Ошибаться полезно. Почему несовершенство мозга является нашим преимуществом

Оркестр нервных клеток

Прежде чем обсуждать слабые (и сильные) стороны учебного процесса, давайте заглянем за кулисы обучающегося мозга. Что в нем происходит, когда мы узнаем что-то новое? Или копнем еще глубже: что должна представлять собой информация или мысль, которую мозг сочтет достойной усвоения?

В компьютере все относительно просто: если я хочу что-то сохранить, мне нужно только иметь данные, пригодные для сохранения. Эти данные представляют собой последовательность знаков, подвергшихся электронной обработке. Компьютер помещает их в определенное место, откуда потом может их извлечь. Информация в компьютере представляет собой комбинацию смысловых знаков и адрес места, где они хранятся. Это напоминает библиотеку. Там тоже есть книги, написанные знаками (буквами), которые вы ставите на полку, чтобы потом их было легче найти. Когда вам требуется какая-то информация, нужно знать место, где стоит книга, и уметь читать буквы.

Мозг работает по-другому. Там нет ни данных, выраженных в знаках, ни определенного места, где хранится информация. Если я попрошу вас подумать о своей бабушке, то в этот момент в мозге не срабатывает какая-то конкретная нервная клетка, ответственная за бабушку (как некоторое время полагали исследователи), а возбуждается целая сеть нервных клеток, приходя в определенное состояние. Информация закодирована именно в этом состоянии взаимной активации нервных клеток. Звучит несколько абстрактно, но в упрощенном виде данный процесс можно сравнить с игрой огромного оркестра. Он состоит из отдельных музыкантов, каждый из которых способен регулировать свою активность (играть тише или громче, выше или ниже). Пока оркестр молчит, вы, глядя на него со стороны, не можете определить, что он будет играть. Точно так же невозможно сказать, о чем думает мозг, глядя со стороны на сплетение его нервных клеток. Музыка рождается в оркестре, когда музыканты начинают играть, синхронизируя свои действия. Она существует не вообще в оркестре, а в игре каждого конкретного музыканта. Если вы слышите только одну виолончель, то можете что-то узнать о состоянии одного из музыкантов, но не имеете понятия, как звучит все произведение целиком, поскольку для этого необходимо знать, какие действия производят другие музыканты. Но и этого еще недостаточно, так как музыка возникает лишь тогда, когда они действуют синхронно. Таким образом, информация (в данном случае мелодия) закодирована и распределена между музыкантами.

Нервные клетки взаимодействуют примерно так же, как и оркестранты. В результате этого взаимодействия оркестр создает музыку, а в нервных клетках за счет синхронизации их действий рождается некое информационное содержание – мысль. Она не хранится в каком-то определенном месте нейронной сети мозга, а закодирована в характере взаимодействия нейронов. Для этого нервные клетки соединяются друг с другом посредством общих мест контакта (синапсов). Через них нейроны узнают, чем занимаются их соседи. В оркестре каждый из музыкантов тоже слышит, что играют другие. Только так можно обеспечить их взаимодействие. Нервные клетки мозга соединены с тысячами себе подобных, поэтому могут создавать куда более сложные связи, чем музыканты в оркестре. Именно в этих состояниях активности и кроется информационное содержание. В оркестре в этой роли выступает музыка, а в мозге – мысль.

Такой способ обработки информации дает нам кардинальное преимущество: один и тот же оркестр может играть разные произведения за счет того, что музыканты по-новому синхронизируют свои действия. Аналогичным образом одна и та же нейронная сеть может производить совершенно разные мысли в зависимости от способа активации. Кроме того, информация (будь то оркестровая мелодия или мысленный образ) может скрываться не только в конкретном состоянии активности, но и в изменении этого состояния. Например, на наше настроение при слушании музыки может влиять изменение ее громкости. Точно так же содержание информации может зависеть не только от того, в каком состоянии находятся нейроны, но и от того, как это состояние меняется.

Из одного только этого можно понять, что число возможных вариантов состояний активности невообразимо велико. Поэтому вопрос о том, какое количество мыслей мы способны обдумать, имеет столько же смысла, сколько и вопрос о количестве мелодий, которое может сыграть оркестр.

Очевидным становится и другое: в компьютере информация хранится в каком-то определенном месте. Когда он выключен, информация в нем все равно присутствует (в форме электрических зарядов), и когда я вновь включу компьютер, ее можно будет извлечь. Но если «выключить» мозг, то игре наступает конец. Ведь информация в нем хранится не в какой-то физической форме, а лишь в виде постоянно меняющихся состояний нейронов. Пока мозг жив, он беспрерывно порождает мысли, выводя новую информацию из уже имеющейся. Любое текущее состояние мозга является как бы стартовым сигналом для очередной мысли. Мысль не может возникнуть из ничего.

