связь мозга и интеллекта
Интеллектуальные способности зависят от связей в мозге
Всем хорошо известно, что одни люди умнее других, но что именно отвечает за эти различия? Долгое время считалось, что дело в конкретных областях мозга. Однако результаты нового исследования, о котором пишет Science Daily, показывают, что связи между отделами мозга не менее важны.
Читайте «Хайтек» в
Ученые исследовали нейробиологическую основу человеческого интеллекта с помощью функциональной МРТ и современных методов анализа сетей. В анализе использовались данные 300 человек. Как оказалось, у интеллектуалов одни области мозга более активно участвуют в обмене информации с остальным мозгом, а другие, напротив, слабее.
В 2015 году эта исследовательская группа уже опубликовала метаисследование, идентифицировавшее области мозга, особенности которых объясняли индивидуальные различия интеллекта (к ним относится, например, префронтальная кора). Однако до сих пор не было известно, как такие области взаимосвязаны между собой. В этом году появились первые работы, открывающие эту ранее неизведанную область. Так, выяснилось, что две области мозга, связанные с обработкой информации (передняя островковая доля большого мозга и передняя поясная кора) у более умных людей эффективнее связаны с остальным мозгом. Напротив, связь переходной зоны между височной и теменной долей, отвечающей за отсечение нерелевантной информации, была у интеллектуальных людей слабее.
Новый спектроскоп позволит заглянуть в мозг новорожденных
Новое исследование доказало, что мозг функционально организован в модули. Это немного напоминают структуру социальной сети, состоящей из нескольких подсетей. Очевидно, что члены одной семьи связаны друг с другом сильнее, чем с посторонними людьми. Наш мозг организован очень похожим образом: одним его области тесно связаны между собой, в то время как другие являются своеобразными «изгоями». Работа помогла узнать, как индивидуальные различия в интеллекте коррелируют с особенностями связей в мозге отдельных людей.
Свойства структуры мозга, характерные для более умных людей (одни области сильнее связаны с остальным мозгом, а другие — слабее) помогают им лучше сосредотачиваться игнорируя или подавляя отвлекающие факторы. Ученые предполагают, что уровень интеллекта одновременно связан и с биологической предрасположенностью, и с частым использованием мозга для решения сложных задач.
Шизофрения может оказаться заболеванием иммунной системы мозга
Возможно, в будущем степень интеллекта человека будет зависеть не от биологических особенностей или опыта, а от количества вживляемой электроники, которого он сможет себе позволить. По крайней мере, вживляемые импланты, улучшающие память на 30%, испытываются уже сейчас.
Нейробиология и искусственный интеллект: часть вторая – интеллект и представление информации в мозгу
Теперь, вооружившись новым знанем, можно порассуждать о том, каким образом транспорт ионов через мембраны приводит к интеллекту и сознанию. Правильного, полного и четкого ответа пока никто дать не может, так что будем рассматривать текущую ситуацию на примерах.
Хочу напомнить, что данная серия статей не претендует на детальное описание всех процессов, вовлеченных в когнитивную деятельность мозга, а является описательной, дабы дать интересующимся представление о принципах работы мозга, интеллекта и сознания.
И как же интеллект связан с деятельностью нейронов?
Рис. 1. Источник: UC Irvine, CA
Что же такое интеллект?
Вики: Интеллект (от лат. intellectus — понимание, познание) — это разум, рассудок, умственные способности: учиться из опыта, приспосабливаться, адаптироваться к новым ситуациям, применять знание, чтобы управлять окружающей средой или мыслить абстрактно (из Encyclopedia Britannica). Общая способность к познанию и решению проблем, которая объединяет все познавательные способности индивида: ощущение, восприятие, память, представление, мышление, воображение (из Словарь методических терминов).
Английская википедия дает сразу списком варианты определения интеллекта различными учеными и группами, среди которых наиболее интересными кажутся следующие:
философское:
— общая способность индивида к целенаправленному действию, рациональному мышлению и эффективному взаимодействию с окружением (David Wechsler).
