Наука

Как человеческий мозг устанавливает причинные связи

admin
Всего просмотров: 1366

Среднее время на прочтение: 8 минут, 52 секунды

Представьте: вы угодили в древнюю ловушку внутри пирамиды Рамсеса II. Начал опускаться усеянный шипами потолок, и если ничего не предпринять, вам не поздоровится. Нужно срочно найти способ обезвредить механизм. Вы начинаете метаться из стороны в сторону, беспорядочно нажимая на блоки стены в надежде, что один из них поддастся, проводите рукой по резьбе саркофага, водружаете золотую маску обратно на постамент… и вдруг — потолок останавливается.

Аудиоверсия статьи: Podster | iTunes | YouTube | Скачать | Telegram

Вы замираете на месте, пытаетесь отдышаться, а в голове только одна мысль: «Как я это сделал?»

Всем нам случалось побывать в аналогичной ситуации. Хотя чаще речь все-таки о том, чтобы нечаянно включить новую ультрасовременную микроволновку, наугад тыкая по кнопкам. Спасаете вы свою жизнь или просто хотите разогреть еду, вашему мозгу необходимо решить сразу две проблемы, чтобы понять: действие X влечет за собой результат Y.

  1. Проблема исполнителя: это сделал я?
  2. Проблема действия и результата: что из того, что я сделал, вызвало результат Y?

Вопросы не из легких. Мы много чего делаем, и все это к чему-нибудь да приводит. К тому же, вокруг нас постоянно происходят какие-то события, и лишь малая часть из них зависит от нас. Поэтому мозгу необходимо выделить результат Y из общего потока событий. Затем он должен определить, имеем ли мы отношение к произошедшему. При этом информация от органов чувств приходит только после совершения действий, которые могли послужить причиной случившемуся. За эти процессы отвечает дофамин, первая скрипка в симфониях многих когнитивных теорий.

У нас есть гипотеза, которая подробно описывает нейрональный процесс соотнесения действия с его исполнителем и результатом. Эта гипотеза исходит из двух фундаментальных идей.

Во-первых, у мозга есть модель того, как работает внешний мир — на ее основе он все время пытается угадать, что произойдет дальше. Если прогноз не сбывается, то возникает удивление, а событие, которое его вызвало, выделяется из потока обыденных и предсказуемых явлений.

Во-вторых, мозг фиксирует все, что мы только что сделали, а значит, любое неожиданное событие можно соотнести с хранящейся в памяти цепочкой недавних действий. Как только будет найдена связь, действие можно повторить — и проверить, повлечет ли оно аналогичный результат. Положительный ответ будет свидетельствовать о наличии причинной связи.

Ни в том, ни в другом случае не обойтись без нашего старого друга — дофамина. На первый взгляд, в деле соотнесения действий с результатом, этот нейромедиатор — худший из всех возможных помощников. Дофамин вырабатывается в огромных количествах в нескольких участках головного мозга одновременно. Этот способ совершенно неэффективен, чтобы выделить одну-единственную связь между набором нейронов — скажем, между теми, что отвечают за действие X и за результат Y. Но на самом деле это крайне продуманный механизм. Выброс дофамина можно сравнить с трансляцией радиосигнала. С его помощью в разные участки мозга мгновенно рассылается такое сообщение: «Только что за пределами Мозга случилось нечто очень необычное. Кто из вас, ребята, возьмет на себя ответственность за это?»

Человек во время этой трансляции испытывает удивление. Это чувство возникает, когда мозг ошибается в своих прогнозах. Имеется немало доказательств, что дофаминовые нейроны служат для передачи сигнала об ошибке, когда мозг рассчитывает вероятность получить награду. Если мозг предполагает, что никакой награды вам в ближайшее время не светит, и вдруг совершенно незнакомый человек вручает вам пончик, дофаминовые нейроны на мгновение активируются. Они передают остальной части мозга удивление от того, что случилось что-то неожиданно хорошее. Нейроны как бы кричат: «Не важно, кто из вас, чуваки, добыл нам пончик, но это нужно повторить!»

