Современная нейробиология часто рассматривает мозг как совокупность специализированных систем. Такие функции, как внимание, восприятие, память, речь и мышление, связаны с определенными нейронными сетями, и ученые обычно изучают эти системы по отдельности.
Этот подход позволил совершить прорыв в науке. Однако он не смог в полной мере объяснить главную особенность человеческого мышления: как все эти отдельные системы объединяются в единый разум.
Исследователи из Университета Нотр-Дам задались этим вопросом. С помощью передовых методов нейровизуализации они изучили общую организацию мозга и то, как эта организация влияет на интеллект.
«Нейронаука весьма успешно объясняет, за что отвечают отдельные нейронные сети, но гораздо хуже справляется с объяснением того, как из их взаимодействия возникает единый целостный разум», — говорит Арон Барби, профессор психологии на факультете психологии Университета Нотр-Дам.
Общий интеллект и связанные с ним когнитивные способности
Психологи давно заметили, что такие навыки, как внимание, память, восприятие и речь, как правило, взаимосвязаны. Люди, которые хорошо проявляют себя в одной области, часто хорошо проявляют себя и в других. Эта закономерность известна как «общий интеллект». Она влияет на то, насколько эффективно человек учится, решает проблемы и адаптируется в академической, профессиональной, социальной и медицинской сферах.
На протяжении более ста лет эта закономерность свидетельствовала о том, что человеческое познание едино на глубинном уровне. Однако ученым не хватало четкого объяснения того, почему это единство существует.
«Проблема интеллекта не сводится к функциональной локализации» — говорит Барби, которая также руководит Центром нейровизуализации человека при Университете Нотр-Дам и Лабораторией нейробиологии принятия решений. — Современные исследования часто задаются вопросом, где в мозге зарождается общий интеллект, уделяя основное внимание определенной сети областей в лобной и теменной коре. Но более фундаментальный вопрос заключается в том, как интеллект возникает из принципов, управляющих глобальными функциями мозга, — как распределенные сети взаимодействуют и коллективно обрабатывают информацию.
Чтобы изучить этот вопрос с более широкой точки зрения, Барби и его команда, в том числе ведущий автор и аспирант Нотр-Дама Рэмси Уилкокс, протестировали концепцию, известную как теория сетевой нейронауки. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Объяснение теории сетевой нейронауки
По мнению исследователей, общий интеллект — это не конкретная способность или ментальная стратегия. Скорее, это совокупность многих когнитивных навыков, которые положительно коррелируют друг с другом. Они предполагают, что эта совокупность обусловлена тем, насколько эффективно структурированы нейронные сети мозга и насколько хорошо они взаимодействуют друг с другом.
Чтобы проверить эту идею, команда исследователей проанализировала данные нейровизуализации и когнитивных способностей 831 взрослого человека, участвовавших в проекте «Коннектом человека». Они также изучили независимую группу из 145 взрослых, участвовавших в исследовании INSIGHT, которое финансировалось в рамках программы SHARP Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Сопоставив данные о структуре и функциях мозга, исследователи составили подробную картину крупномасштабной организации мозга.
Теория сетевой нейронауки рассматривает интеллект не как свойство отдельной области мозга или его функции, а как свойство мозга в целом. Согласно этой теории, интеллект зависит от того, насколько эффективно нейронные сети координируют и реорганизуют себя для решения различных задач.
Барби и Уилкокс называют это серьезным изменением точки зрения.
«Мы обнаружили доказательства того, что в мозге существует системная координация, которая является одновременно устойчивой и адаптивной, — говорит Уилкокс. — Эта координация не обеспечивает само по себе когнитивные функции, но определяет диапазон когнитивных операций, которые может выполнять система».
«В рамках этой концепции мозг рассматривается как сеть, поведение которой ограничено глобальными свойствами, такими как эффективность, гибкость и интеграция, — говорит Уилкокс. — Эти свойства не связаны с отдельными задачами или нейронными сетями, а являются характеристиками системы в целом, определяющими каждую когнитивную операцию, но не сводимыми ни к одной из них».
«Как только вопрос смещается с того, где находится интеллект, на то, как устроена система, — отметил Уилкокс, — эмпирические цели меняются».
Интеллект как координация работы всего мозга
Полученные результаты подтвердили четыре основных предположения теории сетевой нейронауки.
Во-первых, интеллект не сосредоточен в одной нейронной сети. Он возникает в результате обработки данных, распределенной между множеством сетей. Мозг должен распределять задачи между специализированными системами и при необходимости объединять их результаты.
Во-вторых, для успешной координации необходима тесная интеграция и связь на больших расстояниях. Барби описал «большую и сложную систему связей, которые служат своего рода «кратчайшими путями», соединяющими удаленные участки мозга и интегрирующими информацию в нейронные сети». Эти связи позволяют удаленным друг от друга участкам мозга эффективно обмениваться информацией, обеспечивая ее комплексную обработку.
В-третьих, интеграция зависит от нормативно-правовых областей, которые регулируют потоки информации. Эти центры помогают координировать работу различных сетей, подбирая подходящие системы для решения конкретных задач. Будь то интерпретация едва заметных подсказок, освоение нового навыка или выбор между тщательным анализом и быстрой интуитивной реакцией, эти нормативно-правовые области помогают управлять процессом.
Наконец, общий интеллект зависит от баланса между локальной специализацией и глобальной интеграцией. Мозг работает лучше всего, когда тесно связанные между собой локальные кластеры функционируют эффективно, сохраняя при этом короткие пути коммуникации с удаленными участками. Такой баланс способствует гибкому и эффективному решению проблем.
В обеих исследуемых группах различия в общем уровне интеллекта неизменно соответствовали этим крупномасштабным организационным особенностям. Ни одна отдельная область мозга или традиционная «интеллектуальная сеть» не объясняла полученные результаты.
«Общий интеллект становится заметным, когда когнитивные процессы координируются, — отметил Барбей, — когда множество процессов должны работать вместе в условиях ограничений системного уровня».
Значение для развития искусственного интеллекта и мозга
Полученные результаты важны не только для понимания человеческого интеллекта. Сосредоточившись на крупномасштабной организации мозга, мы смогли понять, почему разум функционирует как единая система.
Эта точка зрения также может объяснить, почему интеллект обычно развивается в детстве, снижается с возрастом и особенно уязвим при обширных повреждениях головного мозга. В каждой из этих ситуаций больше всего меняется масштабная координация, а не отдельные функции.
Полученные результаты также вносят свой вклад в дискуссии об искусственном интеллекте. Если человеческий интеллект зависит от организации на системном уровне, а не от одного универсального механизма, то для создания общего искусственного интеллекта может потребоваться нечто большее, чем просто масштабирование специализированных инструментов.
«Это исследование может подтолкнуть нас к размышлениям о том, как использовать конструктивные особенности человеческого мозга для развития искусственного интеллекта, ориентированного на человека и вдохновленного биологическими процессами», — сказал Барби.
«Многие системы искусственного интеллекта могут очень хорошо справляться с конкретными задачами, но им по-прежнему сложно применять свои знания в различных ситуациях, — говорит Барби. — Человеческий интеллект определяется этой гибкостью и отражает уникальную организацию человеческого мозга».
Исследование проводилось совместно с соавторами Бабаком Хемматианом и Лавом Варшнеем из Университета Стоуни-Брук.