Обучение происходит в местах контактов нейронов

Каким бы удачным ни было сравнение мозга с оркестром, я не могу не упомянуть об одном колоссальном отличии: в мозге нет дирижера. Никто не стоит перед нейронами и не объясняет им, каким образом надо активировать своих соседей. И все же они справляются с этой задачей и очень точно подстраиваются друг под друга, создавая новые варианты соединений.

Отсюда вытекает очень важное следствие для процесса обучения. Если в оркестре дирижер задает такт и настраивает музыкантов на общий ритм, то нервным клеткам приходится искать другие способы. Ведь воспроизведение информации, как и оркестровой мелодии, зависит от способности нейронов действовать совместно.

Когда оркестр разучивает новую мелодию, музыканты должны сделать две вещи: во-первых, освоить некие новые навыки (комбинации пальцев и их последовательности); во-вторых, что более важно, точно запомнить, когда, что и как надо играть. Но это они могут понять, только следя за дирижером и слушая своих коллег. Когда оркестр репетирует новое произведение, музыканты, по сути, заново учатся взаимодействовать и запоминают, как это правильно делать, чтобы в нужный момент вызвать из памяти данные знания. Информация в мозге также кодируется в форме взаимодействия нервных клеток. «Репетируя» новые знания, нейроны налаживают взаимодействие таким образом, чтобы впоследствии было легче извлекать закодированную информацию. Чтобы чему-то научиться, им надо менять характер и структуру своих контактов.

Поскольку в мозге нет дирижера, нервным клеткам приходится полагаться исключительно на соседей. Происходящие при этом биологические процессы на клеточном уровне очень хорошо известны. В упрощенном виде все изменения в местах контактов нервных клеток при обучении происходят по одному основному принципу: часто используемые контакты укрепляются, а редко используемые – затухают. Таким образом, когда в мозге появляется важная информация (то есть создается некое характерное взаимодействие нервных клеток), ее надо каким-то образом запомнить. Для этого нейроны так видоизменяют свои контакты, чтобы в следующий раз данную информацию было проще извлечь. Если синапсы задействуются особенно активно, то имеют место определенные изменения и в самой нервной клетке, чтобы в следующий раз эта активация происходила еще сильнее. И наоборот, неиспользуемые синапсы не получают структурной поддержки и со временем ликвидируются. Это экономит энергию, что позволяет мозгу обходиться всего 20 ваттами мощности. Для сравнения: электрической духовке требуется в сто раз больше энергии, чтобы испечь всего пару булочек. Похоже, духовки не обладают высоким интеллектом.

Вот так и происходит обучение системы. Она изменяет свою структуру, чтобы легче было переходить в активное состояние. Таким образом, можно сказать, что информация откладывается в нейронной сети «между» нервными клетками, в местах их связи друг с другом. Это, конечно, нельзя назвать постоянным местом прописки, так как для извлечения информации из памяти каждый раз приходится заново активировать нервные клетки. Правда, чем лучше контакты между ними, тем легче осуществляется данный процесс, но из одних только контактов информацию не получишь. Если вскрыть мозг, то можно увидеть только соединения между нейронами, но определить, как они взаимодействуют между собой, невозможно. Вы не сможете понять, какая информация «записана» в мозге и с помощью какой динамической активации ее можно извлечь.

В условиях стресса мы учимся лучше всего – и хуже всего

Нейронная система обработки информации чрезвычайно эффективна, потому что по своей гибкости намного превосходит статичные компьютерные системы, не нуждается во внешнем контроле (дирижере) и может приспосабливаться к любым условиям окружающей среды. Но такая форма обучения имеет и свои недостатки. Поскольку процессы перестройки нервных клеток испытывают на себе влияние обычных биологических колебаний, мы не всегда учимся с одинаковым успехом. Например, при стрессе мы нередко впадаем в ступор. Каждый, кому приходилось готовиться к экзаменам в условиях дефицита времени, знает, как тяжело справляться с подобным стрессом. Важная информация не хочет оседать в голове. А если все-таки оказывается там, то в самый ответственный момент (на экзамене) ее невозможно извлечь. Почему же стресс так негативно сказывается на обучении?

Прежде всего необходимо отметить, что стресс в принципе не блокирует нашу способность к обучению. Наоборот, он может ускорить процесс усвоения знаний. В условиях острого стресса (например, когда мы сильно испуганы или, напротив, чем-то приятно удивлены) поступающий в мозг гормон норадреналин способствует активации как раз тех его областей, которые усиливают внимание. Примерно через двадцать минут на помощь этому процессу приходит гормон кортизол, подавляющий сопротивляемость нервных клеток. В результате мы еще сильнее сосредоточиваемся. Вывод: острый стресс усиливает способность к обучению. Например, если однажды мы, переходя дорогу, по рассеянности едва не попадаем под машину, то в следующий раз будем намного внимательнее. То же самое касается и положительного стресса: мы никогда не забудем свой первый поцелуй, хотя речь идет об одноразовом событии.