Рабочая память включает как процессы, удерживающие информационные образы, так и процессы, используемые для манипуляции с этой информацией.
Управление задачами становится особенно важным, когда мы вынуждены одновременно заниматься несколькими делами, располагая ограниченными ресурсами. Это справедливо для многих процессов восприятия и действий, а также для процессов когнитивного контроля. К примеру, когда наш предок ищет камень, он должен избирательно направлять внимание на землю, чтобы найти достаточно крупный камень для громкого всплеска, но не слишком тяжелый, чтобы он мог долететь до воды. Поиск камня вступает в прямую конкуренцию с избирательным вниманием, направленным на поиски характерных признаков ягуара. Поскольку оба вида деятельности включают зрение, вполне очевидно, что поиски камня на земле притупят его внимание к поиску ягуара, скрытого в кустах, даже если тот пошевелится в данный момент. В данном случае управление задачами требует переключения между целями избирательного внимания, хотя наш предок и не сознавал, что делает это. Его положение можно сравнить с попыткой водителя одновременно управлять автомобилем и набирать текстовое сообщение, когда оба занятия соперничают в борьбе за зрение. Но важно понимать, что конкуренция между двумя целями избирательного внимания происходит не только при соперничестве за одни и те же сенсорные ресурсы. Способность нашего предка слышать и чуять ягуара тоже уменьшилась, когда его внимание избирательно обратилось к поискам камня. Это происходит потому, что, даже если две задачи, требующие когнитивного контроля, не конкурируют за одни и те же сенсорные ресурсы, осознанное внимание переключается на текущую задачу. В следующей главе мы рассмотрим механизмы мозга, лежащие в основе всех элементов когнитивного контроля, а затем, уже в четвертой главе, обсудим ограничения способностей когнитивного контроля и как эти ограничения приводят к феномену рассеянного ума.
Глава 3
Исполнительные функции мозга
С учетом фундаментальной роли когнитивного контроля в нашей повседневной жизни можно понять, что одной из самых активных областей исследований в нейронауке было изучение механизмов мозга, обеспечивающих эти важнейшие способности. За последние несколько десятилетий мы достигли значительных успехов в исследовании человеческого мозга, особенно в связи с изобретением ряда мощных инструментов, позволивших изучать структуру, биохимию и функции мозга в контролируемой лабораторной обстановке без операционного вмешательства. До развития этих технологий большая часть того, что мы знали о человеческом мозге была связана с экстраполяцией исследований мозга других животных и результатом психологических исследований.
Хотя эти методы определенно привели к большему пониманию и продолжают снабжать нас новой информацией, в расшифровке некоторых уникальных аспектов нашего мозга остаются значительные пробелы. Аббревиатуры технологий, работающих с разным разрешением в пространстве и времени, звучат как алфавитный суп: ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) МРТ (магниторезонансная томография), ЭЭГ (электроэнцефалография), ТМС (транскраниальная магнитная стимуляция), ТЭС (транскраниальная электрическая стимуляция), МЭГ (магнитная энцефалография) и БИК-спектроскопия (спектроскопия в ближней инфракрасной области). Эти технологии предлагают нам мощные и разнообразные подходы для проведения нейронаучных исследований на человеке, продолжающие то, что было начато в экспериментальных исследованиях на животных и в рамках психологии человека. Они позволяют нам обратиться к основному вопросу о том, как химия, анатомия и физиология нашего мозга приводят к возникновению сознания. Благодаря им мы достигли глубокого понимания нейронных механизмов когнитивного контроля и растущего осознания его существенных ограничений.
По ходу дела мы усвоили два важных урока. Во-первых, один из регионов нашего мозга претерпел наибольшую эволюцию по сравнению с нашими предками и стал главным центром когнитивного контроля. Эта область называется префронтальной корой. Во-вторых, хотя префронтальная кора играет важнейшую роль в процессах когнитивного контроля, она не действует обособленно. Скорее она выступает в роли диспетчерского узла в огромной взаимосвязанной сети, охватывающей разные регионы мозга и известной как нейронная сеть. Хотя справедливо говорить, что префронтальная кора обеспечивает когнитивный контроль, его основные аспекты проявляются через взаимодействие нейронных связей, соединяющих префронтальную кору со множеством других областей мозга. Давайте начнем с обсуждения роли когнитивного контроля и его связей, а затем перейдем к физиологическим механизмам этого контроля.
Префронтальная кора
Теперь хорошо известно, что префронтальная кора служит диспетчерским центром процессов постановки и осуществления целей; таким образом, ей достается титул структуры, в наибольшей степени определяющей нашу человеческую природу [A. Gazzaley and M. D’Esposito, “Unifying Prefrontal Cortex Function: Executive Control, Neural Networks, and Top-Down Modulation,” in The Human Frontal Lobes, ed. B. Miller and J. Cummings (New York: Guilford, 2007).]. Однако функция префронтальной коры, расположенной в передней части лобных долей, прямо за нашим лбом, исторически была окутана тайной; лишь сравнительно недавно она начала раскрывать свои многочисленные секреты. Интересно, что не все области лобных долей так упорно скрывали свои функции. Например, самая удаленная часть лобных долей, называемая моторной корой, была четко описана еще в начале XIX века как область, отвечающая за движение [G. Fritsch and E. Hitzig, “Uber die elektrische Erregbarkeit des Grosshiirns,” Archiv der Anatomie, Physiologie und Wissenschaftlichen Medizin 37 (1870): 300–332.]. Это было раскрыто в ходе экспериментов, показавших, что разрушение одной стороны моторной коры приводит к параличу мышц на противоположной стороне тела. Электрическая стимуляция этих участков мозга имела обратный эффект и вызывала движение конечностей на другой стороне тела. Вскоре исследователи убедились в том, что эти эффекты были результатом воздействия нейронов моторной коры на нервные клетки, расположенные на другой стороне спинного мозга, которые, в свою очередь, стимулировали мышцы на этой стороне тела. По мере продолжения исследования лобных долей ученые проникли в другие регионы мозга, тоже принимающие участие в движении, но на более высоком уровне моторного планирования. Эти области теперь называются премоторной корой.
