Hoe werkt ons brein en wat gebeurt er in? Op basis waarvan neemt een persoon beslissingen en hoe worden deze geconditioneerd? Vyacheslav Demin, kandidaat voor fysische en wiskundige wetenschappen, wetenschappelijk secretaris van het Kurchatov-complex van NBIKS-technologieën van het Nationaal Onderzoekscentrum "Kurchatov Institute", sprak hierover in een lezing in het onderwijscentrum "Sirius". "Lenta.ru" publiceert fragmenten uit zijn toespraak.
Doorbreek de kloof
De hersenen bestaan uit ongeveer honderd miljard neuronen, dat wil zeggen zenuwcellen die via elektrische en chemische signalen via processen (dendrieten en axonen) informatie naar elkaar ontvangen en naar elkaar verzenden. Door aan te raken, creëren neuronen neurale netwerken. De plaats van contact wordt een synaps genoemd. Er zijn ongeveer een biljard synapsen in de hersenen (een biljard is een getal gevolgd door 15 nullen, dat wil zeggen een miljoen miljard). Dit betekent dat elk neuron ongeveer 10.000 verbindingen heeft - een zeer onthullende illustratie van hoe divers en veelzijdig de verbindingen van slechts één zenuwcel kunnen zijn. Een stof die helpt bij het overbrengen van informatie, wordt een neurotransmitter genoemd. De wetenschap kent honderden van dergelijke stoffen.
Vyacheslav Demin
De wetenschappelijke gemeenschap benadert de kwestie van het bestuderen van de hersenen vanuit verschillende perspectieven. Er zijn neurofysiologen die specifieke processen op neuraal niveau beschouwen, ze kunnen conventioneel "materialisten" worden genoemd. Aan de andere kant zijn er neuropsychologen, ze kunnen voorwaardelijk 'idealisten' worden genoemd, in het middelpunt van hun aandacht is de wereld van ideeën, de ruimte van menselijke hogere cognitieve functies die verantwoordelijk zijn voor geheugen en denken, bewustzijn en onderbewustzijn, emoties en besluitvorming, houding ten opzichte van zichzelf en andere mensen … Er is een fundamentele verklarende kloof tussen de eerste benadering en de tweede. Het wordt bestudeerd door cognitologie, een wetenschappelijke richting die zich recentelijk heeft ontwikkeld op het kruispunt van neurofysiologie en neuropsychologie. Blijkbaar is het de cognitologie die in de eerste plaats kan leiden tot een doorbraak in het creëren van kunstmatige intelligentie.
Promotie video:
De optimale oplossing vinden
Wat denkt u? Het is een constante zoektocht naar de optimale oplossing voor de uitdagingen waar we voor staan. In de regel heeft een persoon bij het nemen van zelfs de kleinste beslissing verschillende opties, voor elke stap bevindt hij zich op een splitsing en het resultaat is niet vooraf bepaald. De persoon moet de beste zet doen. Dat wil zeggen, elke seconde bouwt ieder van ons een "boom van mogelijkheden" in ons hoofd, en soms is deze boom ongelooflijk vertakt.
Hoe de juiste te kiezen, vooral als het zoekalgoritme onbekend is? Het intellect maakt gebruik van zogenaamde heuristieken. Ter illustratie kan een voorbeeld uit schaken worden gebruikt. Op het bord is een dergelijke schikking van stukken mogelijk als wit bijvoorbeeld alleen de koning en pionnen heeft, maar de pionnen zo worden geplaatst dat ze zwart niet laten passen. De persoon begrijpt onmiddellijk dat onder dergelijke omstandigheden de meest gunstige en vrij waarschijnlijke uitkomst van het spel voor wit gelijkspel is.