Мозг может ошибаться, не только прикидывая вероятность награды. Нам известно также, что дофаминовые нейроны говорят о погрешностях при прогнозировании нежелательного результата. О вещах, которых неплохо бы научиться избегать — например, не нажимать кнопку, которая активирует сброс змей вам в ванную. О неверной оценке прошедшего времени после недавнего события. А еще о том, что вы поете не совсем так, как хотелось бы. Вы, наверное, и не знали, что у вас в среднем мозге сидит музыкальный критик?

У всех этих механизмов, посредством которых различные ошибки вызывают кратковременный выброс дофамина, есть простое объяснение: дофаминовые нейроны отвечают за передачу удивления. И, что крайне важно, этот выброс всегда происходит сразу после неожиданного события Y и служит его временной отметкой.

Итак, ваш мозг засек, что в окружающем мире произошло нечто классное, и дофамин оповещает об этом остальные его участки. Теперь необходимо определить, не были ли какие-то ваши действия причиной такого поворота. При этом мозг как бы склеивает действие и результат, укрепляя локальную связь между ними.

Для этого нужно найти информацию о действии или действиях, которые произошли перед тем, как была зафиксирована информация о результате. В конце концов, связь может идти только от причины к следствию, а не наоборот. Допустим, в комнате зажегся свет — почему? Вряд ли потому, что вы отметили появление света особым ритуальным танцем на одной ноге и размахивали при этом мертвой курицей. Причина скорее в том, что у входа вы щелкнули выключателем (разумеется, той рукой, в которой курицы не было).

Основная задача кратковременных выбросов дофамина — отыскать среди недавних действий нужное. Когда по аксону начинает проходить электрический импульс, несущий сообщение нейронам-получателям, внутри нейрона начинается длительный процесс, при котором изменяются концентрации нескольких молекул, в частности кальция. Более того, активность на любом входящем соединении с этим нейроном также оставляет следы кальция, помечая этот вход как потенциально важный.

Действие дофамина проявляется и в месте соединения двух нейронов. Допустим, один нейрон отдал команду совершить действие, которое повлекло за собой определенный результат, а другой нейрон, соединившись с первым, сообщает: «Я в это время был активирован». Теперь в этом соединении закодирована информация: «Сделай то же самое, когда я снова буду активирован». Если отвечающий за действие нейрон возбуждается в ответ на активацию второго нейрона, то в нем останутся следы кальция. Они послужат напоминанием о том, что были задействованы именно это соединение и именно этот нейрон. При наличии кальция соединение между этими нейронами усилится благодаря дофамину. Таким образом, мысль «сделай то же самое, когда я снова буду активирован» усиливается только в том случае, если оба нейрона будут активированы в нужное время.

Еще более удивителен тот факт, что причинность встроена в сами правила, по которым изменяется сила соединений между двумя отдельными нейронами. Видимо, соединение между нейронами A и B запоминает, в каком порядке они были задействованы. Если нейрон A активируется прямо перед нейроном B, значит, он мог логически привести к активации последнего. Это соединение помечается кальцием, и в дальнейшем эта связь может усилиться.

Но в случае, если нейрон A активируется сразу после нейрона B, причиной активации В он уже быть не может. Наоборот, такое соединение нужно будет ослабить, поскольку в случае чего активация нейрона A помешает нейрону B. Если нейрон А активируется задолго до или спустя продолжительное время после нейрона В, сила соединения не изменится. И правда, по всей видимости, правила изменения силы соединения предназначены специально, чтобы обучить мозг устанавливать причинные связи.