— целенаправленное адаптивное поведение (Sternberg & Salter).
прикладное:
— результат процессов сбора, хранения, доступа, комбинирования, сравнения и использования в новых контекстах информации и умений (Lloyd Humphreys).
абстрактное:
— способность справляться с когнитивной сложностью (Linda Gottfredson).
антропоцентрическое:
— уникальная склонность человеческих существ изменять структуру их когнитивных функций для лучшей адаптации к меняющимся условиям жизненных ситуаций (Reuven Feuerstein).
Американская ассоциация психологов предлагает следующее определение (которое, по-моему, наиболее часто встречается в статьях):
“Индивиды отличаются один от другого в своей способности понимать сложные идеи, эффективно адаптироваться к окружающей среде, учиться из опыта, участвовать в различных формах размышлений, преодолении сложностей путем обдумывания” [1].
Получается, что точного определения нет, а чтобы что-то начать измерять, нужно это что-то детально себе представлять, и уж еще сложнее что-то сделать, у чего нет четкого ТЗ. Поэтому общую проблему интеллекта дробят на подзадачи и уже их пытаются решить, или найти области мозга, ответственные за них. Наиболее распространенный метод изучения функций какой бы то ни было области мозга – найти человека, у которого она не работает (инсульт был или повреждение) и посмотреть чего в его поведении не хватает. Потом результаты множества таких исследований собирают вместе и смотрят, что же получилось.
А получается, например, что общий интеллект (general intelligence – такая придуманная мера, основанная на результатах тестирования людей) не сосредоточен в какой-то одной области мозга, а вполне себе распределен по разным областям и соединениям между ними и “зависит от работы всего мозга” [2]. Это, в свою очередь, приводит нас к выводу, что способности мозга зависят от того, насколько мозг может интегрировать разрозненную информацию [2]. Что подтверждает выдвинутую ранее теорию [3] о связи интеллекта со способностью информации “путешествовать” по разным областям мозга (рис. 1). Таким образом, мало иметь возможность управлять вниманием, работать с памятью и языком, надо все это дело эффективно друг на друга завязать.
Однако, остается непонятно, а получится ли сильный ИИ (strong AI – концепция ИИ, аналогичного по способностям человеческому мозгу) если мы возьмем модули памяти, внимания, языка и т.д., и просто соединим их. И как их нужно соединять, чтобы начался тот самый процесс интеграции информации.
А что же есть информация с точки зрения мозга?
Рис. 2 Источник: cidpusa.org
Возьмем, например, глаз. В нем есть сетчатка, на которую проецируется текущее изображение. Сетчатка состоит из светочувствительных клеток (порядка 120 млн штук трубочек/палочек и колбочек), соединенных со зрительным нервом (через несколько слоев других нейронов) интересным способом (рис 2): заметьте, сначала свет должен пробиться через нервные волокна, а потом только зарегистрируется светочувствительными клетками. Из такой организации следует и природа слепого пятна.
А что же передается по зрительному нерву? А по нему уже передаются action potentials (АР), причем в виде серий импульсов. Причем, было замечено, что у большинства клеток есть свет с “любимой” длиной волны, который увеличивает частоту следования АР, в то время как свет другой длины волны – уменьшает частоту. Соответственно, есть клетки, которые любят более длинноволновое излучение, а есть – любящие коротковолновое [4]. Отсюда следует возможность видеть различные цвета (и, собственно, способ их кодировки). Тут стоит еще отметить, что в один нейрон оптического нерва вещают несколько светочувствительных трубочек и/или колбочек с определенной области (receptive field), причем сигналы из центра этой области и с ее периферии, как правило, антогоничны, т.е. если центр возбуждает нейрон, то периферия наоборот глушит. Получается, что в оптическом нерве как бы два информационных “канала”, один из которых отвечает усилением активности на сигналы светлее фона, а другой – на сигналы темнее фона. Такая организация позволяет реагировать не на общий уровень освещения (как в цифровых камерах), а на локальное изменение освещенности, тем самым повышая динамический диапазон (вот почему мы видим в HDR и откуда берут начало зрительные иллюзии, построенные на освещении).
