31 октября 2007, 13:12 Наука Размер текста А А А

Тысяча макак заменяет калькулятор

Клетки мозга обезьян специализируются на разных цифрах

Пётр Смирнов Обезьяны могут не только понимать цифры, но и способны запоминать их. По мнению учёных, за понятие числа отвечают отдельные нейроны, а значит, счёт в каком-то смысле встроен в мозг на самом низком уровне.

Учёные под руководством Андреаса Нидера из немецкого Тюбингенского университета показали, что обезьяны вполне способны запоминать цифры и правильно идентифицировать соответствующие этим цифрам количества предметов. Для доказательства этого они воспроизвели простейший опыт по выработке условных рефлексов, разработанный еще в позапрошлом веке Иваном Михайловичем Сеченовым и его учеником нобелевским лауреатом Иваном Петровичем Павловым.

Высшая нервная деятельность деятельность коры больших полушарий головного мозга и ближайших к ней подкорковых образований, обеспечивающая наиболее совершенное приспособление (поведение) высокоорганизованных животных и человека к окружающей среде.

В работе русского физиолога И. М. Сеченова «Рефлексы головного мозга» (1863) впервые была высказана мысль о связи сознания и мышления человека с рефлекторной деятельностью головного мозга. Эта идея была экспериментально подтверждена и развита академиком И. П. Павловым, который является создателем учения о высшей нервной деятельности. Ее основой являются условные рефлексы.

«Вся биология»

В исследовании приняли участие макаки резус, которые анализировали изображения различных арабских цифр и точек, появляющихся на экране. Обезьяны должны были нажимать на рычаг, когда на экране появлялась соответствующая количеству точек цифра. За каждый правильный ответ обезьяны получали по стакану яблочного сока. Затем учёные повторяли тот же эксперимент, сначала демонстрируя цифру, а затем точки.

Известно, что обезьяны даже способны постигнуть азы арифметики, и в некоторых случаях — даже операцию умножения. Однако до сих пор не было понятно, как они это делают, и как именно счёт происходит в мозгу животного. Чтобы разобраться с этим вопросом, учёные подробно изучили двух обезьян, лучше всего «выполнивших счет» от одного до четырех. Их результаты изложены в последнем номере PLoS Biology.

Нидеру и его коллегам удалось разработать способ регистрации электрической активности отдельных нервных клеток у обезьян. Исследователи записывали ответ около 350 нейронов в нескольких зонах префронтальной коры макак, которой приписывается высшая нервная деятельность обезьянок.

Из 700 проанализированных нейронов у 160 появлялось четкое соответствие демонстрируемым «1» или «4».

Безусловные и условные рефлексы Все рефлекторные реакции организма на различные раздражители И. П. Павлов подразделил на две группы: безусловные и условные.

Безусловные рефлексы это врожденные рефлексы, передаваемые по наследству от родителей. Они являются видовыми, относительно постоянными и осуществляются низшими отделами центральной нервной системы - спинным мозгом, стволом и подкорковыми ядрами головного мозга. Безусловные рефлексы (например, сосательный, глотательный, зрачковый рефлексы, кашель, чихание и др.) сохраняются у животных, лишенных больших полушарий. Они образуются в ответ на действие определенных раздражителей. Так, рефлекс слюноотделения возникает при раздражении пищей вкусовых сосочков языка. Возникшее возбуждение в виде нервного импульса проводится по чувствительным нервам в продолговатый мозг, где находится центр слюноотделения, откуда оно по двигательным нервам передается слюнным железам, вызывая слюноотделение. На основе безусловных рефлексов осуществляются регуляция и согласованная деятельность разных органов и их систем, поддерживается само существование организма.

В изменчивых условиях окружающей среды сохранение жизнедеятельности организма и приспособительное поведение осуществляется благодаря образованию условных рефлексов с обязательным участием коры больших полушарий головного мозга. Они не являются врожденными, а образуются в течение жизни на базе безусловных рефлексов под воздействием определенных факторов внешней среды. Условные рефлексы строго индивидуальны, т. е. у одних особей вида тот или иной рефлекс может присутствовать, у других отсутствовать.

«Анатомия и физиология»

Например, отдельная клетка мозга может генерировать электрические импульсы только на цифру три и на три точки, но «молчит» на демонстрируемую двойку или единицу. Образуемые в головном мозге макак связи можно было бы считать простым условным рефлексом, если бы исследователи продемонстрировали только связь между определенной картинкой с точками и цифрой, воспринимаемой обезьянами тоже как картинка. Но ученые меняли не только форму, размер и расположение точек на экране, но и форму и размер демонстрируемых арабских цифр.

