологической закономерности необратимости эволюции.
