Нелинейная динамика мозга: эмоции и интеллектуальная деятельность

 

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-