На данном этапе только спектральные характеристики пришедшей картинки передаются, никакого анализа геометрии или распознавания образов.
Рис. 3 Зрительный тракт
По зрительному нерву все это богатство передается (рис. 3) через различные структуры мозга аж на самый затылок, где и находится зрительная кора (отсюда, кстати, удорился головой – посыпались звездочки). Что характерно, правая половина поля зрения с обоих глаз передается в левое полушарие, а левая половина поля зрения опять же обоих глаз – в правое, что позволяет в области перекрытия обрабатывать сигналы с обоих глаз в одном месте (рис. 4). Но и это еще не все. Часть нервов уходит в претектум (pretectum), который отвечает за рефлекторное сужение зрачков. Но не будем углубляться в схематику ортических сигналов, в конце концов нас же интересует что сам мозг со всем этим делает, что получается интеллект и продвинутая когнитивная деятельность?
Рис. 4 Зоны зрительного тракта
Так вот, до самого визуального кортекса (striate или visual cortex) информация так и идет, как она вышла из глаза, а вот уже в кортексе начинается что-то похожее на распознование взаимного расположения сигналов. Например, были найдены нейроны, активно отзывающиеся на угол наклона предъявляемого прямоугольника (рис. 5), на его длину, направление смещения и другие простейшие аттрибуты изображения. Причем, организация таких нейронов не случайна, а очень даже последовательна и логична (рис. 6) и составляет, как бы, карту из перемежающихся слоев. В результате получается, что визуальный кортекс состоит из повторяющихся модулей, которые могут оценивать определённую область поля зрения по целому набору свойств. И такая структура может быть найдена практически во всех областях кортекса (не только визуального, но и слухового и сенсорного). Кроме того, существует дополнительное разделение путей от lateral geniculate nucleus (LGN) до визуального кортекса, основанное на двух типах приходящих в LGN нейронов (M ganglion cells и P ganglion cells). Эти два вида нейронов имеют разный размер чувствительной области (у М клеток дендриты длиннее) и скорость передачи информации, в результате чего М клетки реагируют сильнее на быстрые стимулы, а Р клетки – на медленные, плюс к этому Р клетки могут передавать информацию о цвете, а М – нет. Значение этих двух путей таково: повреждение М клеток приводит к уменьшению способности реагировать на быстрое изменение ситуации не затрагивая при этом способность видеть в цвете, в то время как повреждения Р клеток существенно влияют на качество зрения, но не влияют на реакцию на быстрые раздражители. Есть еще третий путь – через К клетки, которые в основном передают информацию о коротковолновых стимулах, но про его роль известно меньше.
Рис. 5. Отклик нейронов в визуальном кортексе в зависимости от наклона изображения.
Рис. 6. Пространственная организация нейронов в визуальном кортексе, откликающихся на определнные стимулы.
Далее информация поступает в следующие области визуального кортекса (рис. 7), где происходит по-зонная частичная реорганизация и интеграция полученых сведений: например в зоне V4 нейроны откликаются на цвет независимо от движения или направления, а в зоне МТ (middle temporal area) – наоборт, нейроны откликаются исключительно на направление движение края объекта, независимо от его цвета.
Рис. 7. Зоны визуального кортекса.
Повреждения в таких областях приводят к специфическим ощущениям у пациентов. Например, повреждение в зоне МТ приводит к “двигательной слепоте” – невозможности видеть движение: пациент описывал текущий из чайника чай, как замороженый. То есть нейроны до МТ вполне себе обрабатывают полное изображение и человек, вообще говоря, видит все поле зрения, но интеграции двигательной информации в общую картину не происходит и она теряется из сознательного восприятия. Интересный момент в том, что бессознательно такая информация может таки обрабатываться. Известны случаи, когда из-за инсульта в высокоуровневых зонах визуального кортекса человек фактически слеп, но при этом двигаясь по комнате он довольно успешно обходил предметы. Это случалось потому, что хоть пути к сознательной обработке информации были повреждены, связи между моторной и визуальной областями затронуты не были и рефлекторно человек принимал правильные решения, хотя сам объяснить их не мог.
