Сеть в сети. Как работает мозг индивидуума в коллективе?

— Для нашего проекта выбор группы для исследований не так важен. Мы хотим узнать базовые механизмы принятия решений и взаимодействия между людьми, которые, по нашему мнению, не должны различаться для школьников, студентов, научных сотрудников или других категорий.

Мы проводим ряд экспериментов с различным “дизайном”: одни — индивидуально для каждого испытуемого, чтобы выявить характерные особенности его мозговой активности, другие — в группе людей. Состав участников может изменяться, если нужно выявить тонкие эффекты взаимодействия. Кроме того, между двумя последовательными экспериментами бывает продолжительная пауза, в течение которой исследователи проводят обработку полученных данных и на основании результатов корректируют дальнейшую работу. Поэтому нам очень важна доступность испытуемых для участия в экспериментах на длительный срок. 

Исследования проводятся на базе Саратовского государственного технического университета в рамках программы “Опорный вуз” и стратегического проекта “Прорывные нейротехнологии” (руководитель — профессор Александр Евгеньевич Храмов), поэтому основная часть испытуемых — это студенты и научные сотрудники СГТУ. С одной стороны, такая выборка из двух разных групп полезна для исследования. Коллеги из нашего вуза и Технического университета Мадрида в недавней статье в научном журнале PLOS ONE показали, что, например, есть различия в экспериментах по концентрации внимания для немотивированных (студенты) и мотивированных (сотрудники) испытуемых. 

Дело в том, что сотрудники, вовлеченные в научную работу, изначально знакомы с методами проведения эксперимента и, как исследователи, заинтересованы в том, чтобы он прошел с соблюдением всех необходимых условий, что мотивирует их сохранять высокий уровень внимания. Для студентов же участие в эксперименте скорее приключение. При его проведении многих из них отвлекает непривычная обстановка или они просто недостаточно серьезно относятся к этому делу, что негативно сказывается на уровне внимания и концентрации. 

В то же время многие студенты после участия в эксперименте начинают интересоваться исследованиями в области нейрофизиологии: к слову, эта область науки активно поддерживается в СГТУ.

— Речь — о взаимодействии двух и более человек в ходе совместного решения простых когнитивных задач. Особый интерес у нас вызывает изучение сложных процессов, возникающих при коммуникативной деятельности группы людей. Социальное взаимодействие и совместное принятие решений создают зоны зеркальной активности в нейронной сети головного мозга. Активность мозга при работе в группе существенно меняется в сравнении с тем, когда человек работает в одиночку. Зеркальная активность относится к нейронам головного мозга, которые возбуждаются как при выполнении определенного действия самим испытуемым, так и при наблюдении за выполнением этого действия другим человеком. Например, если человек сам читает книгу или наблюдает, как кто-то ее читает, то в обоих случаях будут возбуждаться одни и те же области головного мозга. 

Выбрать когнитивные задачи для решения в группе непросто. Они должны вызывать интерес участников и на время эксперимента полностью занимать их внимание. Кроме того, “дизайн” эксперимента должен давать возможность для взаимодействия людей в ходе выполнения задания. 

Под “дизайном” эксперимента мы понимаем алгоритм действий. Определяются различные организационные и технические стороны: сколько человек участвует в исследовании, какие задания им предлагаются, сколько дается времени на их выполнение, как испытуемые могут взаимодействовать между собой, какие условия необходимо обеспечить в помещении, какое оборудование и как используется для записи активности мозга. Другими словами, “дизайн” эксперимента — это его детальная схема, учитывающая все аспекты. 

Например, одно из заданий — предъявление испытуемым неоднозначных (бистабильных) изображений, которые могут быть восприняты в одной из двух проекций, например, куб Неккера. В таком эксперименте решение, принимаемое одним из участников, будет влиять на то, какие изображения предъявляются другим, и, соответственно, на принимаемые ими решения. Можно проследить, как формируется принятие решений и как решения одних членов влияют на других, то есть этот эксперимент можно рассматривать как простейшую модель формирования мнения в группе.

Исследование механизмов взаимодействия и принятия решений в группе людей имеет фундаментальное значение. Головной мозг человека представляет собой крайне сложную сетевую структуру, состоящую из огромного числа элементов — нейронов. Они постоянно взаимодействуют, синхронизуются или десинхронизуются между собой, что приводит к возникновению различных ритмов и колебаний в активности мозга. 

Рассмотрение головного мозга как сетевой структуры позволило много узнать о его работе и протекающих в нем процессах, однако большинство исследований сконцентрировано на механизмах работы мозга одного человека. При рассмотрении группы людей можно предположить, что сетевые структуры (представляющие мозг каждого из них) также взаимодействуют между собой через непосредственное общение или выполнение совместных заданий. В данном случае можно говорить о сети, каждый элемент которой, в свою очередь, также является сетью, то есть о существовании сети сетей. Такой подход достаточно новый для нейронауки, и полученные результаты будут иметь важное фундаментальное значение.

