Реферат: Синергетика и мозг

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.

Закон необратимости эволюции состоит в том, что «исторически измененный генотип с его нормой реакции никогда не восстанавливается в прежнем виде, даже если бы восстановились прежние соотношения между организмом и средой»". Необратимость эволюции, ее неповторимость связаны с факторами случайности, принципиально неповторимой. Это положение, очевидно, приложимо к любым живым системам, в том числе - к мозгу. Любые переживаемые организмом и мозгом состояния неизбежно включат элементы случайности и уже по этой причине необратимы. Большое место в синергетике занимают закономерности фазовых переходов. Явления типа фазовых переходов, по-видимому, играют существенную роль в деятельности мозга. Эти явления могут носить общемозговой характер или находить свое выражение в отдельных мозговых функциях. К числу первых могут быть отнесены изменения функционального состояния, формирование состояний, соответствующих различным условным рефлексам, по Б.И.Котляру, смены фаз сна, переключение, по Э.А.Асратяну. По принципам фазовых переходов, вероятно, реализуются феномены типа «озарений», «инсайтов». Больше того, есть определенные основания полагать, что явления типа фазовых переходов участвуют в «обычных» процессах обучения. Кривые обучения, отражающие ход вырабатываемого рефлекса, зачастую носят скачкообразный характер, когда на каком-то этапе обучения после серии неудачных попыток внезапно возникает выраженное состояние обученности - мозг скачкообразно перешел от незнания к знанию. Интересно, что состояние обученности может возникать не непосредственно в ходе обучения, а спустя какое-то время. Не исключено, что собственно обучение инициирует процессы, продолжающиеся после завершения обучения и приводящие к возникновению состояния обученности. При этом важно отметить, что такое состояние обученности возникает в условиях, когда после завершения обучения условный и безусловный стимулы не предъявлялись. Значит, это состояние возникло на основе инициированных обучением внутримозговых процессов, т.е. главным образом на основе самоорганизации. Самоорганизация «завершает» дело, начатое внешними воздействиями и вызванными процессами организации. При всем своеобразии и относительной автономности процессов самоорганизации, они оказываются, по крайней мере в описанной ситуации векторизованными, что лишний раз подчеркивает связь процессов организации и самоорганизации. В связи с рассматриваемым процессом следует коснуться одного из аспектов проблемы возникновения нового. Речь идет о том, что новое возникает не по частям, а «целиком», в виде системы. Это касается различных мозговых функциональных систем, возникновения новых состояний и т.д. В этом находит выражение один из общих принципов, проявляющийся, в частности, и в возникновении жизни. Характеризуя взгляды В.И-Вернадского на эту проблему, В.П.Алексеев пишет: «Возникновение жизни нельзя рассматривать как появление первого организма, ее можно рассматривать только как появление совокупности организмов. Интересно, что реорганизации мозговой активности при интегративной деятельности мозга начинается с возникновения нескольких нуклеаций, т.е. переход к новому состоянию мозга происходит не поэлементно, а системно. Идеи синергетики позволяют дополнить представления о прогнозирующей деятельности мозга. Следует прежде всего подчеркнуть, что мозг, как и все живые системы, удаленные от термодинамического равновесия, изначально активен, активность - это не свойство, а форма существования мозга. Свойственные мозгу различные градации уровня функционального состояния в любом случае поддерживают его над термодинамическим равновесием, т.е. в состоянии активности. Ни на секунду не прекращающаяся активность мозга в состоянии бодрствования находит свое выражение, в частности, в ориентировочно-исследовательской деятельности. Объектами этой деятельности являются не только новые объекты среды, но и новые стороны старых, т.