Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
М. И. Рабинович, М. К. Мюезинолу, Нелинейная динамика мозга: эмоции и
интеллектуальная деятельность, УФН, 2010, том 180, номер 4, 371–387
DOI: 10.3367/UFNr.0180.201004b.0371
Использование Общероссийского математического портала Math-Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и
согласны с пользовательским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement
Параметры загрузки:
IP: 77.73.69.221
10 июля 2023 г., 02:13:04
Апрель 2010 г. УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Том 180, № 4
ОБЗОРЫ АКТУАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ
Нелинейная динамика мозга:
эмоции и интеллектуальная деятельность
М.И. Рабинович, М.К. Мюезинолу
Исследования активности нервной системы и деятельности мозга обычно базируются на предположении,
что восприятие, эмоции и когнитивные функции могут быть поняты на основании анализа установив-
шихся нейронных процессов и статических томографических "портретов". В этом обзоре обсуждаются
новые идеи и подходы, опирающиеся на анализ нестационарных процессов и метастабилъных состояний.
Переходная динамика характеризуется двумя основными свойствами: структурной устойчивостью и
чувствительностью к информационным сигналам. Обсуждаемые идеи и методы позволяют объяснить
обнаруженные в экспериментах метастабильные состояния и последовательные переходы между ними и
предлагают новые подходы к анализу поведения. Предложены модели эмоциональной и когнитивной
активности мозга. Математический объект, отображающий наблюдаемые переходные процессы мозга
в фазовом пространстве модели — это структурно устойчивый гетероклинический канал. Иллюстри-
руется возможность построения на базе предложенных моделей количественной теории некоторых
эмоциональных и когнитивных функций.
PACS numbers: 05.45.-а, 87.18.Sn, 87.19.L-, 87.19.Ij
Содержание
1.
Введение. Что мы собираемся обсуждать и почему это своевремен-
но? (371).
1.1. Динамические модели интеллектуальных функций. 1.2. То-
мография мозга. 1.3. Динамика эмоций.
2.
Моды мозга (373).
2.1.
Пространство состояний. 2.2. Функциональные нейронные
сети. 2.3. Эмоционально-когнитивный тандем. 2.4. Динамичес-
кие модели сознания.
3.
Конкуренция — надёжность и чувствительность (377).
3.1.
Устойчивые переходные движения вместо аттракторов.
3.2. Когнитивные переменные. 3.3. Переменные, описывающие
эмоции. 3.4. Метастабильность и динамические принципы.
3.5.
Конкуренция без победителя — структурная устойчивость
переходных режимов. 3.6. Примеры. Конкурентная динамика
сенсорных систем. 3.7. Устойчивость переходных процессов.
Формальное описание. 3.8. Иерархия информационных пото-
ков.
Гетероклиническое дерево.
4.
Базовая экологическая модель (382).
4.1.
Системы Лотки-Вольтерра. 4.2. Стресс и гистерезис.
4.3.
Взаимодействие настроения и мышления в покое.
5. Заключение (385).
Список литературы (386).
М.И. Рабинович, М.К. Мюезинолу.
9500 Gilman Dr., University of California,
San Diego, La Jolla, CA 92093-0402, USA
Tel.
+
1
858 534 67
53.
Fax +
1
858 534 76 64
E-mail: mrabinovich@ucsd.edu, mrabinovich@gmail.com
Статья поступила 26 июня 2009 г., после доработки 4 августа 2009 г.
3*
DOI: 10.3367/UFNr.0180.201004b.0371
Это огромное удовольствие
думать о том, как мы думаем.
Неизвестный автор
1.
Введение. Что мы собираемся обсуждать
и почему это своевременно?
1.1. Динамические модели интеллектуальных функций
Традиции моделирования процесса мышления на базе
теории динамических систем берут своё начало с рожде-
ния кибернетики в конце 1940-х годов [1]. Однако в то
время преобладало влияние символического описания
искусственного интеллекта и применение чисто инфор-
мационного подхода к психологическим задачам. Кроме
того,
ещё в 1960-х- 1970-х годах отсутствовали экспери-
ментальные технологии исследования мозга с доста-
точно высоким пространственным и временным разре-
шением. Поэтому попытки динамического описания
"живого интеллекта" в то время особого успеха не
имели. В конце XX века динамические идеи примени-
тельно к мозгу вновь стали популярны. К примеру,
авторы [2] описали развитие определённого поведения
новорождённого, такого как "лягание" и "потягивание" с
помощью динамических понятий устойчивости, аттрак-
торов в фазовом пространстве и их бифуркаций. Переход
к новой стадии развития объясняется рождением новых
аттракторов при изменении параметров ребёнка (вес,
рост) со временем. Авторы этой работы считают, что
высшие когнитивные функции имеют прямое отношение
к этим видам "умений", которыми ребёнок овладел в
младенчестве, и потому сами эти функции имеют дина-
мическую природу и должны соответствующим образом
© М.И. Рабинович, М.К. Мюезинолу 2010
372 М.И. РАБИНОВИЧ, M.K. МЮЕЗИНОЛУ [УФН 2010
описываться. Они противопоставляют свой подход
"информационной теории развития", в которой новые
этапы развития связываются с "взрослением мозга" и
появлением у него логических способностей.
В работе [3] сформулирована "идея непрерывности":
когнитивная деятельность мозга должна характеризо-
ваться непрерывно трансформирующейся во времени
связью между мозгом, телом человека и окружающей
средой, что противопоставляется дискретным по вре-
мени "шагам" искусственного интеллекта и статической
(не функциональной) организацией его информационной
структуры. Динамический подход предполагает, что
сама организация когнитивных паттернов мозга также
динамическая и функциональная в дополнении к анато-
мической. Таким образом, динамическое описание ког-
нитивной активности противопоставляется "закону ка-
чественных структур", который отстаивают ортодоксы
классической науки о мышлении, опирающейся на задан-
ные алгоритмы дискретных вычислений [4].