Вот таким замысловатым образом информация достигает мозга и обрабатывается им. И вопросов тут, конечно, больше чем ответов, но, надеюсь, мне удалось хоть немного пролить свет на работу мозга и принципы обработки и интеграции информации.
[1] Intelligence: Knowns and unknowns, Neisser et al., American Psychologist, 1996, 51(2), 77–101.
[2] Distributed neural system for general intelligence revealed by lesion mapping, Glascher et al., PNAS, 2010, 107:10, 4705-4709.
[3] The Parieto-Frontal Integration Theory (P-FIT) of intelligence: Converging neuroimaging evidence, Jung et al., Behavioral and Brain Sciences, 2007, 30, 135-187.
[4] Neural mechanisms of colour vision, De Valois et al., Comprehensive Physiology, 2011, 425-456.
Если люди такие умные, то почему мозг становится меньше?
Вероятно, вы этого не знали, но существует несколько теорий о том, почему человеческий мозг становится все меньше начиная с каменного века. Изменения, произошедшие в ходе эволюции Homo Sapiens за последние 20 000 лет привели к уменьшению объема мозга с 1500 до 1350 см3. Примечательно, что подобные изменения наблюдались на всех континентах нашей планеты. По мнению некоторых исследователей, если наш мозг продолжит сокращаться такими темпами в течение следующих 20 000 лет, то начнет приближаться к размеру, обнаруженному у Homo erectus – предка человека, который ходил по Земле полмиллиона лет назад. Объем мозга Homo erectus не превышал 1100 см3. Но значит ли это, что как вид мы становимся глупее?
За последние 20 тысяч лет размер человеческого мозга уменьшался. Но о чем это говорит?
Размер мозга и интеллект
Если предположить, что люди с большим мозгом от природы умнее, чем все остальные, то как объяснить разницу в размерах? Сегодня ученые полагают, что человеческий мозг достигает наибольшего размера, когда нам исполняется от тридцати до сорока лет. Как показали результаты МРТ-сканирования, общий объем мозга слабо связан с интеллектом. Как пишет Scientific American, когда определенные участки мозга у одного человека больше или толще, чем у другого, например, височная, теменная и лобная области, это, как оказалось, связано с небольшим повышением интеллекта.
В среднем люди с большим мозгом действительно немного умнее, чем те, у кого самый сложный орган меньшего размера. Однако делает ли человека умнее сам факт наличия большего мозга определено не было. Возможно, усиленное мышление может привести к более крупному мозгу, но это проблема по-прежнему не решена. Вообще, когда речь заходит о мозге и интеллекте, нейробиологи полагают, что люди с более высоким интеллектом, как правило, имеют более сложную клеточную и молекулярную организацию нейронных связей по сравнению с другими. Это можно увидеть, когда смотришь на мозг под микроскопом.
Средний размер мозга человека приблизительно равен 1274 кубическим сантиметрам
Исследователи также считают, что более высокий интеллект коррелирует с большим объемом лобной доли и большим объемом тел нервных клеток и синапсов, а не с размером мозга.
Но какие еще факторы оказывают влияние на размер мозга? Гены, ожидаемо, не остались в стороне. Так, согласно результатам проведенных исследований, вариации в гене HMGA2 были связаны с более высоким IQ. Этот ген отвечает за кодирование белка, который помогает регулировать транскрипцию ДНК, а также рост клеток мозга.
Что такое интеллект?
