Что представляет собой процесс мышления? В экспериментальной психологии давно существует мнение, что мыслительные операции являются отражением процессов, происходящих в реальном мире. Так, например, прежде чем пронести стул в дверь, человек вначале как бы разрабатывает план этой процедуры, совершая ее мысленно. Недавно удалось получить непосредственное изображение такого «аналогового» мыслительного процесс а в виде меняющейся картины активности нервных клеток мозга обезьяны.
В статье, опубликованной в журнале «Science», А. Георгопулос с сотрудниками из Медицинской школы Университета Джонса Гопкинса описывают эксперимент, в котором обезьяне, чтобы решить задачу, нужно мысленно совершить операцию, аналогичную физическому вращению. При появлении света в центре круглого экрана обезьяна должна была схватить рукоятку. Затем свет в центре экрана угасал, но в произвольной точке на периферии экрана загорался новый. Животное было обучено двигать рукоятку в направлении второго светового пятна, если оно было тусклым, а если ярким, то следовало двигать рукоятку в точку, отстоящую от светового пятна на 90/o против часовой стрелки (т. е. если, например, второй раз свет возникал в точке, соответствующей 12 часам на циферблате, надо сдвинуть рукоятку в точку, соответствующую 9 часам).
На основании данных, полученных при изучении поведения человека, Георгопулос и его коллеги предположили, что для решения описанной задачи обезьяна сначала должна представить себе «вектор движения» и мысленно повернуть его на 90/o против часовой стрелки от положения предъявленного светового стимула. Каким образом может быть представлен в мозгу такой вектор движения и как его можно выявить?
Источником ответа на этот вопрос стали результаты проведенного ранее исследования, в котором Георгопулос с группой других сотрудников зарегистрировали в коре мозга обезьяны электрическую активность нескольких сотен нейронов, когда животное двигало рукой в различных направлениях. Изменения импульсной активности этих клеток свидетельствовали, что для каждого нейрона есть некое предпочтительное направление движения руки, когда частота его пульсации увеличивается наиболее сильно.
Однако любое движение руки сопровождал ось изменением активности многих нейронов с предпочтением к различным направлениям. При этом у тех клеток, которые «настроены» на направления, близкие к вектору совершаемого движения, частота пульсации изменялась наиболее сильно, а в нейронах, настроенных на другие направления, наблюдались пропорционально меньшие изменения. Таким образом, направление совершавшегося движения руки отражалось в «коллективной» активности многих нейронов с разными функциональными характеристиками.
Когда исследователи представили изменение частоты импульсации каждого нейрона в виде вектора, имеющего «предпочитаемое» этим нейроном направление, сумма векторов - «групповой вектор» - в точности совпала с направлением движения руки. Притом этот вектор формировался в мозгу животного до того, как совершалось движение. Иными словами, можно говорить о «нейронном образе» предстоящего движения. Такой образ предположительно должен изменяться (поворачиваться), если будет решаться новая задача. Для проверки этого предположения ученые регистрировали активность 102 нейронов моторной коры обезьяны и определяли «предпочитаемые» ими направления движения.
Во всех опытах через каждые 10 мс, начиная с момента появления на экране света, рассчитывался также суммарный для этой группы нейронов вектор. В тех случаях, когда световое пятно было тусклым и обезьяна соответственно двигала рычаг в направлении светового стимула, групповой вектор, выявлявшийся в активности нейронов до совершения движения, неизменно оказывался направлен на цель движения. А при предъявлении яркого света групповой вектор, сначала направленный на световой стимул, поворачивался против часовой стрелки на 90/о в направлении, отвечавшем правильному решению задачи. В процессе этого решения животное, по-видимому, мысленно поворачивало вектор движения.
Подобно физическому вращению в реальном мире, мысленное вращение было непрерывным и поддавалось количественной оценке. Направление суммарного вектора изучаемой группы нейронов всякий раз изменялось приблизительно за 100 мс до того, как обезьяна начинала двигать рычаг, скорость его вращения в среднем составляла около 730/о с. По словам Георгопулоса, полученные результаты впервые наглядно демонстрируют когнитивный процесс, который, вероятно, аналогичен тому, что происходит в мозгу человека. Георгопулос и его сотрудники надеются, что изучение таких векторов позволит в скором времени получить столь же точные изображения и других форм пространственного мышления.
