О, мой мозг: когнитивные исследования в вузах

Человеческий мозг — одна из главных загадок для современной науки. Наиболее эффективный подход для изучения его работы — междисциплинарные исследования на стыке когнитивной психологии и лингвистики, нейрофизиологии, теории познания и теории искусственного интеллекта. В одной из лабораторий, которые занимаются подобной работой, побывала «Учёба.ру».
Катя Убодоева
02 июня 2016
Фото: Cristina Coral

Лаборатория когнитивных исследований НИУ ВШЭ, экскурсия в которую была организована при содействии просветительского фонда «Эволюция» (организации, созданной в 2015 году для популяризации науки, научного и рационального мышления — Прим. ред.), располагается на станции метро «Текстильщики». В будущем, говорят сотрудники университета, планируется ее переезд в центр Москвы. Сегодня здесь обучают студентов по программе магистратуры «Когнитивные науки и технологии: от нейрона к познанию», проводят исследования, а также ставят любопытные эксперименты с использованием ТМС-установок, систем навигации по МРТ-карте мозга, айтрекера, многоканального электроэнцефалографа и электродной шапки.

Как воздействовать на мозг

В ходе одного из экспериментов ученым «Вышки» удалось заставить человека острее реагировать на несправедливость за счет использования прибора магнитной стимуляции мозга. Во время другого — «отключить» речевой аппарат испытуемого. А в ходе третьего получилось улучшить математические способности подопытного. Работники университета говорят, что все опыты, которые они ставят в стенах лаборатории, для их участников абсолютно безвредны. При этом, как правило, ученые используют неинвазивные методы, то есть работают без прямого проникновения в черепную коробку.

Один из самых простых способов стимулировать активность мозга — легкие электрические разряды, ведь этот орган работает в том числе и за счет электричества. Во время процедуры на голову участника эксперимента надевается шапочка с электродами. В тканях мозга нет болевых рецепторов, поэтому человек не испытывает никаких неприятных ощущений — совсем не так, как когда на кожу попадает заряд статического электричества с одежды.

Тем не менее, ток, к сожалению, плохо проходит сквозь стенки черепа, а потому ученые нередко обращаются к другому способу воздействия — магнитной стимуляции. Она позволяет «проникнуть» в мозг чуть глубже: оценить работу участков коры, которые, к примеру, отвечают за движение или восприятие той или иной информации. Однако и за счет магнитной стимуляции нельзя «добраться» до областей, залегающих особенно глубоко, — например, тех, что участвуют в процессе «создания» агрессии или удовольствия. А потому специалисты в ходе исследований часто применяют магнитную стимуляцию вместе с электроэнцефалографом — прибором, который позволяет фиксировать, а не провоцировать электрическую активность мозга. В медицине он традиционно используется при диагностике эпилепсии и других заболеваний.

Виртуальная модель человеческого мозга. Фото: Дмитрий Агапов

«Один из наиболее эффектных результатов воздействия транскраниальной магнитной стимуляции на мозг человека — это влияние на речевую функцию. Только представьте, что вашу речь, оказывается, могут заблокировать» профессор и ведущий научный сотрудник НИУ ВШЭ Василий Ключарев

Чтобы можно было работать с определенными областями мозга, ученые используют так называемую навигационную систему. Иногда участник эксперимента сначала проходит процедуру МРТ, в ходе которой составляется трехмерная карта его мозга, а иногда ученые используют усредненную модель расположения важных зон, которая хранится в их архивах и как бы «натягивают» на голову испытуемого. Синхронизация происходит по нескольким точкам: сначала исследователь «показывает» компьютеру, где располагаются заданные в системе места, а затем происходит процесс создания более детальной модели.

