2.4. Психика и мозг
Взаимодействие психики и физиологии мозга в различных его аспектах является предметной областью целого ряда наук (психофизиология, нейрофизиология и т.д.) и сейчас активно исследуется. Мы рассмотрим только отдельные характеристики мозга (или, шире, центральной нервной системы) как системы переработки информации.
Структурной единицей центральной нервной системы является нейрон (рис. 1). В интересующем нас смысле нейрон можно трактовать как управляемый логический элемент со следующими характеристиками:
- входы - дендриты (до нескольких сотен в одном нейроне); выход - аксон (в каждом нейроне - один, но с разветвлениями); таким образом, нейрон можно рассматривать как своего рода логический сумматор с расширением по выходу;
- уровень логического нуля соответствует -70 мВ, логической единицы +40 мВ, т.е. достаточно высока помехозащищенность нейрона и мозга в целом;
- нейрон работает в ждущем режиме; тактовой частоты не имеет; время релаксации равно 0,001 с, т.е. очень велико (примерно соответствует тактовой частоте 1000 Гц);
- на один нейрон приходится до 800 синапсов, а всего только в коре головного мозга содержится около 30 миллиардов нейронов; эти величины компенсируют сравнительно низкие временные характеристики отдельного нейрона;
- роль управляемого перехода выполняет синапс; управление происходит химическим путем.
Рис. 1. Синаптическое соединение нейронов
Синаптическую щель (рис. 1) можно рассматривать как конденсатор с промежутком около 50 нм; она становится шире или уже, когда в нее впрыскиваются молекулы специального химического вещества - нейромедиатора (они содержатся в аксоне). Молекулы нейромедиатора имеют такую форму, которая по принципу «ключ - замок» подходит к форме отдельных рецепторов на дендрите. Таким образом, происходит замыкание «аксон одного нейрона - дендрит другого нейрона» и передача электрического импульса через образовавшуюся нейронную цепь.
Нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) - биологически активные химические вещества, посредством которых осуществляется передача электрического импульса с нервной клетки через синаптическое пространство. Нейромдиаторы характеризуются способностью реагировать со специфическими белковыми рецепторами клеточной мембраны, инициируя цепь биохимических реакций, вызывающих изменение трансмембранного тока ионов, что приводит к деполяризации мембраны и возникновению потенциала действия.
В настоящее время известно несколько десятков нейромедиаторов; ожидается, что общее число их приближается к 1000. Нейромедиаторы могут замещаться сходными по форме молекулами психотропных (психоактивных) веществ, вводимых извне.
Психоактивное вещество - любое химическое соединение (или смесь) естественного или искусственного происхождения, которое влияет на функционирование центральной нервной системы, приводя к изменению психического состояния. Эти изменения могут носить как положительный (лечебный) характер, так и отрицательный, например деградация психики при злоупотреблении наркотиками.
Гормоны - сигнальные химические вещества, выделяемые эндокринными железами непосредственно в кровь и оказывающие сложное и многогранное воздействие на организм в целом либо на определённые органы и ткани-мишени. Гормоны служат гуморальными (переносимыми с кровью) регуляторами определённых процессов в определённых органах и системах.
Некоторые примеры действия психотропных веществ приведены в табл. 9.
Таблица 9. Примеры психотропных веществ и их воздействия
Современные исследования показывают, что рассмотренная выше модель нейрона является весьма грубой. Постоянно выявляются все новые механизмы управления нейроном, которые действуют в сложной иерархической взаимосвязи. К настоящему времени уже есть основания рассматривать каждый нейрон как отдельный компьютер.
Нейроны объединяются в сеть - центральную нервную систему (ЦНС). В состав ЦНС человека входят головной мозг, спинной мозг, периферическая нервная система, рецепторы, преобразующие внешние стимулы в нервные импульсы, и эффекторы, преобразующие нервные импульсы в движение мышц.