С исторической точки зрения, конечно, нашим дальним родственникам были бы ближе римские цифры, изобретенные еще задолго до появившейся в Европе в Х-ХI веке единичной системы счисления, пришедшей из Индии. Её отличительная особенность — наличие «нуля» — обозначения отсутствия чего-либо. Ведь если бы ученым удалось доказать способность обезьян понимать, это бы доказало наличие у приматов второй сигнальной системы, приписываемой только людям.

Первая и вторая сигнальные системы Сигнальной системой называют совокупность процессов в нервной системе, которые осуществляют восприятие, анализ информации и ответную реакцию организма. Академик И. П. Павлов разработал учение о первой и второй сигнальных системах.

Первой сигнальной системой он назвал деятельность коры больших полушарий мозга, которая связана с восприятием через рецепторы непосредственных раздражителей (сигналов) внешней среды, например световых, тепловых, болевых и т. д. Она является основой для выработки условных рефлексов, присущих как животным, так и человеку.

В отличие от животных человеку как социальному существу свойственна еще к вторая сигнальная система, связанная с функцией речи, со словом, слышимым или видимым (письменная речь). Слово, по И. П. Павлову, является сигналом для работы первой сигнальной системы («сигналы сигналов»). Например, действия человека (его поведение) будут одинаковыми как при произнесении слова «пожар!», так и при действительно наблюдаемом (зрительное раздражение) им пожаре. Образование условного рефлекса на основе речи является качественной особенностью высшей нервной деятельности человека.

Вторая сигнальная система сформировалась у человека вследствие общественного образа жизни и коллективного труда и выступала средством общения. Слово, речь, письмо являются не только слуховым и зрительным раздражителями, они несут также определенную информацию о предмете или явлении, т. е. определенную смысловую нагрузку. В процессе обучения речи у человека возникают временные связи между нейронами коры, воспринимающими сигналы от разных предметов, явлений, событий, и центрами, воспринимающими словесное обозначение этих предметов, явлений и событий, их смысловое значение. Вот почему у человека условно образованный рефлекс на какой-либо раздражитель легко воспроизводится без подкрепления, если этот раздражитель выразить словесно. Например, на словосочетание «утюг горячий!», человек отдернет руку и не коснется его. У собаки тоже можно выработать условный рефлекс на слово, но оно будет восприниматься ею как определенное звукосочетание без понимания смысла. Так, дрессированная собака, поднимающаяся на задние лапы при слове «служи», никак не будет реагировать на одинаковый по смыслу приказ «стань вертикально».

Развитие у человека речи повысило его способность отражать явления внешней среды, накапливать и использовать опыт предыдущих поколений. В результате сформировалась свойственная только человеку форма отражения действительности, называемая сознанием. Человек с помощью слов, математических символов, образов художественных произведений может передавать другим людям знания об окружающем мире, в том числе и о самом себе. Благодаря слову (словесной сигнализации) у человека появилась возможность отвлеченно и обобщенно воспринимать явления, находящие свое выражение в понятиях, суждениях, умозаключениях. Например, слово «деревья» обобщает многочисленные породы деревьев и отвлекает от конкретных признаков дерева каждой породы.

Способность к обобщению и отвлечению служит основой мышления человека, являясь результатом функции всей коры мозга и в особенности ее лобных долей. Благодаря отвлеченному логическому мышлению человек познает окружающий мир и его законы. Способность к мышлению используется человеком в его практической деятельности, когда он ставит определенные цели, намечает пути реализации и достигает их. В ходе исторического развития человечества благодаря мышлению накоплены огромные знания о внешнем мире.

Таким образом, благодаря первой сигнальной системе достигается конкретное чувственное восприятие окружающего мира и познается состояние самого организма. С развитием у человека второй сигнальной системы достигает чрезвычайной сложности абстрактная аналитическая и синтетическая деятельность коры, проявляющаяся в способности делать широкие обобщения, создавать понятия, открывать действующие в природе законы. Поэтому поведение человека, контролируемое второй сигнальной системой, состоит из целенаправленных действий. Две сигнальные системы тесно взаимодействуют между собой, так как вторая сигнальная система возникла на базе первой и функционирует в связи с ней. У человека вторая сигнальная система преобладает над первой вследствие общественного образа жизни и развития мышления.

«Анатомия и физиология»

Нидер считает, что клетки мозга обезьян обладают способностью «настраиваться» на нужное значение. Более того, он верит в способность макак считать и дальше, чем до 4-х.

В тоже время, его коллега, Лиз Бреннон из Университета Дюка в Северной Каролине, согласна с результатами исследований, однако сомневается, что за каждое число отвечает отдельная клетка. «Может, у них и есть клетки для чисел от 1 до 4, — сказала она в интервью New Scientist. — Но вряд ли есть клетка, отвечающая за число 2017».

Где-то этот предел гарантированно должен появиться — ведь количество нейронов у человека ограничено, в то время как числовая ось предела не имеет. И человек умеет размышлять о числах, превосходящих количество нейронов в его мозге.