Исследователи НИУ ВШЭ строят карту мозга участника эксперимента. Фото: Дмитрий Агапов

Несмотря на то, что эксперименты по воздействию на мозг кажутся фантастикой, они проводятся достаточно давно. В основе методики лежит принцип электромагнитной индукции, изобретенный ученым-экспериментатором Майклом Фарадеем. Эксперименты по стимуляции мозговой активности ставили еще в конце XIX — начале XX вв. Одним из первых возможности использования переменного магнитного поля здесь обнаружил Жак Арсен д’Арсонваль. В 1896 году ему удалось добиться появления у участников эксперимента фосфонов — образов сияющих точек и фигур, возникающих в темноте без воздействия света. А в начале XX века психиатры Адриан Полачек и Бертольд Беер запатентовали методику лечения депрессии и неврозов при помощи электромагнитного устройства.

В 1985 году профессор Энтони Баркер и группа его коллег из Шеффилдского университета выяснили, что короткие магнитные импульсы могут вызвать у человека непроизвольное сокращение мышц рук и ног. Уже спустя несколько лет благодаря своему открытию они смогли разработать технологию транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) — ее название дословно переводится как «стимуляция через череп». Трудились над аналогичным методом и в России: здесь его разрабатывала группа ученых из Института физиологии им. И.П. Павлова РАН во главе с нейрофизиологом Валерием Лебедевым.

Модель расположения нейронов. Изображение: loni.usc.edu

Сегодня транскраниальную магнитную стимуляцию используют для лечения множества болезней и патологических состояний — депрессии, болезни Паркинсона, рассеянного склероза, мигреней, шума в ушах, писчего спазма и других. С помощью ТМС также можно восстановить двигательные функции после инсульта или когнитивные нарушения, возникшие в результате болезни Альцгеймера, причем эффект от процедур наступает уже после десяти сеансов ТМС.

«Серьезная депрессия — это гормональное состояние. Сначала человек испытывает психологическую депрессию, и ему просто плохо, а дальше мозг способен адаптироваться и приспособиться к этому состоянию, тогда происходят нейрохимические изменения. В таких серьезных случаях могут назначить ТМС» старший научный сотрудник НИУ ВШЭ Евгений Благовещенский

За вами следят

С помощью окулографии (отслеживания движений глаз) исследователи могут понять, на что человек чаще обращает внимание и как он воспринимает визуальную информацию. Айтрекинг (от англ. «eye-tracking») можно использовать не только в маркетинге — например, для составления портрета потенциального покупателя, — но и в медицинской диагностике, когнитивной лингвистике, психологии, а также при создании интерактивных компьютерных систем.

Потенциал айтрекинга уже оценили IT-гиганты вроде Google и Microsoft. Первая компания запатентовала использование такого прибора в Google Glass, а корпорация Билла Гейтса планирует в ближайшем будущем начать выпуск устройств с возможностью вводить текст взглядом. Такую технологию в Microsoft уже использовали — в рамках разработки высокотехнологичного кресла для экс-футболиста Стива Глисона, у которого диагностировали боковой амиотрофический склероз. Интересно, однако, что в кресле всемирно известного физика Стивена Хокинга, которое спроектировала компания Intel, установлены не айтрекеры, а датчики, считывающие движения мышцы щеки.

Подобное оборудование стоит десятки тысяч долларов. Фото: Дмитрий Агапов

Первопроходцем в области окулографии считается врач Луи Эмиль Жаваль. В 1879 году он обнаружил, что во время чтения глаз человека двигается немонотонно и совершают не только остановки (Жаваль назвал их «фиксациями»), но и соединяющие движения — «саккады». Исследование Жаваля поставило перед учеными несколько интересных вопросов — к примеру, на каких словах и как долго мы концентрируем внимание и почему иногда возвращаемся к прочитанному.

В начале XX века психолог Эдмунд Хью создал первый айтрекер. Он напоминал контактную линзу, в которой было отверстие для зрачка. Прибор Хью соединялся с указкой из алюминия, способной двигаться вместе с глазным яблоком. А первое неинвазивное устройство для записи движения глаз разработали американские исследователи Гай Томас Бушвелл и Чарльз Джадд. Они использовали светочувствительную пленку, которая позволяла фиксировать отражения световых лучей от глазного яблока.