Так мозг решает проблему соотнесенности действия с результатом. Он находит действие X, которое послужило причиной результата Y, путем трансляции сигнала о том, что за пределами Мозга случилось что-то необычное, а также с помощью временной отметки этого события. Этот сигнал будет принят лишь в том месте, где только что был активирован отвечающий за действие нейрон. Определяется это по молекулярным следам, которые остаются после активации. Теперь, если это соединение снова сработает, нейроны действия X с большей вероятностью будут активированы. Это значит, что сам человек в схожей ситуации с большей вероятностью выполнит именно действие X. Вот как мы определяем, действительно ли X вызывает Y, и настраиваем свое понимание внешнего мира.

Остается решить проблему соотнесенности действия с исполнителем, и теперь сделать это стало проще. Как мозг понимает, что вы не имеете никакого отношения к происходящему? Дофаминовый сигнал не обнаруживает в нейронах следов активности. Отсутствие следов означает: «Я здесь ни при чем».

Однако может случиться и так: отвечающие за действие нейроны активировались непосредственно перед результатом, но не были его причиной. Вот почему действие нужно повторить. Если действие X намеренно повторяется и не вызывает результат Y, то нет и никаких доказательств, что между ними есть связь.

Принципы, по которым мозг устанавливает причинные связи — одно из основных направлений работы современной нейронауки, однако в целом эта сфера остается таинственной и малоисследованной. Элементы теории восприятия причинных связей время от времени всплывают в литературе, но сами авторы не акцентируют на этом внимание. Значит, в этой области гипотетически можно совершить множество открытий, учитывая то, как много в ней вопросов, на которые еще не найден ответ. Давайте разберем один из таких вопросов. Как мозг использует в будущем полученную информацию?

Восприятие причинных связей основано на идее, что наш мозг использует прогностическую модель устройства мира. Если так, то у нас должна быть и инвертированная модель, отвечающая на вопрос «Как изменить мир?». Мы можем сказать: «Мне нужен результат Y», и с помощью обратной модели найти необходимое «действие X», которое приведет к искомому результату.

Это значит, что нам нужно постоянно адаптировать две модели: прогностическую (если сделать так, в мире изменится вот что) и инвертированную (чтобы нечто в мире изменилось, нужно сделать вот так). Весьма вероятно, что за настройку каждой из этих схем отвечает дофамин. Но где происходит сама адаптация? Эти модели меняются вместе или по отдельности? Мы и понятия об этом не имеем. Сколько разных моделей внешнего мира создает мозг, как они взаимодействуют друг с другом и как дополняются — все это вопросы без ответов.

Способность устанавливать причинные связи методом проб и ошибок наблюдается у разных видов. Не только у животных, но и у птиц. Эта способность связывает отдельные события в последовательность: если я совершу действие X, за ним последует результат Y. Некоторые виды могут устанавливать причинные связи через подражание. Наблюдая за сородичами, лазоревки обыкновенные из семейства синицевых могут научиться отвинчивать крышки молочных бутылок (серьезно, этих птичек лучше не бесить).

Но у человека есть одно преимущество — язык. Благодаря ему нам больше не нужно тратить силы на бесконечные наблюдения за цепочками действий, ограничиваясь лишь собственным опытом. С помощью языка мы можем объяснять причинные связи и передавать их абстрактно: в книгах, журналах, документальных фильмах. Или в многочасовом гайде на YouTube о том, как перебрать восьмицилиндровый двигатель. Мы можем записывать наши наблюдения, оставляя пробелы там, где в цепочке между X и Y не хватает звеньев (это называется «наука»). Мы можем делиться информацией и находить причинные связи в больших масштабах и в более крупных выборках, чем те, что доступны отдельному человеку.

Тот факт, что люди установили причины таких комплексных явлений, как вымирание видов или глобальное потепление, свидетельствует о нашей способности постигать мир за пределами индивидуального опыта. Только человеческий мозг способен понять не только то, что вызвал сам, но и то, что вызвали все мы.

Mark HumphriesАвтор: Марк Хамфрис.
Оригинал: Medium.

Переводили: Дина Некрасова и Екатерина Берёзко.
Редактировали: Александр ИванковИлья СилаевСергей Разумов.