е. уже частично знакомых объектов. Известно, что ориентировочно-исследовательская деятельность есть в конечном счете поиск ответа на вопрос «что делать?», и на каждый из объектов этой деятельности в ходе решения вопроса «что делать?» распространяется своя программа будущего взаимодействия с объектом. Поэтому продукты ориентировочно-исследовательской деятельности, как и любые энграммы, есть в прямом смысле «заготовка впрок», обеспечение организма множеством знаний и навыков, которые будут использованы при построении будущих взаимоотношений организма и среды, «преодоления» среды ради достижения целей поведенческой активности. В связи со сказанным целесообразно более подробно рассмотреть роль фактора новизны в организации поведения (реализации активности). Известно, что в системе потребностей, направляющих поведение, особое место занимает потребность в получении новой информации. Как отмечает П.В.Симонов, исследовательское поведение относится к группе безусловных рефлексов саморазвития, главные особенности которой состоят а их ориентации на освоение новых пространственно-временных сред, т.е. их обращенность к будущему, и невыводимость их из других потребностей живого организма, как и несводимостъ к другим мотивациям. В основе исследовательского поведения лежит самостоятельная потребность в получении информации (стимулов) с невыясненным прагматическим значением. Примечательно, что по ряду показателей, предъявление незнакомых стимулов связано с механизмами положительных эмоций. Важно подчеркнуть, что равная «отнесенность» потребности в новой информации ко всем другим потребностям и ее относительная независимость от них обеспечивает этой потребности уникальную роль. Эта роль заключается в том, что приобретаемая на основании этой потребности «чистая информация» изначально не имеет мотивационной окраски, но тем не менее она может использоваться при удовлетворении любых других потребностей. Итак, потребность в новой информации ориентирована на будущее, потому что приобретаемая на основе этой потребности информация есть несомненная заготовка впрок. Эта «заготовка» осуществляется независимо от текущих частных потребностей с тем, чтобы в последующем служить их удовлетворению. Вновь приобретаемая (или частично созданная) «чистая» информация «обречена» на приобретение в будущем потребностно-эмоционально-мотивационной окраски. Такая заготовка впрок только на основе новизны тем не менее означает, что эта «заготовка» рано или поздно будет использована. А это означает, что активность мозга всегда содержательна. По-видимому, преимущественно на основе процессов самоорганизации возникают структуры, хранящие такую могущую пригодиться информацию. А это означает, что при всей принципиальной непредсказуемости и кажущейся случайности процесс формирования нового знания в конечном счете «канализован». Об этой «канализации» речь специально пойдет ниже, сейчас же важно подчеркнуть, что содержательная мозговая активность, реализующаяся на основе единства организации и самоорганизации, имеет самое непосредственное отношение к таким важным общебиологическим проблемам, как проблема избыточности любых биологических программ и проблема опережающего отражения действительности. Итак, заготовки впрок на основе ориентировочно-исследовательской деятельности не связаны непосредственно с опытом по удовлетворению потребностей. Прогнозирование будущего на основе опыта по удовлетворению определенных потребностей реализуется в виде вероятностно-статистической модели потребного будущего, по Н.А.Бернштейну, или акцептора результатов действия, по П.К.Анохину. Информация, приобретаемая в ходе ориентировочной деятельности, служит основой прогнозирования «на всякий случай». Такая своеобразная заготовка впрок напоминает хорошо известный в эволюционном учении феномен преадаптации. Эти эволюционные приобретения не связаны с текущими адаптациями. Они «ждут своего часа». Однако во многих случаях «смены сред», столкновения с новыми экологическими факторами животные с преадаптациями оказываются в заведомом выигрыше, обладая за счет преадаптации явными преимуществами по сравнению с популяциями и видами, которые еще не приобрели должных адаптации. Преадаптация оказывается «заготовкой впрок» по отношению к ситуациям, которые не могут быть предсказаны. Есть определенные основания полагать, что прогнозирующая деятельность мозга строится не только на основе текущих активно-приспособительных реакций и их следов-энграмм, но имеет гораздо более широкий спектр, осуществляя заготовки впрок и по отношению к принципиально непредсказуемым ситуациям. Поскольку реальные объекты внешнего мира - открытые системы, их развитие протекает