Maar het computerprogramma Deep Thought, dat later wereldkampioen Garry Kasparov versloeg, beschouwde situaties uitsluitend vanuit wiskundig oogpunt. Ze zag dat de witte pion de zwarte toren kon pakken, en dit zou leiden tot een merkbare verzwakking van de tegenstander en een verbetering van de puntpositie. De computer realiseerde zich niet dat hij met deze zet een gat in zijn verdediging opende. Hierdoor kon hij niet meer rekenen op gelijkspel, kreeg hij schaakmat en verloor hij de wedstrijd.
Foto: Carina Johansen / NTB Scanpix / Reuters
Vervolgens introduceerden programmeurs een algoritme voor acties in dergelijke situaties in de computer, en de machine maakte dergelijke fouten niet meer. Natuurlijke intelligentie is, in tegenstelling tot kunstmatige intelligentie, in staat om zelfstandig conclusies te trekken, fouten te analyseren en ze niet te herhalen.
Kennisrepresentatie
Het tweede aspect van denken is de representatie van kennis. We kijken allemaal naar de wereld door het prisma van waarneming en vormen in ons hoofd een model van een proces of object. Deze opvattingen zijn individueel. En als we denken, werken we met modellen en niet met echt objectieve gegevens.
Er is een bekende grap over een glas voor de helft gevuld met water. De optimist denkt dat hij half vol is, de pessimist half leeg. Maar er kunnen ook andere ideeën zijn. Een programmeur zal bijvoorbeeld zeggen dat de capaciteit twee keer zo groot is als nodig is. De aanvankelijke objectieve gegevens zijn hetzelfde, maar de modellen waarop mensen werken, zijn verschillend. Als gevolg hiervan, als een bepaalde taak aan het orderboek is gekoppeld, kunnen de oplossingen van elkaar verschillen. Het is belangrijk om een geschikte weergave te vinden, waarin er een algoritme is om het probleem op te lossen. In een andere, niet succesvolle presentatie kan het probleem buitengewoon moeilijk of volledig onoplosbaar blijken te zijn.
Daarom moet denken worden gecombineerd met leren, dat wil zeggen het verzamelen van informatie met daaropvolgende generalisatie. Je kunt eindeloos naar de grootmeester kijken, zijn bewegingen opschrijven en onthouden, en ze vervolgens afspelen. Maar daarmee leer je niet hoe je moet schaken. Integendeel, pogingen om het systeem of de tactiek van het spel te begrijpen, die ideeën geven over de algemene presentatie van schaakproblemen door een grootmeester, zullen na verloop van tijd en oefening uiteindelijk positieve resultaten opleveren. Dit is leren.
Soorten denken
Hoe ontwikkelt iemands denken zich? In de kindertijd - door een visuele en effectieve presentatie: "Ik zag - ik deed een actie." Geleidelijk ontstaat visueel-figuratief denken: "Ik zag - ik herinnerde me aanverwante objecten of opties voor acties of presenteerde deze - ik voerde een actie uit". Individuele objecten worden vervangen door categorieën, representaties, afzonderlijke koppelingen daartussen worden gemodelleerd. De volgende fase is volledig abstract verbaal-logisch denken, wanneer het voor het denkproces zelf niet langer nodig is om iets te doen, alles gebeurt in de verbeelding.
In het midden van de 20e eeuw voerde de Duitse psycholoog Wolfgang Keller een experiment uit. Naast de apenkooi legde hij een banaan en gaf de dieren een stok. Ze wisten bijna meteen hoe ze met een stok bij de banaan konden komen en deze naar de kooi konden duwen. Dit gebeurde door visueel actief denken: de apen pakten een stok en experimenteerden, waarbij ze snel een oplossing vonden.
Toen werd de taak gecompliceerd: de banaan werd verder gelegd en de apen kregen twee stokjes, waaruit men een lange kon maken. Deze puzzel was voor de overgrote meerderheid overweldigend. De apen waren woedend, maar wisten niet wat ze moesten doen, sprongen rond de kooi en sloegen met een stok op de tralies.
