Рабочая память

Заметив ручей, наш предок ныряет в укрытие, но продолжает держать в уме подробности только что увиденной сцены – к примеру, расположение кустов на берегу. Он активно удерживает эту информацию, пока не решает, что может выглянуть наружу и приступить к поиску ягуара.

Понимание нейронной основы рабочей памяти было одной из величайших задач когнитивной нейронауки. Сохранение информации в уме после того, как ее больше нет в окружающей обстановке, критически важно для любого высокоразвитого поведения. Однако механизм этого феномена оказался очень трудным для понимания. В 1930-х годах доктор Карлайл Якобсен и его коллеги первыми установили важнейшую роль префронтальной коры в процессах рабочей памяти. Они показали, что с помощью экспериментальных разрезов в префронтальной коре можно вызвать нарушения рабочей памяти у обезьян, которые решали задачу, связанную с запоминанием и последующим воспроизведением информации. Но очередной большой шаг к пониманию нейронных основ рабочей памяти был сделан только в 1971 году. В тот год Хоакин Фустер и его коллеги сообщили об открытии в префрональной коре обезьян особых нейронов, которые сохраняли активность после прекращения внешней стимуляции. Нейронная активность начиналась во время предъявления стимулов и оставалась на высоком уровне в течение всего времени, пока подопытные обезьяны сохраняли в уме актуальную информацию. Эти замечательные нейроны были названы «клетками памяти». Устойчивая активность мозга в отсутствие зрительной стимуляции, подтвержденная в основополагающей работе Патриции Голдман-Ракич, стала рассматриваться как нейронный признак сохранения информации в рабочей памяти.

С годами новые исследования открыли нам, что нейроны по всему мозгу обладают таким же свойством устойчивой активности в отсутствие стимула. Особенно характерно это было в сенсорной коре при репрезентации характеристик внешних стимулов. Фактически, такая активность сенсорной коры оказывается еще одним примером нисходящей модуляции, сходной с той, которая происходит в процессе избирательного внимания, но в данном случае она происходит после того, как стимуляция прекращается. Современное понимание таково, что в процессе рабочей памяти префронтальная кора модулирует активность сенсорной коры с помощью таких же нейронных сетей, как те, которые используются для избирательного внимания в присутствии внешних стимулов. Так мы сохраняем в уме живую информацию, когда ее уже нет перед нами. Фустер также представил доказательство причинности, когда продемонстрировал, что нарушение функции префронтальной коры у обезьян с помощью охлаждения этой части мозга влияет на модуляцию активности зрительной коры, а также ухудшает эффективность рабочей памяти.

Управление задачами

Пока наш предок безуспешно высматривает ягуара, он решает бросит камень в воду, чтобы спровоцировать движение. Поэтому, когда он прячется в укрытии, то ищет подходящий камень, не теряя из виду своей первоначальной цели поисков ягуара и одновременно сохраняя в уме подробный образ ручья с кустами на левом берегу.

Постановка целей, требующих одновременного выполнения нескольких задач, является аспектом поведения, восходящим к нашим далеким предкам. Такое поведение часто называется «многозадачностью»: термин позаимствован из компьютерной науки, где он относится к параллельной обработке информации. Но что на самом деле происходит в нашем мозге, когда мы одновременно пытаемся выполнить несколько задач? Мы действительно занимаемся «параллельной обработкой»? Дьявол, как обычно, прячется в деталях. Наш мозг определенно занимается параллельной обработкой больших объемов информации. От сенсорной системы мы постоянно получаем обширную информацию, которая обрабатывается бессознательно, не говоря уже о процессах, с давних пор неосознанно используемых для поддержки дыхания, сердцебиения и так далее. Даже когда речь идет о действиях, параллельная обработка встречается повсеместно. Если одна или несколько задач могут быть автоматизированы на рефлекторном уровне, то они могут выполняться параллельно с главной задачей легко и без особых последствий. Это классический пример «прогулки с жевательной резинкой во рту». Хотя акт ходьбы требует избирательного внимания, акт жевания в большинстве случаев не требует сознательного контроля, так как выполняется рефлекторно. Такая деятельность, вероятно, даже не считается многозадачной, поскольку рефлекторная активность не предполагает задачи. Но если обе цели требуют когнитивного контроля для их осуществления: например, удержание в уме подробностей сложной сцены (рабочая память) и одновременный поиск ближайшего камня (избирательное внимание), то они, несомненно, будут соперничать за ограниченные ресурсы префронтальной коры.