Динамика информационных потоков в мозгу зависит
от многих факторов, но в первую очередь, от архитек-
туры нейронных цепей и характера нейронных связей
между различными мозговыми центрами. Так, тормозя-
щие связи, поддерживаемые интернейронами, ответст-
венны за нестационарную пространственно-временную
активность, в то время как возбуждающие связи направ-
ляют информационные потоки в нужное время и в
нужное место [5]. Можно предположить, что крупно-
масштабные когнитивные паттерны (моды или предста-
вления, наблюдаемые в экспериментах) в рабочем
режиме мозга должны подавлять друг друга [6], что,
естественно, должно происходить последовательно во
времени. Таким образом, работающий мозг демонстри-
рует когнитивную и эмоциональную активность в виде
цепочки сменяющих друг друга во времени комбинаций
функциональных мод, а сами эти комбинации опреде-
ляются родом ментальной активности.
Динамическое моделирование эмоций, мыслитель-
ной деятельности и их взаимодействия требует выбора
множества независимых переменных — функций вре-
мени, которые в соответствии с динамическими принци-
пами связаны дифференциальными уравнениями. Эти
переменные образуют пространство состояний (фазовое
пространство) искомой модели. Подобный подход опи-
рается на успешный опыт динамического моделирования
разнообразных явлений природы. Он включает в себя
набор элементарных моделей, доказательств и развитой
техники анализа для понимания поведения системы "в
целом". Большую роль в таком описании играет гео-
метрическое представление эволюции исследуемой сис-
темы в малоразмерных проекциях фазового прост-
ранства. Поведение системы при этом описывается в
терминах аттракторов, переходных состояний, устойчи-
вости, бифуркаций, хаоса и т.д.
Классический информационный подход к описанию
функций мозга абстрактно также предполагает, что
обработка информации происходит во времени, однако
динамическое описание включает время непосред-
ственно в пространство кодирования. В качестве при-
мера можно привести информационные процессы в
сенсорных системах [7] (детали см. ниже). При этом
временные характеристики нейронных процессов (про-
тяжённость во времени, синхронизация, изменение сред-
ней активности и т.д.) принципиально важны [8].
1.2. Томография мозга
Недавние работы по визуализации (томографии) рабо-
тающего мозга позволили выявить многие важные
характеристики его активности, в частности, обнару-
жить функциональные связи, которые выявляют мозго-
вые центры "одновременно" (с точностью до усреднения)
активизирующиеся при выполнении тех или иных эмо-
циональных или когнитивных функций. Такое предста-
вление создаёт иллюзию, что мы получаем чёткие
отпечатки или автопортреты определённых эмоций или
когнитивной активности. Однако ни эмоции, ни когни-
тивная активность не могут быть представлены "замо-
роженными" паттернами, хотя бы и функционально
зависимыми. Лежащая в их основе нейродинамика
может быть понята лишь на основе представления
последовательно развивающихся во времени процессов,
т.е.
анализа последовательной эволюции "мгновенных
снимков" [9]. Сейчас существуют методы томографии
мозга с различным временным разрешением. Напри-
мер,
позитронно-эмиссионная томография (PET) даёт
невысокое разрешение (порядка 10 с [10]). Высоким
временным разрешением характеризуется метод элект-
роэнцефалографии (EEG) ~2 мкс [11]. Этот метод, к
сожалению, имеет недостаточное пространственное
разрешение. Один из наиболее распространённых сейчас
методов — зависящая от уровня кислорода в крови
магнитно-резонансная томография (MRI) — даёт весь-
ма хорошее пространственное разрешение (1 мм) и
неплохое для целей динамического анализа временное
разрешение порядка 2 с [12]. Таким образом, функцио-
нальная магнитно-резонансная томография — доста-
точно хороший экспериментальный инструмент для
проверки и поддержки нелинейного динамического
моделирования интеллектуальной деятельности мозга.
1.3. Динамика эмоций
В 1872 г. Ч. Дарвин опубликовал книгу Выражение
эмоций у человека и животных [13], где высказал идею,
что эволюционный принцип применим не только к
биофизическому, но и психолого-поведенческому разви-
тию живого, т.е. между поведением животного и чело-
века имеется эволюционная связь. Он, в частности,
показал, что в выражении разных эмоциональных
состояний с помощью экспрессивно-телесных движений
имеется много общего у антропоидов и слепорождённых
детей. Представления Дарвина имели далеко идущие
последствия. В частности, сегодня популярна точка
зрения, что эмоции — это архаическая форма сознания.
Принципиально, и физиологам это хорошо известно,
что эмоции, как и сознание, — многоэтапный динамичес-
кий процесс восприятия, переработки и создания новой
информации. Каждому метастабильному состоянию
такого процесса отвечают свои формы представления и
причинно-следственных связей между внутренними и
внешними информационными потоками [14].
У животных динамика эмоциональных процессов
взаимосвязана с когнитивной активностью. Особенно
ярко это проявляется у человека. Обычно положитель-
ное эмоциональное переживание возникает, когда реаль-
ные результаты нашей деятельности соответствуют
ожидаемым. В обратном случае возникают отрицатель-
ные эмоции — когнитивный диссонанс. Всем нам зна-
комы пути выхода из такого дискомфортного состояния:
либо уговорить себя, что наши планы как раз и соответ-