De slimste ging zitten, dacht na en begreep na een tijdje wat hij moest doen. Dit moment van overgang naar visueel-figuratief denken wordt "gestalt-omschakeling" genoemd: de aap stopte met actief, maar chaotisch en ondoelmatig handelen en begon te denken. Met andere woorden, een gedachte is een 'ingekorte handeling', dat wil zeggen een handeling die in de verbeelding wordt overgebracht.
Foto: Depositphotos
Zo ontstaat universeel denken: als het gekozen algoritme niet past, zoekt het brein naar een nieuw idee en nieuwe mogelijke verbindingen, reist langs de "boom van mogelijkheden" totdat het een geschikte optie vindt. De gevonden oplossing heeft dan invloed op de externe omgeving (je banaan) en gaat (eventueel samen met de nieuw gevonden representatie) naar de kennisbank, wat de persoonlijke ervaring verrijkt.
Emoties spelen een belangrijke rol bij universeel denken. Ze moduleren het doel, wijzigen het. Stel je voor dat een robot een taak gaat voltooien. Plots begint alles vooruit te exploderen. De machine voelt geen angst, dus noch het doel, noch de gedragslijn verandert. Explosie - de robot is vernietigd. En de persoon in zijn plaats zou proberen zijn leven te redden om vervolgens de oorspronkelijke taak te voltooien.
Waar informatie wordt verwerkt
De eerste taak van de hersenen is patroonherkenning. Wat gebeurt er als je bijvoorbeeld iemands gezicht ziet? Informatie komt de leerling binnen en wordt op het netvlies geprojecteerd. Het signaal wordt naar de primaire visuele cortex gestuurd. Het bevindt zich dichter bij de achterkant van het hoofd en is verantwoordelijk voor het herkennen van alleen de eenvoudigste geometrische objecten, zoals bijvoorbeeld lijnen met verschillende hellingshoeken. Informatie wordt uitgefilterd en verzonden naar de secundaire visuele cortex, waar complexere patronen worden herkend, bijvoorbeeld halve cirkels.
Verder wordt de verwerkte informatie verzonden naar het temporale gebied van de hersenschors (dit is het zogenaamde ventrale pad voor het verwerken van visuele informatie), waar eenvoudige elementen zoals neus, oog en oor worden herkend. Hoe gebeurde dit? Er zijn neuronen die alleen op de neus reageren, er zijn neuronen die alleen op het oog reageren, enzovoort. Tegelijkertijd zijn er neuronen zonder speciale specialisatie en kunnen ze zowel op de neus als op het oog reageren.
Als gevolg hiervan wordt de activiteit van de hele reeks van deze cellen overgedragen naar de orbitofrontale cortex van de hersenen in de frontale kwabben. Daar wordt de foto bij elkaar gebracht en herken je het gezicht als geheel. Naarmate het vordert, wordt de informatie gecomprimeerd, elke keer dat het wordt gecodeerd door een kleiner aantal neuronen - het lijkt te zijn gearchiveerd. In de voorste hersenkwabben is de opslagplaats van verschillende beelden op hoog niveau gecodeerd, waarmee een persoon uiteindelijk opereert.
De hersenen zijn niet onafhankelijk in hun acties. Het wordt uitgevoerd door de thalamus, een gepaard orgaan dat vanaf het ruggenmerg in de middenhersenen eindigt. In de thalamus zijn draden aan elk deel van de cortex bevestigd. Trekkend voor hen activeert hij bepaalde gebieden die momenteel verantwoordelijk zijn voor de optimale oplossing van de huidige taak.
Maar zelfs de dirigent is niet onafhankelijk. De thalamus wordt aangestuurd door de zogenaamde basale kernen (ganglia). Sleutelneuronen in deze kernen zijn sterk afhankelijk van dopamine, een neurotransmitter die bij mensen acuut genot veroorzaakt.
We zijn allemaal dopamine-verslaafden, hoe triest het ook is om het toe te geven, de basale kernen willen de hele tijd veel dopamine. Maar het valt op als reactie op de subjectieve waarde van een bepaalde beslissing waarvoor een bepaald gebied van de cortex verantwoordelijk is.