«Глаза никогда не находятся на одном месте. к ним подсоединены мышцы, которые, пожалуй, являются самыми быстрыми в человеческом организме. Даже когда человек фиксирует свой взгляд на одном предмете, его глаза все равно подвержены окулярному дрифту, тремору и другим явлениям» аспирант НИУ ВШЭ Михаил Походай

С тех пор прошло больше сотни лет, и технология айтрекинга постоянно совершенствовалась и дополнялась новыми открытиями. В середине XX века советский исследователь Альфред Ярбус писал о взаимосвязи между мотивацией человека и фиксациями его глаз. В 1980 году ученые П.А. Джаст и М.А. Карпентор выдвинули гипотезу о том, что процесс мышления связан с движением глаз, и фиксации отражают когнитивные процессы — то, о чем испытуемый думает в данный момент.

Один из самых известных современных исследователей движения глаз — Якоб Нильсен, основатель и руководитель компании Nielsen Norman Group. Он использует айтрекинг для того, чтобы оценить usability веб-сайтов и добиться максимального упрощения интерфейсов онлайн-проектов. Якоб полагает, что люди изучают контент в интернете по правилу F-кривой (кстати, к аналогичным результатам пришли компании Enquiro, Did-it и Eyetools): то есть смотрят на результаты, выдаваемые поисковой системой, по шаблону треугольника, концентрируя внимание в левом верхнем углу.

F-кривая Якоба Нильсена и «золотой треугольник» Google.

В «Вышке» исследования в области окулографии проводятся с помощью дистанционного айтрекера, записывающего движения глаз благодаря камере, которая находится на расстоянии 60-80 см от глаз участника эксперимента. Частота записи кадров устройства составляет 2000 кадров в секунду. Это позволяет построить высокоточные графики движения глаз, учитывающие не только фиксации и саккады, но и едва уловимые микродвижения.

Понять, о чем думает другой человек

Одно из самых интересных направлений деятельности Лаборатории когнитивных исследований НИУ ВШЭ связано с обработкой магнито- и электроэнцефалографических сигналов активности головного мозга. Этим занимается так называемая группа методов нейровизуализации во главе со старшим научным сотрудником «Вышки» Алексеем Осадчим. Ученым, в частности, удалось создать идеомоторный интерфейс «мозг — компьютер» — систему, которой можно управлять с помощью мыслей и намерений, не задействуя мышцы.

По мнению Осадчего, распознавание активности головного мозга необходимо не только для создания высокотехнологичных гаджетов, но и при нейрореабилитации в медицинских клиниках, а также для работы с пациентами с угнетенным сознанием — теми, кто находится в коме. В рамках этой процедуры используются как шапки с электродами, так и «невидимые» электроды — системы с крошечными проводками толщиной в несколько десятков микрометров, которые закрепляются на голове с помощью электропроводного геля. Их, кстати, тоже разработали в «Вышке»: это сделал Вадим Никулин, ведущий научный сотрудник Центра нейроэкономики и когнитивных исследований НИУ ВШЭ.

Сейчас ученые вуза совместно с коллегами из Университета Дьюка работают над созданием инвазивных интерфейсов, или вживленных в мозг электродов. Эти устройства могли бы помочь людям, оставшимся без конечностей, научиться управлять высокотехнологичными протезами напрямую: за счет работы мозга. Однако, по словам Осадчего, пока это очень опасно и травматично. Главные недостатки технологии — небольшой срок размещения электродов в мозгу, а также постепенное атрофирование нейрональной ткани, которая с ними соприкасается.