В другом исследовании, проведенном лабораторией Газзали, мы изучали, что происходит в мозге, когда участники одновременно выполняли две задачи, требующие когнитивного контроля, сходные с теми, какие приходилось выполнять нашему предку в вышеописанном сценарии. Для этого мы попросили участников внимательно рассмотреть пейзаж на мониторе и удерживать в уме его подробности в течение семи секунд, после чего они проходили проверку запоминания. Хитрость заключалась в том, что при некоторых попытках они должны были одновременно выполнять другую задачу. Пока они удерживали в уме детали пейзажа, им приходилось принимать решение о возрасте и половой принадлежности лица, мелькавшего на экране во время паузы. Эта вторичная задача требовала избирательного внимания и таким образом конкурировала за ресурсы, уже задействованные рабочей памятью. Здесь можно увидеть прямую аналогию с выбором подходящего камня нашим предком при одновременном сохранении в уме подробностей ранее увиденной сцены.

Как и ожидалось, нейронная сеть префронтальной коры участников эксперимента активизировалась при виде пейзажа, и эта активность сохранялась в период паузы. Данная сеть поддержки рабочей памяти сохраняла образ исчезнувшего пейзажа. Как мы уже говорили, этот процесс требует функциональной связности между префронтальной и зрительной корой, при которой нисходящая модуляция управляет активностью участков, где формируются репрезентации объектов. Когда в паузе на экране мелькало лицо и участнику приходилось принимать решение, сеть поддержки рабочей памяти уменьшалась, а также снижалась активность зрительной коры, участвовавшей в сохранении образа пейзажа. В то же время для создания образа лица между префронтальной и зрительной корой активизировалась новая нейронная сеть, и это не удивительно, потому что так работает механизм избирательного внимания. Характерно, что обе сети не сохраняли высокую активность параллельно. Когда лицо исчезало с экрана, нейронная сеть избирательного внимания ослабевала, а первоначальная сеть рабочей памяти активизировалась с новой силой, реагируя на основную цель участника эксперимента: запомнить подробности пейзажа.

Хотя мы не просили участников переключаться между этими двумя задачами, именно так в реальном времени выглядели процессы, происходившие в их мозге. Уровень активности рабочей памяти снижался, когда включался механизм избирательного внимания; таким образом, они динамично переключались между двумя сетями когнитивного контроля. Результаты нашего эксперимента согласуются со многими другими исследованиями, которые показывают, что когда мы одновременно стремимся к достижению нескольких целей, конкурирующих за ресурсы когнитивного контроля, наш мозг переключается между задачами, а не занимается параллельной обработкой. Таким образом, хотя изначальной целью может быть одновременное выполнение множества задач (поэтому «многозадачность» – вполне уместный термин для такого поведения), в мозге происходит переключение между нейронными сетями. Как мы обсудим в следующей главе, такое переключение уменьшает нашу эффективность при выполнении задач, хотим мы того или нет. Это основа сбоев – другого вида целевой интерференции.

Хотя особая роль префронтальной коры в процессах когнитивного контроля совершенно очевидна, будет большим преувеличением назвать ее единственным игроком на этом поле. Механизмы когнитивного контроля включают обширные нейронные сети, связанные с другими областями мозга, такими как премоторная кора, теменная кора, зрительная кора и подкорковые структуры, такие как хвостатое ядро, таламус и гиппокамп. К примеру, было продемонстрировано, что объем теменной коры позволяет судить о том, как человек оценивает степень своей повседневной рассеяности. Подробная дискуссия о вкладе всех этих областей мозга в процессы когнитивного контроля выходит за рамки этой книги, но результат можно подытожить следующим образом: когнитивный контроль обеспечивается нисходящей модуляцией и скоординированным функциональным взаимодействием между узлами обширных и взаимосвязанных нейронных сетей мозга. Вооружившись этим знанием, давайте обсудим ограничения наших способностей когнитивного контроля и посмотрим, как это приводит к феномену рассеянного ума.