«Подсматривая данные у природы»: как сегодня развивается когнитивная нейробиология
Лаборатория поведенческой нейродинамики СПбГУ уже три года ведёт разработки в сфере когнитивной нейробиологии. Доцент кафедры общей психологии СПбГУ и сотрудник лаборатории Ольга Щербакова рассказала для читателей журнала "Наука и жизнь" (март 2020) о том, почему для нейроэкспериментов нужны только правши с отличным зрением, что такое «быз» и почему знание нейробиологии делает человека счастливым.
– Ольга, почему в названии вашей лаборатории фигурирует слово «нейродинамика», а не «нейробиология»? В чём различие этих терминов и что именно вы изучаете?
Термин «нейродинамика» подчёркивает изменчивую, пластичную природу всех мозговых процессов. Вот мы с вами сейчас говорим, а в мозге в это время происходят постоянные изменения – и у вас, и у меня. Этот процесс непрерывный: пока человек живёт, он неостановим. Слово «поведенческий» обозначает те аспекты психической жизни, которые можно наблюдать напрямую. Лаборатория поведенческой нейродинамики СПбГУ занимается изучением взаимосвязи между процессами, которые происходят в нашем мозге, и психическими феноменами. Что касается когнитивной нейробиологии, то термин «когнитивный» – синоним слова «познавательный». В данном случае он обозначает процессы, которые развиваются на протяжении всей нашей жизни: восприятие, память, внимание, мышление, речь. А нейробиология – это раздел биологии, который фокусируется на закономерностях работы мозга. Если мы говорим о человеке, то тут в первую очередь интересен головной мозг и то, как происходящие в нём процессы связаны с познанием мира. Нейробиологи изучают, какие отделы мозга позволяют нам воспринимать информацию и каким образом это происходит, какие зоны мозга активируются, когда мы что-то запоминаем, говорим или забываем.
– Чем обусловлен такой интерес к нейробиологическим исследованиям в современном научном мире?
Человек всегда интересовался самим собой, своими отношениями с окружающей действительностью. В какой-то момент люди осознали, что реальность, в которой они живут, во многом устроена именно так, потому что мы сами её таким образом конструируем и воспринимаем. Для понимания того, как с этой реальностью управляться и по каким законам она действует, нам нужно в первую очередь многое понять про самих себя. И здесь сразу возникает вопрос о том, как работают мозг и психика. К тому же, в последнее время довольно сильно шагнули вперёд технологии: появились методы, которые позволяют с высокой точностью изучать мозг живого человека в «режиме онлайн» и без непосредственного вмешательства в процесс. Если у человека, жившего несколько столетий назад, наблюдались нарушения поведения или познания, узнать что-либо о причинах этих проблем можно было только тогда, когда он умирал. Мозг изучали посмертно, после вскрытия. Позже вошёл в обиход другой способ получать информацию о мозге – собирать её во время проведения нейрохирургических операций. Это были важные данные, но, во-первых, полученные на нездоровом мозге, а во-вторых, на мозге, в работу которого вмешались. Сейчас же существует множество неинвазивных методов, не требующих грубого вмешательства в естественную работу физиологической системы. Они позволяют в режиме реального времени, прямо во время совершения мозгом работы, получать информацию о том, как человек обрабатывает сведения о мире – никак в этот мозг не вторгаясь, то есть фактически подсматривая данные у природы. И это, конечно, ещё один фактор популярности нейробиологии.
– В последнее время в этой области происходили научные прорывы?
Смотря что считать прорывом. В начале 1990-х годов были обнаружены зеркальные нейроны, ставшие одним из самых громких современных научных открытий в нашей области. Сейчас много надежд сейчас возлагается на психогенетику (на Западе её называют генетикой поведения). Специалисты в этой области активно включаются в глобальные исследования, в том числе и нейробиологических процессов, в частности, изучают молекулярные основы познавательных функций и тех нарушений познания, которые связаны с какими-либо конкретными способностями – например, пространственными или математическими, речью.
– Почему нужно изучать речевые зоны мозга?
Как бы человек ни считал себя венцом эволюции, на 98% его генотип совпадает с шимпанзе – нашими ближайшими «родственниками». Особенностей, которые бесспорно отличают человека от всего другого животного мира, не так много: прямохождение, отсутствие сплошного волосяного покрова, длительный период детства и взросления. А ещё – речь, умение владеть языком. С точки зрения психологии это наша главная отличительная черта как биологического вида, поэтому вокруг неё сосредоточено так много исследований. Если у человека нарушено речевое развитие, или если он по каким-то причинам не овладел родным языком в детстве, или если из-за травмы мозга/инсульта взрослый человек частично или полностью утратил речевую функцию, то это серьёзная дезадаптация: он просто «выключается» из человеческого мира, который насквозь «речевой». Если мы поймём, как работает речь и как её обеспечивает мозг, то приблизимся к пониманию и того, что такое Человек как явление.
– Каких результатов добились сотрудники лаборатории в своих исследованиях?
Один из наших проектов был связан с изучением того, как человек усваивает новые слова в зависимости от способа, которым пользуется. Их два: эксплицитный и имплицитный. Первый обычно используется при традиционном изучении иностранного языка, когда вам говорят, например: «Ложка по-английски называется spoon, а тетрадка – copybook», то есть прямо объясняют, что есть что. А имплицитный способ – неосознаваемый: вам ничего не объясняют напрямую, и вы сами из контекста догадываетесь, какому предмету соответствует то или иное название. Относительно этих двух способов долгое время велись споры: учёные пытались выяснить, какой из них эффективнее, и многие склонялись к тому, что имплицитный. Мы же доказали, что с точки зрения эффективности оба способа равны, однако различаются мозговые механизмы, лежащие в их основе. Это важный результат, потому что теперь есть научное подтверждение тому, что в практике, обучении и даже реабилитации можно использовать оба метода.