на основе синергетических закономерностей путем непредсказуемых бифуркаций («катастроф»), адаптация к такому миру, далекому от термодинамического равновесия, требует и особых способов подготовки к встрече с таким миром. Мозговая преадаптация и есть такой особый способ. Это как раз та ситуация, когда вероятностно-статистический подход обнаруживает свою ограниченность. «Заготовки впрок», возникшие на основе ориентировочно-исследовательской деятельности, действительно могут рассматриваться как своеобразные преадаптации. В случае возникновения новых, принципиально непредсказуемых, не прогнозируемых ситуаций, организм, тем не менее, может оказаться подготовленным к освоению этих ситуаций. Организм с такими мозговыми «преадаптациями» оказывается более «вооруженным», чем организм, прогнозирующий будущие ситуации лишь на основе памяти о конкретных взаимодействиях со средой. Надо думать, что реальная прогнозирующая деятельность мозга в целом строится на основе этих двух типов прогнозирования. Можно думать, что возникающие преимущественно на основе самоорганизации мозговые преадаптации ориентированы на участие случайности в возникновении нового. Но если вероятностно-статистическое прогнозирование носит более или менее направленный, канализованный характер, то можно ли говорить хотя бы о намеках на канализацию «мозговой преадаптации»? На наш взгляд, какими бы причудливыми ни были «мозговые преадаптации», можно говорить об элементах какой-то их канализации. Дело в том, что «мозговые преадаптации» осуществляются органом отражения и эффективного управления. Те свойства и механизмы, которые лежат в основе этой деятельности, функционируют в определенных рамках, оперируют заготовками, возникшими в ходе взаимодействия особи с окружающим миром (в том числе в ходе ориентировочно-исследовательской деятельности). Поэтому, в конечном счете, любые, самые причудливые заготовки «обречены» на возврат к объективной действительности. В целом же традиционные формы вероятностно-статистического прогнозирования в сочетании с «мозговыми преадаптациями» намного расширяют глубину и горизонты прогнозирования. Это - тот вклад в процессы прогнозирования, который вносят процессы самоорганизации, обеспечивающие более глубокое «отдаление» от среды ради более эффективного и содержательного ее освоения. Иными словами, процессы самоорганизации обеспечивают такую степень «удаления» (но отнюдь не отрыва) от среды, при которой выявляются более общие закономерности ее бытия и тем самым - более успешное ее освоение. Как известно, направление движения системы после бифуркации принципиально непредсказуемо. Однако диапазон возможных траекторий движений системы не беспределен, а ограничен, в первую очередь, свойствами элементов и целостной системы. А это означает, что любая новая траектория есть лишь одна из возможных, и, отличаясь от других траекторий, имеет с ними нечто общее. Возникающие в ходе самоорганизации динамические структуры отражают не только свойства элементов, но внешние условия - характеристики поступающих извне потоков энергии, вещества и информации. По-видимому, под влиянием одних и тех же «аргументов» - потока веществ, энергии и информации, свойств веществ и других эндогенных факторов могут возникать различные динамические структуры. А это в свою очередь означает, что одна и та же совокупность внешних и внутренних факторов может воплотиться в разные динамические структуры. Если это в самом деле так, то есть все основания считать, что в функционировании любых живых систем, в том числе и особенно - мозга, реализуется принцип вырожденности, на роль которого в деятельности мозга впервые обратил внимание Эделмен. Эделмен принцип вырожденности связал с механизмами распознавания стимулов: на один и тот же стимул может реагировать одна из нескольких предсуществующих нейронных систем. R действительности, по-видимому, принцип вырожденности реализуется при всех формах мозговой активности. Одна и та же функция, одна и та же задача может быть решена разными путями. Этот принцип приложим, в частности, и к формированию энграмм. «Неуловимость» энграммы частично может быть объяснена ее разной локализацией у разных особей. Вполне допустимо, на наш взгляд, предположение о том, что любая из траекторий движения системы (мозга), возникшая после бифуркации, несет одну и ту же информацию.