Шапка с электродами. Фото: Дмитрий Агапов

«Любое взаимодействие с мозгом человека, который находится в коме, может помочь вывести его из этого состояния, — уверен Алексей Осадчий. — Конечно, на сегодняшний день это футуристический сценарий, но тем не менее». Сегодня уже существует теория о том, как «разбудить» человека с угнетенным сознанием: мозг, вероятно, можно стимулировать путем «проигрывания» для него записей его же активности. Эта гипотеза пока не подтверждена, но исследования в этом направлении уже начались.

«Мы вряд ли когда-нибудь сможем читать мысли других людей со стопроцентной уверенностью. Важно понимать, что мозг — штука меняющаяся и пластичная. Если он поймет, что мы пытаемся расшифровать, что человек думает, то быстро перестроится, и мысли уже нельзя будет прочесть» старший научный сотрудник НИУ ВШЭ Алексей Осадчий

Изучение электрической активности мозга — сравнительно молодая область, и многое здесь еще предстоит открыть. Первые наблюдения начали проводиться в XIX веке: ими занимались такие ученые, как Дюбуа Реймон, Ричард Катон и Василий Данилевский. А электроэнцефалограммы появились и того позже, в начале XX века. Основоположником электроэнцефалографии стал знаменитый ученый-физиолог Владимир Правдич-Неминский. Он же предложил собственную классификацию частот, которая легла в основу современных систем.

Процесс наблюдения за сигналами активности головного мозга. Изображение: youtube.com

Сегодня над технологиями распознавания действий мозга работает множество ученых, — например, в рамках проекта NeuroG. Группа ученых физического факультета МГУ и Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН разрабатывает универсальные алгоритмы распознавания изображений, на основе которых затем можно будет создать средства нейроинформатики для поиска с помощью мысли, лечения заболеваний мозга или даже виртуального общения. В 2011 году ученые NeuroG впервые представили публике устройство, распознающее простые воображаемые зрительные образы.

Другие пионеры в области нейротехнологий — Университет Дьюка. В 2013 году группа исследователей во главе с Мигелем Николелисом и Михаилом Лебедевым опубликовала научную работу, в которой был описан первый в мире интерфейс для передачи данных от мозга к мозгу. Он тестировался только на крысах, однако эксперимент оказался успешным: одно животное копировало образ действий другого, основываясь только на «переданных» вспышках нейронной активности.

Разговоры о будущем

Технологические разработки и исследования в сфере нейробиологии способны повлиять на жизнь миллионов людей по всему миру. Самое вероятное направление развития — создание нейроинтерфейсов, которые можно будет использовать в повседневной жизни. Исследовательская группа NeuroNet, к примеру, уже занимается разработкой первой в мире многопользовательской компьютерной игры, которая будет считывать эмоции игрока. Развитие нейробиологии, без сомнения, повлияет и на медицину: еще в прошлом году ученым Калифорнийского университета удалось заново «научить ходить» парализованного пациента. Для этого они тоже использовали нейроинтерфейс и функциональную электростимуляцию.

Куда пойти учиться

 

Когнитивные науки и технологии: от нейрона к познанию

Университет
НИУ ВШЭ
Факультет
социальных наук
Продолжительность обучения
2 года
Количество мест
20 бюджетных, 10 платных мест
Стоимость обучения
275 000 руб. в год
Вступительные испытания
конкурсный отбор (портфолио), английский язык (квалификационный экзамен — тестирование + аудирование)
Язык обучения
английский
Прием документов в 2016 году
с 1 июля по 10 августа

Подготовка специалистов в области когнитивной психологии, когнитивных нейронаук и моделирования. Упор на современные исследования по этим направлениям. Партнерами программы являются Высшая нормальная школа в Париже (Франция) и Центр функциональных интегративных нейронаук Орхусского университета (Дания).