Основное свойство ЦНС и, в частности, мозга - это способность изменять свои характеристики в желаемом направлении в процессе обучения. Техническим аналогом такой организации являются нейрокомпьютерные сети. К настоящему времени уже показана исключительная эффективность переработки информации с помощью нейрокомпьютерных сетей. Например, подобная сеть, в состав которой входит всего-навсего 104 «нейронов», успешно управляет сверхзвуковым самолетом при таких изменениях динамики полета, которые связаны с отказами или повреждениями самолета и не поддаются управлению с помощью обычного автопилота. Вспомнив, что в мозгу человека имеется около 30 млрд нейронов, легко представить себе, каким мощными ресурсами для переработки информации наделила людей природа.
Мозг появился в ходе эволюции у червей, у которых он представляет собою скопление 3000 нейронов. Мозг позвоночных в своем развитии (в филогенезе) проходит три стадии, соответствующие ходу эволюции. У рептилий мозг обеспечивает только поддержание гомеостаза и основные физиологические потребности животного. Мозг низших млекопитающих управляет обонянием, эмоциональным поведением, примитивным научением по принципу «вознаграждение-наказание». И только у высших млекопитающих, в том числе у человека, появился так называемый передний мозг, который в состоянии обеспечить процессы познания, в том числе осознания себя, а также высшие психические функции. Передний мозг состоит из 2 полушарий, покрытых корой толщиной около 3 мм. Он появился в ходе эволюции сравнительно недавно - только около 1 млн лет назад, в то время как мозг низших млекопитающих - около 1 млрд лет назад.
У современного человека все эти типы мозга сосуществуют в виде отдельных слоев (отделов). В связи с этим в 1979 г. была выдвинута теория, согласно которой за такое короткое время передний мозг не успел установить надежный контроль за более низкими отделами, чем и объясняется существующий у человека конфликт между удовлетворением подсознательных влечений и разумным поведением.
С точки зрения системного подхода именно кора головного мозга представляет собою основное аппаратное средство переработки информации, аналогом которого в компьютере является сочетание центрального процессора и памяти. Однако у человека выявлен еще один механизм регулирования информационных потоков, не имеющий аналогии в современном компьютере - ретикулярная формация (рис. 2).
Это образование в стволе головного мозга состоит из нескольких тысяч нейронов, которые соединены отростками со всеми зонами мозга Установлено, что ретикулярная формация работает как фильтр: все сигналы, идущие в мозг, параллельно поступают в нее, и она оценивает, насколько важны эти сигналы и нужно ли их детально обрабатывать в коре. Алгоритм работы ретикулярной формации пока не ясен; однако уже известно, что он организован по градиентному типу, т.е. пропускаются на расшифровку новые сигналы и, соответственно, не пропускаются привычные, повторяющиеся сигналы. Очевидно, что это существенно экономит информационные резервы мозга. Например, мы быстро перестаем замечать уличный шум, запах чужих духов, вкус водопроводной воды, хотя в первый момент все это воспринимается достаточно остро. С другой стороны, экспериментально установлено, что, если у животного разрушить ретикулярную формацию, оно вообще перестает бодрствовать, хотя все сигналы проходят в кору.
Рис. 2. Схема ретикулярной формации
Отсюда понятна важность новизны стимулов, как основных, так и сопровождающих, при организации процесса обучения вообще и при построении обучающих программ, в частности.
Фундаментальным достижением психологии 20-го в. явилось открытие Роджером Сперри функциональной асимметрии полушарий головного мозга: установлено, что каждое полушарие имеет свою специализацию по выполняемым функциям. Это позволяет рассматривать мир с двух различных точек зрения - с формально-логической и пространственно-образной позиции - и создает основу для творческой активности. Функциональная асимметрия полушарий была выявлена экспериментально путем усыпления одного из полушарий (например, путем введения снотворного вещества в одну из сонных артерий).