Одним из ключевых компонентов изучения связи – если таковая имеется – между размером мозга и интеллектом является то, как мы определяем «интеллект». Как правило, ученые измеряют его в соответствии с коэффициентом интеллекта, или тестом IQ. Однако вопрос о том, действительно ли тесты IQ являются надежным критерием определения умственных способностей вот уже многие годы является причиной горячих споров в академическом сообществе. Одной из распространенных точек зрения является та, согласно которой вместо размера мозга человеческий интеллект может быть связан с тем, насколько эффективно различные части мозга работают вместе и как каждый индивидуум использует эту силу в жизни. То, как мы были воспитаны, возможности, которые у нас были может сыграть важную роль в развитии сложной сети, которую мы называем «интеллект».
Вопрос о том, связан ли интеллект с размером мозга человека остается открытым многие десятилетия
Homo Sapiens с самым большим мозгом жил 20 000-30 000 лет назад в Европе. Их называли кроманьонцами и у них были массивные, выступающие вперед челюсти с большими зубами. Результаты широко цитируемого исследования показали, что отношение объема мозга к массе тела — обычно называемое коэффициентом энцефализации, или эквалайзером — было таким же для кроманьонцев, как и для нас. Это может означать, что наши предки обладали такими же когнитивными способностями, как и мы.
Сегодня многие антропологи пересматривают эту точку зрения. Недавние исследования человеческих окаменелостей показывают, что мозг уменьшался быстрее, чем тело. Более того, анализ генома ставит под сомнение представление о том, что современные люди – это просто более изящные «версии» наших предков, вплоть до наших мыслей и чувств. В течение того самого периода, когда мозг становился меньше, наша ДНК накапливала многочисленные адаптивные мутации, связанные с развитием мозга и нейромедиаторных систем — признак того, что когда орган становится меньше, его внутренняя работа меняется. Влияние этих мутаций остается неопределенным, но многие исследователи полагают, что в результате эволюционных изменений, изменился и наш темперамент и способность рассуждать.
На самом деле ситуация такова, что ведущие мировые эксперты на самом деле не знают, почему самый сложный орган человеческого тела, напрямую связанный с интеллектом, становится меньше. Однако после длительного игнорирования этого вопроса некоторые исследователи признали, что это достаточно важный вопрос, а исследования необходимо продолжать. Они даже сделали некоторые смелые, хотя и предварительные выводы.
Еще больше интересных статей о том, какие оптические иллюзии мы видим и почему, читайте на нашем канале в Google News
Изменение климата и Идиократия
В поисках объяснения постепенного уменьшения мозга некоторые исследователи указывают на постепенное изменение климата Земли, которое началась 20 000 лет назад. Поскольку большие тела лучше сохраняют тепло, большая черепная коробка, возможно, лучше справляется с более холодным климатом. По мере того как планета нагревалась, естественный отбор, вероятно, благоприятствовал людям более низкого роста.Так как скелеты и черепа уменьшались с ростом температуры, мозг становился все меньше. Однако сегодня это – лишь одно из возможных объяснений. Дело в том, что сопоставимые периоды потепления происходили на нашей планете много раз за предыдущие 2 миллиона лет, а размер тела и мозга регулярно увеличивался.
Кадр из фильма «Идиократия»
Другая популярная теория приписывает произошедшие изменения появлению сельского хозяйства, которое, как это ни парадоксально, первоначально привело к нехватке питания. Первые фермеры не очень преуспевали в том, чтобы зарабатывать себе на жизнь с земли, а их зерновая диета была лишена белка и витаминов, что критически важно для роста тела и мозга. В итоге, из-за хронического недоедания наше тело и мозг могли стать меньше. Однако многие антропологи скептически относятся к этому объяснению, что приводит нас к, пожалуй, самому неприятному выводу: лучшим объяснением уменьшения размера нашего мозга является теория Идиократии, как нельзя лучше описанная в одноименном фильме 2006 года.