 

Когнитивная экономика

Университет
МГУ
Факультет
экономический
Продолжительность обучения
2 года
Количество мест
15 бюджетных, 5 платных мест
Стоимость обучения
325 000 руб. в год
Вступительные испытания
когнитивная экономика и иностранный язык (письменно)
Язык обучения
русский
Прием документов в 2016 году
с 20 июня, заканчивается в сроки, устанавливаемые Центральной приемной комиссией экономического факультета МГУ

Междисциплинарная программа на стыке экономики, психологии и когнитивных наук, изучающая алгоритм принятия человеком экономических решений. Лекции читают профессора психологического, биологического и экономического факультетов МГУ. Университет также постоянно приглашает практиков из ведущих компаний («Яндекс», WWF, Neurotrend), которые задают студентам задачи. Учащиеся решают их с помощью методов когнитивной экономики.

 

Экономическая психология

Университет
МГУ
Факультет
психологический
Продолжительность обучения
2 года
Количество мест
15 бюджетных, 20 платных мест (общее количество мест на все направления подготовки магистратуры психологического факультета)
Стоимость обучения
325 000 руб. в год
Вступительные испытания
психология и иностранный язык (письменно)
Язык обучения
русский
Прием документов в 2016 году
с 20 июня, заканчивается в сроки, устанавливаемые Центральной приемной комиссией экономического факультета МГУ

Экономическое поведение человека с точки зрения психологии. Студенты изучают основные теории экономического и потребительского поведения, когнитивные и социально-психологические теории. Программа реализуется совместно с магистратурой «Когнитивная экономика».

 

Когнитивные исследования

Университет
СПбГУ
Факультет
свободных искусств и наук
Продолжительность обучения
2 года
Количество мест
30 бюджетных, 27 платных мест (общее количество мест на группу из пяти программ)
Стоимость обучения
210 000 руб. в год
Вступительные испытания
теория и методология искусств и наук (экзамен в устно-письменной форме)
Языки обучения
английский, русский
Прием документов в 2016 году
с 1 марта (через сайт СПбГУ) или с 11 июля (через приемную комиссию или по почте) по 10 августа

Изучение разных научных дисциплин, которые занимаются когнитивными исследованиями — когнитивных психологии, лингвистики, нейрофизиологии и моделирования когнитивных процессов. Академические партнеры программы — ряд университетов Финляндии, Голландии, Дании, Швейцарии, Великобритании, Польши и Чехии.

 

Сложные системы в природе и обществе

Университет
СПбГУ
Факультет
свободных искусств и наук
Продолжительность обучения
2 года
Количество мест
30 бюджетных, 27 платных мест (общее количество мест на группу из пяти программ)
Стоимость обучения
210 000 руб. в год
Вступительные испытания
теория и методология искусств и наук (экзамен в устно-письменной форме)
Языки обучения
английский, русский
Прием документов в 2016 году
с 1 марта (через сайт СПбГУ) или с 11 июля (через приемную комиссию или по почте) по 10 августа

Обучение специалистов в области конвергентных наук или, по-другому, сложных систем. Магистранты узнают, как проводить научно-исследовательские работы в широком спектре областей — от экономической физики и риск-менеджмента до нейромоделирования динамики сложных систем.

 

Развитие человека: генетика, нейронаука и психология

Университет
ТГУ
Структурное подразделение
Международный центр исследований развития человека
Продолжительность обучения
2 года
Стоимость обучения
174 000 руб. в год, предусмотрены бюджетные места
Вступительные испытания
мотивационное эссе, собеседование на английском языке
Языки обучения
английский
Прием документов в 2016 году
с 1 апреля по 10 августа

Цель программы — подготовка профессионалов, которые будут заниматься междисциплинарными исследованиями в области развития человека. Магистранты получат необходимые навыки для проведения молекулярно-генетических, нейрофизиологических, когнитивных и экспериментально-психологических работ. Партнерами этого направления обучения магистратуры выступают Голдсмитс, Университет Лондона (Великобритания), Университет Сассекса (Великобритания), Университет штата Огайо (США) и другие зарубежные вузы.

Катя Убодоева
02 июня 2016

Обсуждение материала

Оставить комментарий

Cпецпроекты