Человеку свойственно допускать ошибки. Но иногда их цена бывает слишком высокой. Что происходит с мозгом в тот момент, когда он ошибается, и можно ли предотвратить такую ситуацию? Ответы на эти вопросы ищет Владимир МАКСИМЕНКО (на снимке) — профессор лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Центра компетенций НТИ по направлению «Технологии компонентов робототехники и мехатроники», созданного на базе Университета Иннополис в Татарстане. Тема исследований молодого ученого «Физико-математические методы мониторинга перцептивной активности головного мозга для предсказания ошибок принятия решений» получила поддержку в виде гранта Президента России.
— Одна из основных функций мозга — обеспечение нашего взаимодействие с окружающей средой, — рассказывает Влпдимир Максименко. — Каждый день он обрабатывает разнообразную внешнюю сенсорную информацию: зрительные образы, звуки, запахи, вкусы, тактильные ощущения. Мозг интерпретирует эти сведения, принимает решения и формирует ответный набор действий.
Обработка сенсорной информации, известная как перцептивная активность (от английского perception — «восприятие»), включается сразу после того, как наши органы чувств получили информацию. Задача этого этапа — собрать необходимые сведения об объекте для его корректной интерпретации.
Следует отметить, что существуют внешние и внутренние факторы, которые влияют на перцептивный процесс, из-за чего мозг может некорректно интерпретировать сенсорные данные. Например, при управлении автомобилем в плохую погоду увеличивается риск не заметить знак или препятствие на дороге. Это внешний фактор.
Внутренний фактор — наше состояние. Уставший человек в большей степени подвержен ошибкам восприятия: он может легко перепутать два объекта, например, со схожими очертаниями или цветом. Поэтому изучение особенностей перцептивной активности под действием различных факторов не только важная задача для фундаментальной науки — это имеет социально значимые практические приложения.
После того, как мозг однозначно интерпретировал сенсорную информацию, запускается процесс принятия решения. При этом интегрируются сенсорные сведения, полученные извне, и те, что хранятся в нашей памяти. Например, выбирая овощи и фрукты в магазине, мы по внешнему виду, запаху и консистенции определяем спелость и принимаем решение относительно покупки.
Связи между получаемыми сенсорными данными и реальным состоянием продукта мы устанавливаем на основе опыта и полученных знаний, которые хранятся в нашей памяти. Со временем мозг собирает в памяти новые связи, помогающие принимать решения с использованием меньшей информации. Например, если часто покупать один и тот же фрукт, то по одному только внешнему виду начинаешь хорошо определять спелость — нет необходимости проверять, насколько он мягкий.
Как только решение принято, начинается формирование ответных действий — этот процесс называется «сенсомоторная интеграция». Неспелый фрукт мы откладываем в сторону, а спелый кладем в корзину.
— Что за методы мониторинга вы используете?
— На начальном этапе применяются традиционные способы анализа нейрофизиологических данных. Например, это методы частотно-временного анализа, позволяющие выявить, какие ритмы нейронной активности вовлечены в когнитивный процесс. Эти методы помогают разложить сигналы активности мозга на компоненты — ритмы мозговой активности. У каждого ритма своя характерная частота, которая отвечает за определенный когнитивный процесс. Например, альфа-ритм имеет частоту 8-12 герц и отвечает за подавление сенсорной информации: такой ритм преобладает, когда человек практически не воспринимает информацию извне. Скажем, когда мы закрываем глаза, то сразу же происходит увеличение амплитуды альфа-ритма в тех областях мозга, которые ответственны за обработку зрительной информации.
Бета-ритм имеет частоты 15-30 герц и отвечает за планирование движений, тета-ритм с частотой 4-7 герц — за взаимодействие между нейронами в различных областях мозга. На самом деле разных функций ритмов множество. Частотно-временной анализ позволяет установить роль ритмов в конкретном когнитивном процессе.
Также мы применяем методы статистического анализа. Они показывают различия между определенными величинами в разных состояниях. Например, можно сравнить мощность альфа-ритма при обработке визуальных стимулов в случаях, когда испытуемый сделал ошибку или ответил верно. Мы сравниваем время, затраченное на ответ, и число ошибок, которые человек делает, например, в начале и в конце эксперимента.
С помощью методов статистического анализа формируются нейрофизиологические маркеры — совокупность характеристик, которые позволяют отличить исследуемый когнитивный процесс от других типов активности мозга.
На следующем этапе необходимо найти эти нейрофизиологические маркеры в режиме реального времени. То есть, анализируя короткий фрагмент сигнала мозга, нам необходимо понять, соответствует ли он интересующей нас когнитивной активности или нет. Для этого мы разрабатываем оригинальные методы на основе спектрального анализа, теории сетей и машинного обучения.