– И как вам удалось это доказать?
Мы были заинтересованы в том, чтобы понять, как люди выучивают новые слова. Значит, нам нужно было эти новые слова придумать: мы ведь не могли изучать то, как люди повторно усваивают уже знакомые им языковые единицы. Поэтому, как это обычно делается в экспериментах подобного плана, мы придумали слова – в нашем случае трёхбуквенные, абсолютно бессмысленные (например, «быз» или «бяч»), но созданные на основе реально существующих, то есть релевантные частотным, фонотактическим и другим параметрам русского языка. Нам было важно, чтобы с точки зрения своего звучания и ритмической организации эти слова не несли в себе дополнительных факторов, способных повлиять на лёгкость или трудность выучивания. Эта внешне понятная и несложная процедура оказалась на деле кропотливым и длительным процессом, но через несколько недель в нашем распоряжении оказался список из нескольких десятков созданных таким способом псевдослов. В ходе эксперимента сотрудники лаборатории предъявляли их людям вперемешку с «нормальными» словами русского языка, при этом каждому слову соответствовала картинка. Если диктор произносил слово «кот», то и на иллюстрации был кот. А вот к псевдословам прилагались изображения предметов или живых существ, не известных среднестатистическому человеку: например, фотографии мелких глубоководных животных или картинки со старинными музыкальными инструментами, о которых практически никто не знает. Эти картинки мы предъявляли в паре с псевдословами, а человеку надо было отвечать на вопросы, связанные с этими непонятными объектами, и таким образом постепенно их выучивать. Потом люди выполняли проверочное задание: нужно было вспомнить и записать все новые слова, которые они выучили, или сопоставить картинку и слово. Поскольку в процессе регистрировалась электрическая активность мозга, вся эта процедура была достаточно долгой: перед началом на участника эксперимента надевали специальную шапочку с электродами, и нужно было добиться, чтобы от каждого электрода шёл хороший сигнал. Работа с одним испытуемым занимала до четырёх часов.
– В группе лаборатории в социальной сети Вконтакте написано, что для экспериментов требуются правши. Почему левши оказались за бортом?
Это стандартное требование для всех нейроэкспериментов. Здесь нет никакой дискриминации: просто популяция правшей существенно больше, а значит, эта выборка доступнее (важно, чтобы выборка была гомогенной, то есть однородной). Доминирование той или иной руки определяется, как правило, тем, в каком полушарии мозга находятся речевые зоны. Если они располагаются в левом полушарии, то обычно доминирует правая рука. Интересно, что наоборот это не работает: если человек левша, то речевые зоны у него в большинстве случаев тоже находятся в левом полушарии. В общем, люди с одной и той же доминирующей рукой нужны для того, чтобы данные эксперимента были чистыми. Учёным нужно, чтобы полученные результаты объяснялись именно воздействием тех факторов, которые мы модифицируем в рамках эксперимента, а не какими-то посторонними переменными, которые мы проглядели и не учли на этапе планирования. Для нейроисследований важно, чтобы с точки зрения базовой мозговой организации испытуемые были примерно одинаковые и чтобы их праворукость гарантировала доминирующее левое полушарие. Тогда наши данные можно будет сопоставлять с данными, полученными коллегами в других лабораториях.
– И из тех же соображений требуются люди с нормальным зрением?
Совершенно верно – с нормальным или скорректированным до нормального. Мы должны понимать, что если человек не справился с каким-то заданием, то это потому, что он не запомнил слово, а не потому, что он просто это слово не увидел. Нам также важно, чтобы у участников эксперимента русский был родным языком. Даже если вы никогда в жизни не проходили теорию русского языка, вы как его носитель никогда не сделаете какую-то смешную ошибку, которую с лёгкостью допустил бы человек, изучающий русский язык как иностранный. Например, вы не скажете: «Я вышел на балконах». Вы просто знаете, что так говорить неправильно. Огромное количество языковых правил мы усваиваем неосознанно, но, тем не менее, они сильно влияют на то, как мы пользуемся языком, как выучиваем новые языковые единицы.
– Достаточно ли развиты на сегодняшний день технологии, с помощью которых можно изучать деятельность мозга и речевые системы в частности?
Для решения задач, которые стоят перед нами и коллегами сейчас, технических мощностей хватает. В последнее время в нейронауках более остро стоит вопрос не о технологическом совершенствовании, а о теоретических и методологических прорывах. Мы уже научились получать информацию на уровне отдельных нейронов и клеточных органелл, но этих знаний накопилось слишком много, и наиболее важная задача сейчас – синтезировать их и объединить концептуально. Только после этого нейробиологи смогут ставить принципиально новые вопросы, решение которых позволит совершить открытия, которые перевернут всю область с ног на голову.
– Что ждёт когнитивную нейробиологию в ближайшем будущем?
Её судьба точно не будет скучной. Мы ещё далеки от полноценного понимания человека как явления, поэтому у учёных будут возникать всё новые вопросы, связанные с тем, как мы познаём мир. Также можно ожидать постоянного технологического апгрейда (что, в принципе, происходит и сейчас). Однако мне кажется, что в какой-то момент в области настанет момент серьёзной рефлексии, когда от бесконечного анализа и узнавания всё большего количества фактов мы перейдём к осмыслению накопленного опыта. У нейробиологии есть все шансы стать гораздо более массовой наукой, чем сейчас, – возможно, её основы начнут преподавать в школах, как, например, преподают природоведение или обществознание. Люди должны понимать, что происходит у них в голове, потому что от этого понимания в конечном счёте зависит уровень их счастья и успеха. Знание нейробиологии для всех нас – это техника безопасности и одновременно инструкция по применению.