Фильм рассказывает историю простого парня, который становится вовлеченным в эксперимент по гибернации на заре 21-го века. Когда он просыпается 500 лет спустя, то оказывается самым умным человеком на планете. Какой бы безумной не выглядела эта теория, многие исследователи всерьез полагают, что Идиократия уже наступила. А что вы думаете по этому поводу? Ответ будем ждать здесь!
Интеллект зависит не от строения мозга, а от динамики его развития
Толщина коры больших полушарий головного мозга у людей разного интеллектуального уровня примерно одинакова, однако динамика ее изменения с возрастом существенно различается. У очень умных детей в период от 6 до 10 лет толщина коры быстро увеличивается, достигая максимума к 11 годам, а затем начинает уменьшаться. У «просто умных» детей кора утолщается медленнее, и уже к 8-9 годам рост сменяется снижением. У детей со средними способностями в 6 лет кора толще, чем у их более интеллектуальных сверстников, однако в дальнейшем она лишь утончается.
Несмотря на большие успехи нейробиологии в последние десятилетия, извечный вопрос о том, почему одни люди умнее других, по-прежнему остается без ответа. Попытки найти корреляцию между интеллектуальным уровнем и степенью развития тех или иных отделов мозга, конечно, предпринимались, но четких результатов не дали. Общий объем мозга оказался очень слабо связан с интеллектуальным уровнем (хотя положительная корреляция все-таки прослеживается; r = 0,3). Поэтому появилось предположение, что различия в интеллектуальном уровне, возможно, определяются не столько строением мозга взрослого индивидуума, сколько динамикой его развития в детском и подростковом возрасте, то есть тем, когда, в какой последовательности и с какой скоростью происходят изменения абсолютных и относительных размеров различных частей мозга, в первую очередь — коры больших полушарий.
Именно это предположение и решила проверить группа ученых из США и Канады.
Исследователи измерили при помощи магнитно-резонансной томографии толщину коры у 307 детей и подростков (от 5 до 16 лет), сопоставив полученные данные с результатами тестов на интеллект (IQ). Тесты, разумеется, проводились с учетом возраста каждого ребенка. По итогам тестирования детей разделили на три группы, примерно равные по численности: 1) «очень умные» (IQ = 121–149), 2) «просто умные» (IQ = 109–120), 3) «средние» (IQ = 83–108).
Исследование основывалось на имеющихся данных о том, что из умных детей обычно вырастают умные взрослые, и наоборот (эта корреляция была установлена ранее рядом исследователей). Конечно, можно проследить изменение толщины коры у одного и того же ребенка в течение всего детства и юности, но на это, как нетрудно догадаться, требуется немало лет. В столь высококонкурентной области, как изучение мозга, исследователи не могут позволить себе такую роскошь. Поэтому в данном случае величина IQ, измеренная у ребенка, рассматривалась просто как константа, которая не будет меняться с возрастом. На этой основе принималось, что расположенные в ряд замеры толщины коры у разновозрастных детей с одинаковым IQ показывают, как меняется этот показатель с возрастом у людей с данным интеллектуальным уровнем.
Оказалось, что у «очень умных» детей кора больших полушарий развивается наиболее динамично (см. рис.): сначала толщина коры быстро растет, затем (начиная с 12 лет) довольно быстро снижается. Максимальная толщина коры наблюдается в одиннадцатилетнем возрасте. У «просто умных» и увеличение, и последующее уменьшение толщины коры происходят медленнее, а максимум достигается в 8,5 лет. У «средних» наблюдалось лишь медленное уменьшение толщины коры.
Авторы заключают, что интеллектуальный уровень, по-видимому, связан не с «количеством серого вещества» в тех или иных отделах коры, а с тем, как развивается мозг в детстве и юности.
Источник: P. Shaw, D. Greenstein, J. Lerch, L. Clasen, R. Lenroot, N. Gogtay, A. Evans, J. Rapoport, J. Giedd. Intellectual ability and cortical development in children and adolescents // Nature. 2006. V. 440. P. 676-679.