В табл. 10 проиллюстрированы особенности выполнения психических функций разными полушариями.
Таблица 10. Особенности выполнения психических функций разными полушариями
Когда работает только левое полушарие, поведение человека характеризуется такими показателями, как беспричинное веселье, словоохотливость до словоизлияния, сложные грамматические конструкции, отсутствие интонирования речи, гнусавый голос. Все его монологи представляют собою «взгляд в ничто», т.е. лишены творческого начала. Когда работает только правое полушарие, поведение меняется: преобладает невербальное творчество (музыка, математика), настроение очень подавлено, вплоть до состояния отчаяния и скепсиса, крайне мало словесных реплик.
Однако во взаимодействии правое полушарие сдерживает эйфорию левого, в то время как левое полушарие сдерживает демонизм правого. Такое сочетание энергии и отрезвляющих опасений обеспечивает решение творческих, нестандартных задач.
Человек не рождается с функциональной асимметрией полушарий, а приобретает ее в онтогенезе. Например, если европейский мальчик учится в китайской школе, то его центры речи и письма перемещаются в правое полушарие (так как иероглифы по своему смыслу являются картинками, т.е. слова воспринимаются целиком). В то же время у китайского мальчика в Европе идет обратный процесс, так как здесь слова воспринимаются по буквам. Если человек неграмотен, занимается рутинной работой, то у него асимметрия полушарий вообще не развивается. То же самое имеет место при определенных психических заболеваниях. Асимметрия полушарий угасает у стариков, не занимающихся умственной деятельностью.
Установлено, что функцией левого полушария является оперирование вербально-знаковой информацией, а также чтение и счет, тогда как функция правого - оперирование образами, ориентация в пространстве, различение музыкальных тонов, мелодий и невербальных звуков, распознавание сложных объектов (в частности, человеческих лиц), продуцирование сновидений.
Основное различие между полушариями определяется не столько особенностями используемого материала (вербального или образного), сколько способами его организации, характером переработки информации, т.е. типом мышления. Оба полушария способны к восприятию слов и образов и к их переработке (хотя возможности правого полушария в отношении экспрессивной речи минимальны), но эти процессы протекают в них по-разному.
Межполушарная асимметрия - основная характеристика мозга. У всех людей одно из полушарий мозга доминирует над другим, и человечество делится на две неравные части: левополушарных и правополушарных. Первых больше в западных странах, вторых - на Востоке и в Африке.
Ученые полагают, что эволюционный путь к человеку начался с появлением функционально различий полушарий. Впервые на «эволюционной лестнице» этот феномен отмечается у рыб. И чем выше стоит живое существо, тем ярче межполушарная асимметрия. Венец межполушарной асимметрии - Homo sapiens.
Асимметричное развитие полушарий мозга связано с полом и во многом объясняет уже обсуждавшиеся в § 2.3 психологические различия между мужчинами и женщинами. Биологически самки более приспособлены исполнять роль хранительницы очага, тогда как на долю самцов выпадает охрана, защита семьи, они как бы находятся на внешнем уровне обороны. Поэтому процесс выбора в поведении, в реакциях на внешние раздражители актуальней для особей мужского пола (асимметрия связана с оптимизацией процесса принятия решений). Поэтому с эволюционной точки зрения вполне объяснимо, что у женщин асимметрия полушарий выражена в меньшей степени.
Правое и левое полушария работают на разной частоте. Два раза в сутки, в момент засыпания и просыпания, частота синхронизируется. В этот момент человек обладает несопоставимо большими возможностями по решению сложных, творческих задач.
Подведем некоторые итоги. Чем сложнее решаемая задача, тем сильнее асимметрия мозговых биоритмов; и наоборот - чем сильнее асимметрия мозговых биоритмов, тем успешнее человек в умственной деятельности. Более того, именно пластичность мозга и его предрасположенность к асимметрии полушарий обеспечивают возможность биологической эволюции вида Homo sapiens.