Menselijke brein
Afbeelding: Diomedia
Als de waarde van het activeren van een deel van de cortex hoog is, dat wil zeggen, deze beslissing is zogenaamd optimaal voor ons in de huidige situatie, dan zal er meer dopamine vrijkomen en zullen we vreugde ervaren. Wat bepaalt de waarde? Ten eerste onze ervaring. Een klein kind heeft minimale ervaring, en hij verheugt zich in bijna alles in de wereld, elke kubus. Door nieuwsgierigheid te tonen, probeert een persoon verschillende opties uit, versterkt hij de opties die subjectieve voordelen opleveren en dientengevolge de afgifte van dopamine, en vermijdt hij de opties die daarentegen onaangename of pijnlijke gevoelens veroorzaken. Naarmate je ouder wordt en ervaring opdoet, wordt de lat voor waarde hoger.
Ten tweede wordt waarde bepaald door emoties (en niet alleen positieve): hoe helderder ze zijn, hoe hoger de waarde. Daarom volgt een andere neurofysiologische regulator: de hersengebieden die verantwoordelijk zijn voor emoties (amandelen, hippocampus, voorste en temporale lobben van de cortex en andere).
Het blijkt dat de hersenen, tijdens het vinden van de optimale oplossing voor de taak die ervoor ligt, werken als een zelfregulerend systeem. Enerzijds gebruikt het kennis uit ervaring (dat wil zeggen, van de corresponderende delen van de cortex), anderzijds weegt het deze beslissingen af ten koste van het systeem van het ervaren van emoties (inclusief dezelfde en andere delen van de cortex en organen van het limbisch systeem van de hersenen). Dit alles wordt verzameld door de basale kernen, en via de thalamus wordt het "groene licht" gegeven om het gebied van de cortex te activeren dat de grootste beloning oplevert voor dopamine-neuronen in de basale en andere hersenstructuren.
Cerebellum
Het cerebellum speelt een uiterst belangrijke rol. Aangenomen wordt dat het verantwoordelijk is voor de coördinatie van bewegingen, het gevoel voor evenwicht en balans. Maar het is bekend dat er in het cerebellum, dat slechts ongeveer 10 procent van het hersenvolume uitmaakt, om de een of andere reden ongeveer twee keer zoveel neuronen zijn als in de rest van de hersenen - 70 miljard versus 30. Is het echt zo dat zoveel zenuwcellen alleen nodig zijn voor het coördineren van bewegingen?
Wetenschappers zijn pas onlangs begonnen te begrijpen dat het cerebellum niet alleen verantwoordelijk is voor bewegingen, maar in het algemeen voor alle automatismen, inclusief "ingekorte acties" - patronen van mentale reacties vanuit de kennisbasis. Voor een getrainde atleet zal het bijvoorbeeld niet moeilijk zijn voor een getrainde atleet om een salto achterover te maken met een 360 graden schroef. Hij zal dit zonder aarzelen doen, omdat zijn cerebellum op het juiste moment informatie uit de opslag haalt, de hersenen de nodige commando's ontvangen en het lichaam dit acrobatische element automatisch uitvoert. De atleet denkt praktisch niet, zijn onderbewustzijn werkt.
Hetzelfde lijkt het geval te zijn met andere automatismen, bijvoorbeeld bij spraak. Een persoon denkt in hogere beelden, en het cerebellum beslist zelf hoe het het beste kan worden gekleed in een communicatiemiddel. Tegelijkertijd zijn natuurlijk lange en betrouwbaar gevestigde spraakverwerkingscentra in de hersenschors betrokken, maar in nauwe verbinding met het cerebellum, dat voortdurend kant-en-klare, automatisme-oplossingen biedt en / of onvermijdelijk optredende fouten corrigeert in overeenstemming daarmee.