Принцип вырожденности позволяет по-новому объяснить феномен компенсации функций. Хорошо известно, что при разрушении определенных мозговых структур, их функцию могут принимать на себя другие структуры, так что нарушенная целостная функция полностью или частично восстанавливается за счет изменения функциональной архитектуры. В полном соответствии с принципом вырожденности одна и та же целостная функция реализуется на основе иного структурного обеспечения.

Участие процессов самоорганизации в патологии центральной нервной системы с достаточной очевидностью раскрывается при анализе ряда общенейропатологических концепций, одной из которых и притом наиболее разработанных является концепция Г.Н.Крыжановского о генераторных, детерминантных и системных механизмов расстройств центральной нервной системы. Как справедливо отмечает автор, наименее исследованная сторона патогенеза нервных расстройств - возникновение новых структурно-функциональных образований из поврежденных и неповрежденных структур. Как подчеркивает Г.Н.Крыжановский, само повреждение еще не является патологическим процессом. Оно представляет собой причину и условие его развития. Последнее же осуществляется вторичными, уже эндогенными механизмами, присущими самой нервной системе. Реализация указанных механизмов и возникновение вторичных патогенных факторов эндогенной природы означает этап эндогенизации патологического процесса. К числу эндогенных механизмов его развития относится самоорганизация генераторов патологически усиленного возбуждения, патологических детерминант и патологических систем. Г.Н.Крыжановский особо подчеркивает, что эти процессы имеют место при различных формах патологии нервной системы, вследствии чего они могут быть отнесены к разряду типовых патологических процессов в нервной системе. Таким образом, патология мозга во многом связана с самоорганизацией патологических систем. Патологические динамические структуры, закрепляясь, образуют патологическую матрицу - объект целенаправленных лечебных воздействий, ориентированный на замену патологических матриц нормальными.

Особенно велика роль самоорганизации в эмбриональном развитии, когда развивающийся организм реализует генетическую программу и испытывает влияние только со стороны материнского организма.

По представлениям И.А.Аршавского, развивающийся организм за счет поступающий пластических и энергетических ресурсов создает отрицательную энтропию в виде образующихся структур, увеличивая все больше не только свою негэнтропийность, но и неравновесность, достигающие максимума к половозрелому периоду. Иными словами, организм не получает отрицательную энтропию, а в процессе развития (самоорганизации) создает ее сам в виде все более дифференцирующихся и упорядочивающихся структур. Одним из механизмов такого упорядочивания является системогенез, концепция которого выдвинута и обоснована П.К.Анохиным. Системогенез по П.К.Анохину есть совокупность эмбриональных процессов, которые через посредство морфогенетических закономерностей созревания отдельных структурных элементов ведут к избирательным системным связям. Это избирательное созревание структур протекает независимо от топографической близости субстратов. Конечным этапом такого последовательно развивающегося объединения всегда является та или иная функциональная система, обеспечивающая выживание данного новорожденного.

Пройдя ряд этапов развития, формирующаяся система реализует принцип минимального обеспечения функции. Все эти закономерности относятся и к созреванию мозга, так что системогенез применительно к мозгу есть не что иное, как особенности протекающих в развивающемся мозге процессов самоорганизации.

Мы рассмотрели лишь некоторые аспекты проблемы «синергетика и мозг». Но и рассмотренные материалы убедительно свидетельствуют о том, что идеи синергетики действительно позволяют по-новому увидеть интегративную деятельность мозга и наметить новые подходы к ее дальнейшему изучению. Идеи синергетики, вместе с тем, значительно углубляют и обогащают системный подход - одну из главных составляющих современной научной методологии. Следует в связи с этим подчеркнуть одно существенное обстоятельство. Системный подход в его традиционном понимании, при всей своей мощи и эвристичности, по существу, оставляет вне поля зрения историко-процессуальные аспекты исследуемых систем, в том числе - мозга. Одно из главных достоинств синергетики - ее обращенность к процессуальной, исторической стороне организации и функционирования систем. Поэтому синергетику можно рассматривать как особое направление системного подхода, которое исследует системы с точки зрения их самоорганизации, а тем самым их возникновения и эволюции. Именно поэтому идеи и принципы синергетики представляют собой общенаучно-методологическую основу исследования, развития и функционирования систем всех уровней - от неживых объектов до высшей формы материи - головного мозга.

Список литературы

Р.И.Кругликов, Г.И.Рузавин. Синергетика и мозг.