Когда исследование лобных долей продвинулось еще ближе к лобной кости, положение заметно осложнилось. Исследователи, которые по аналогии с изучением моторной коры пытались раскрыть функцию префронтальной коры с помощью тех же методов рассечения или стимуляции, получали двусмысленные результаты. Хотя они установили функции некоторых подразделов, таких как левая нижняя часть префронтальной коры, отвечающая за речевые способности, значительные области оставались загадочными, что привело некоторых ученых к мнению о «молчаливых долях мозга» [B. J. Baars and N. M. Gage, Cognition, Brain, and Consciousness: Introduction to Cognitive Neuroscience (New York: Academic Press, 2010).]. Это контрастировало с представлением о префронтальной коре как о важной и обширной части нашего мозга, которое, возможно, имело отношение к мифу о том, что мы используем мозг лишь на 10 % от его способностей [A. M. Glenberg, J. L. Schroeder, and D. A. Robertson, “Averting the Gaze Disengages the Environment and Facilitates Remembering,” Memory and Cognition 26 (1998): 651–658.]. Разумеется, теперь мы знаем, что используем мозг целиком, хотя некоторые его функции очень сложны и остаются не вполне ясными. Было бы странно считать, что в самой сложной структуре, известной человечеству, имеются пустые офисные помещения. Так или иначе, загадка предназначения префронтальной коры растянулась на десятилетия. Как ни странно, случайное событие, случившееся в середине XIX века, открыло нам глаза на истинную природу ее функций. Это был не лабораторный эксперимент, а следствие тяжелой травмы у человека, чья история болезни, наверное, является наиболее важной в истории неврологии.
Тринадцатого сентября 1848 года, в половине пятого, Финеас Гейдж, двадцатипятилетний железнодорожный рабочий, трудился на строительстве железной дороги «Рутленд-Барлингтон» в окрестностях Кавендиша в штате Вермонт [P. E. Wais, M. T. Rubens, J. Boccanfuso, and A. Gazzaley, “Neural Mechanisms Underlying the Impact of Visual Distraction on Retrieval of Long-Term Memory,” Journal of Neuroscience 30, no. 25 (2010): 8541–8550.]. Его бригада должна была проложить участок для строительства с помощью направленных взрывов. Для этого нужно было сверлить отверстия в крупных камнях, вводить туда ружейный порох, запальный фитиль и песок и, наконец, утрамбовывать эти материалы массивным железным стержнем, известным как подбойка. По сведениям современников, во время подготовки одного отверстия Гейдж отвлекся (о, какая ирония!) и забыл насыпать песок. В результате, когда он направил подбойку в отверстие, искра воспламенила порох, и в результате этот железный стержень диаметром около трех сантиметров и весом более шести килограмм влетел в его голову под левым глазом и приземлился в тридцати метрах позади, предварительно проделав дыру в его затылке. Чудесным образом Гейдж не погиб в результате этого трагического инцидента и вроде бы даже не потерял сознания. Во время перевозки в экипаже в его пансион, находившийся в сорока пяти минутах езды, где ему оказали медицинскую помощь, он оставался в здравом уме, несмотря на сквозную дыру в черепе.
Хотя Гейджу повезло в том, что он не погиб мгновенно, он, без сомнения, пережил тяжелейшую мозговую травму в результате этого инцидента [H. J. Bigelow, “Dr. Harlow’s Case of Recovery from the Passage of an Iron Bar through the Head,” American Journal of the Medical Sciences 16, no. 39 (1850): 13–22. See also the Phineas Gage Information Page at http://www.uakron.edu/gage.]. Хотя в течение его жизни, продолжавшейся еще одиннадцать лет после катастрофы, никто не проводил тщательного исследования его мозга, тело Гейджа было эксгумировано через семь лет после смерти и стало предметом подробнейших исследований с использованием самых передовых методов для определения того, какие именно зоны мозга были повреждены. Споры о точных подробностях его травмы продолжаются до сих пор, хотя все согласны с тем, что области лобных долей, отвечающие за моторный контроль, речевые способности и движения глаз, остались не поврежденными. Самые обширные разрушения произошли в переднем и нижнем регионе левой префронтальной коры, но возможно, были затронуты и участки правой префронтальной коры [H. Damasio, T. Grabowski, R. Frank, A. M. Galaburda, and A. R. Damasio, “The Return of Phineas Gage: Clues about the Brain from the Skull of a Famous Patient,” Science 264, no. 5162 (1994): 1102–1105.]. Наибольший ущерб был причинен клеткам белого вещества, соединяющим разные отделы мозга и образующим структурный каркас для функционирования нейронных сетей.