С другой стороны, наши результаты могут найти и практическое применение. Например, выводы по исследованию формирования мнения в группе можно использовать для разработки системы обучения школьников или студентов. В ходе экспериментов обычно можно выделить несколько сценариев установления мнения в группе. Один из них — когда в группе присутствует лидер, человек с четко выраженной позицией. При таком сценарии мнения остальных членов группы будут постепенно подстраиваться под лидера, что хорошо подходит для систем обучения школьников и студентов. 

Другой сценарий возникает, когда мнение хорошо выражено, например, у двух человек из группы (то есть присутствуют два лидера), в то время как у остальных членов группы оно выражено гораздо слабее. Постепенно взгляды остальных подстраиваются под мнение одного из лидеров, в результате чего в группе образуются два устойчивых кластера.

Еще возможна ситуация, когда практически у каждого члена группы мнения устойчивы, но различны между собой. В такой группе нет ни одного, ни нескольких выраженных лидеров, в итоге в ней не формируется общее мнение (или хотя бы два главенствующих, как в предыдущем случае), что ведет к неэффективному взаимодействию между людьми. То есть принятие решений в группе зависит от отдельных ее членов, личных черт каждого человека. Для обеспечения эффективного взаимодействия членов внутри группы необходимо проводить предварительные личностные тесты и осуществлять соответствующий подбор людей в группу.

— Для исследования механизмов работы головного мозга чаще всего применяют экспериментальные методы с записью различных сигналов, отражающих активность мозга. Мы используем сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Электроды для записи ЭЭГ помещаются непосредственно на кожу головы и регистрируют сумму электрических токов, генерируемых группой нейронов в области каждого электрода. В результате эксперимента по записи ЭЭГ получается набор многоканальных сигналов. 

По своей сути сигнал ЭЭГ — стандартный цифровой, в котором присутствуют различные ритмы, отражающие те или иные процессы в головном мозге. Для исследования таких сигналов в радиофизике используется широкий набор инструментов, включающих как классический анализ Фурье, так и более продвинутые методики вроде непрерывного вейвлет-анализа и разложения сигнала по эмпирическим модам. 

Другой подход для исследования сигналов ЭЭГ — применение искусственных нейронных сетей. Такие методы используют для анализа частотно-временной структуры сигналов, мы применяем их для определения и исследования специ-фических ритмов на ЭЭГ, отражающих процессы синхронизации и десинхронизации и установления связей как в мозге одного испытуемого, так и между людьми.

— Сегодня подобные междисциплинарные темы, являющиеся синтезом биологических, психологических и физико-математических отраслей наук, уже стали традиционным трендом для когнитивных и нейрофизиологических исследований в России и за рубежом. Но, несмотря на большое количество работ и высокую активность в анализе процессов головного мозга, многие вопросы по взаимодействию отдельных зон до сих пор изучены слабо. Таким образом, изучение процессов синхронизации и взаимосвязи между различными областями нейронной сети при когнитивной деятельности сегодня весьма актуально. 

Наши исследования отличаются тем, что, во-первых, направлены на изучение именно групповой мозговой динамики. В экспериментах мы используем комплекс для регистрации сигналов ЭЭГ производства таганрогской компании “Медиком-МТД”, который позволяет одновременно осуществлять синхронную запись сигналов ЭЭГ четырех испытуемых. Во-вторых, мы разработали уникальный “дизайн” экспериментов по взаимодействию и принятию решений в группе людей, что существенно улучшило качество результатов. В-третьих, мы уделяем большое внимание разработке новых оригинальных методов анализа сигналов ЭЭГ, отличительная черта — комбинирование различных методов в единую систему анализа.

Предполагаем, что результаты наших исследований будут использоваться для создания методики, позволяющей влиять на совместное принятие решения при групповом взаимодействии, на основе принципа биологической обратной связи. Под БОС понимают отклик организма (в нашем случае — некоторых отделов головного мозга) на внешнее стимулирование, который будет заключаться в генерации некоторых, желательных экспериментатору паттернов волновой активности. Исследования БОС на протяжении 30-40 лет ведутся в индивидуальном “дизайне” эксперимента, но подобных исследований обратной связи данного вида при групповом взаимодействии практически не проводилось. 

Мы считаем, что результаты наших работ будут полезны не только в России, но и за рубежом как с фундаментальной точки зрения — для дальнейших исследований коллективной мозговой динамики в нейрофизиологии — так и для применения на практике, например, при разработке интерфейса “мозг — компьютер”.