— О каких именно ошибках при принятии решений идет речь?
— Мы предлагаем уникальную экспериментальную парадигму, созданную специально для этого эксперимента. Она сочетает влияние внутренних и внешних факторов. На экране монитора показываем простой визуальный стимул, имеющий две различные интерпретации — куб с видимыми внутренними гранями. Участник эксперимента интерпретирует куб как трехмерный объект, который направлен в левую или правую сторону. Его задача — как можно скорее определить направление и нажать на кнопку на пульте. По этим нажатиям мы определяем скорость принятия решения и его правильность.
Для учета влияния внешнего фактора меняем визуальный стимул таким образом, чтобы верный вариант был менее очевиден. В случае с кубиком мы увеличиваем яркость внутренних граней. Когда все внутренние грани прорисованы одинаково, определить направление становится гораздо сложнее.
В качестве внутреннего фактора рассматриваем усталость, которая может приводить к некорректному восприятию сенсорной информации и к неверным решениям. Для этого необходимо создать условия, в которых участник эксперимента решает одинаковую задачу в бодром состоянии и утомленный. Эксперимент проводим в течение часа — этого времени хватает для того, чтобы изрядно утомить его участника.
Для оценки усталости используем систему трекинга взгляда и регистрацию физиологических показателей. Анализируя полученные данные, мы видим, в каких условиях человек ошибался чаще всего. Это помогает выявить особенности нейронной активности, при регистрации которой мы используем неинвазивные электроды, прикрепляемые к поверхности головы. Для получения полной картины также регистрируем уровень кислорода в крови.
Наша гипотеза заключается в том, что состояние человека перед тем, как он увидел стимул, уже определяет вероятность ошибки. Если это так, то ошибку можно предотвратить. Сейчас мы показали, что в среднем предвестники ошибки действительно присутствуют в престимульном состоянии. Это состояние, которое предшествует действию человека. Дальше мы планируем проверить, возможно ли идентифицировать их для каждого конкретного стимула.
— Какое прикладное значение имеет ваша работа?
— Уникальность нашего проекта в том, что он направлен не на обнаружение активности мозга, связанной с ошибками восприятия, а на ее предсказание. То есть, анализируя активность пилота, диспетчера или оператора сложной установки перед тем, когда ему необходимо на основе читаемых показаний приборов принять важное решение, можно будет предугадать риск ошибки и предотвратить ее. Таким образом, результаты проекта могут быть использованы для разработки систем мониторинга и контроля состояния человека в тех сферах, где необходимо избежать риска критических ошибок, вызванных человеческим фактором.
— Мозг — сложнейший орган. Изучать его, наверное, очень нелегко?
— Одна из главных проблем в изучении мозга состоит в том, что в нем параллельно протекает огромное количество различных процессов. При этом каждая область мозга принимает участие чуть ли не во всех процессах одновременно. Однако если грамотно спланировать эксперимент, то удается минимизировать влияние большого числа процессов и сосредоточиться на изучении одного конкретного. Нейрофизиологи изучают механизмы нейронной активности, отвечающие за внимание, память, сон, двигательную активность, мыслительные процессы, и затем формируют целостную картину о том, как он работает в конкретных ситуациях.
Я уверен, что с развитием вычислительных технологий и методов нейровизуализации нам удастся получать и обрабатывать большие объемы экспериментальных данных. Сейчас можно следить за активностью отдельных нейронов в маленьком кусочке мозга. Исследователи стремятся к тому, чтобы отслеживать эти показатели сразу во всем мозге. Это позволит выявлять более общие закономерности, связанные с вовлечением нескольких когнитивных процессов одновременно. Постепенно мы должны прийти к полному пониманию работы мозга. Сложно сказать, как много времени это займет. Основываясь на тех результатах, которые ученые показывают сейчас, это может произойти, думаю, не раньше, чем через 20-30 лет.
— Академик Наталья Бехтерева говорила: «Я допускаю, что мысль существует отдельно от мозга».
— Я думаю, мысль все-таки формируется внутри мозга, но в этом участвуют как сознательные, так и бессознательные процессы. Фокусируя внимание на каком-нибудь объекте, мы также неосознанно захватываем много другой информации, которая затем обрабатывается мозгом и формирует соответствующие ассоциации. В результате в мозге хранится очень много информации, о которой мы даже не догадываемся. Эта информация впоследствии влияет на наши решения и действия. Получается, процесс формирования мысли или принятия решения мы контролируем не полностью.
Фирюза Янчилина
Нет комментариев