VIII. Современные психофизиологические подходы к проблеме научения (по работам отечественных психофизиологов - В. Б. Швыркова, А. Г. Горкина и Д. Г. Шевченко)

В последние годы в психологии, нейробиологии, в том числе в этологии, а также в психофизиологии боль­шое внимание уделяется изучению механизмов, лежащих в основе научения, частным случаем которого является выработка условного рефлекса и дифференцировок.

В психологии процесс научения рассматривается с бихевиористких позиций, т.е. как внешняя манипуляция опытом и поведением индивида. Акты поведения, или ус­ловные рефлексы, предполагаются чем-то заранее данным и неизменным, а индивидуальный опыт представляет со­бой сумму врожденных реакций и разнообразных ассоци­аций этих реакций со стимулами внешней среды. Поэтому в бихевиористкой психологии научение исследовалось с позиций выработки различных форм условных рефлексов, т.е. разных типов временных связей стимулов и реакций.

Когнитивная психология (в рамках гештальтпсихологии) рассматривала научение как формирование менталь­ных моделей окружающего мира, объектов их взаимоот­ношений, возможных операций с ними и их последствий.

В биологии исследование процессов научения также проводилось с бихевиористских позиций. При этом особое внимание уделялось импринтингу, в котором в яркой форме выявились такие характеристики процесса науче­ния как сензитивный период и видовая селективность.

Этологи признавали необходимость научения в фор­мировании таких форм естественного поведения как до­бывание пищи, оборонительное, социальное и репродук­тивное поведение, ориентация в пространстве. Поэтому при изучении этого вопроса этологи использовали в ла­бораторных условиях в основном модели сравнительно простых форм обучения - привыкания, сенситизации, классического обусловливания и обучения методом проб и ошибок. Для более сложных форм научения (напри­мер, формирования ориентации в лабиринте) исследова­лось так называемое «когнитивное обучение через пробы и ошибки». В целом, такой подход выявил существование биологических ограничений на формирование ассоциаций (это выражалось, например, в невозможности выработать определенные рефлексы у одних видов при сравнительно легком формировании подобных рефлексов у других). Такая точка зрения привела некоторых исследователей к представлению о невозможности создания общей теории обучения.

Для выхода из данной ситуации был предложен эко­логический подход к научению, в основе которого лежа­ло представление о научении как реорганизации индиви­дуального опыта. В рамках этого направления были сформулированы два важных вопроса. Первый касался условий, необходимых для формирования конкретного поведения, а второй касался способов взаимодействия разных элементов опыта при формировании нового пове­дения и переноса навыка. В этом отношении были полу­чены важные данные о переносе навыка. В частности, Л. В. Крушинский показал возможность формирования экст­раполяции движения объекта у собак, а К. Прайор обу­чила дельфинов «творчеству» - в ее экспериментах дель­фины научились совершать разные экзотические движе­ния тела при условии подкрепления только новых, ранее не встречавшихся движений. Экспериментально было вы­явлено явление переноса навыка, т.е. влияния предше­ствующего опыта на формирование новых поведенческих актов. В зависимости от различных условий это влияние может быть как позитивным, так и негативным, т.е. на­личие прошлого опыта может соответственно способство­вать или, наоборот, препятствовать приобретению нового опыта. Возможность эффективного использования пред­шествующего опыта особенно ярко проявляется в науче­нии принципам решения задач, или в научении обучению. Так, Г. Харлоу наблюдал у человека и животных резкое увеличение скорости решения задач в ряду однотипных задач. В целом, благодаря экологическому подходу сфор­мировалось представление (А.Г. Горкин, 1997) о том, что научение является процессом приобретения нового опыта поведения и соответствующих ему внутренних менталь­ных репрезентаций.

Для изучения механизмов научения в эксперимен­тальной психологии и биологии был предложен ряд мо­дельных ситуаций, воспроизводящих основные типы ре­ального научения. Среди них - классическое обусловли­вание (классический условный рефлекс), оперантное обус­ловливание (оперантный условный рефлекс), выработка дифференцировок, обучение в лабиринтах, разрешение проблемной ситуации, а также специфические для чело­века формы вербального научения, научения путем инст­руктирования, научения по примеру. С помощью построе­ния кривых обучения решению разных типов задач на этих моделях удалось показать, что эффективность реше­ния задачи (ее оценивают по объему воспроизводимого по памяти материала либо по количеству правильных от­ветов или ошибок) зависит от количества повторений экс­периментальной ситуации. Анализ кривых обучения по­зволил выявить фазы процесса научения, а также участки плато, т.е. периоды, когда не происходит улучшение по­ведения. Последнее дало основание предположить, что в процессе обучения может происходить изменение страте­гий научения. Судя по виду кривых обучения, для боль­шинства форм научения характерно плавное улучшение выполнения задачи. В тоже время для научений, связан­ных с созданием проблемной ситуации (например, науче­ние в проблемной клетке) более типично явление резко­го, скачкообразного изменения хода кривой научения, которое соответствует нахождению решения задачи с последующим успешным повторением найденного реше­ния. Это явление получило название инсайта, или озаре­ния. Инсайт наблюдается в более сложных формах научения по сравнению с условными рефлексами и дифференцировками. Решение задач, требующих подобных форм научения, происходит путем проб и ошибок. Пред­полагается, что инсайт возникает тогда, когда организм способен прогнозировать результат пробы. В целом, все эти данные привели к выводу о существовании двух ти­пов научения - плавного научения и скачкообразного научения, что может быть связано с разной реорганиза­цией опыта в этих ситуациях.

С появлением методов регистрации электрической активности мозга, в том числе отдельных нейронов, про­блема научения стала интенсивно исследоваться физиоло­гами, особенно при исследовании таких простых форм обучения как привыкание, выработка условных рефлек­сов и дифференцировок. При исследовании места локали­зации образующейся при научении временной связи (энграммы) вопреки ожиданию было показано, что изменения электрической активности нейронов происходят практи­чески одновременно во многих отделах мозга, причем из­менения в специфических анализаторных и моторных об­ластях могут наблюдаться позже, чем в ассоциативных. Это означало, что в научении задействованы многие структуры мозга, а не только специфические сенсорные, моторные и связывающие их ассоциативные структуры как следовало из классических представлений о замыка­нии временных связей. Полученные экспериментальные данные позволили Дж. Экклсу (1977) и другим физиоло­гам сформулировать представление о существовании обу­чающихся нервных сетей. Для объяснения механизма функционирования таких сетей были предложены различ­ные теории, в том числе инструктивные и инструктивно-селекционные теории. Основу этих теорий составил по­стулат Д. Хебба (1949) о том, что длительное сохранение результатов научения обеспечивает изменение эффектив­ности синаптической передачи. В соответствии с одной из таких теорий, предложенной Дж. Экклсом (1977), обуче­ние происходит в нейрональной сети за счет изменения эффективности отдельных синаптических контактов, вы­бор которых производится за счет инструктирующего возбуждения других синапсов. Эта теория учитывает вли­яние мотивации и состояния готовности (за счет этого обеспечивается модулирующее возбуждение определенных входов нейрона). Однако инструктивным теориям присущ ряд недостатков, не позволяющих использовать их для описания сложных форм научения.

Психофизиология, в отличие от нейрофизиологии, принимает в расчет субъективное содержание объектив­ных процессов, в связи с чем она изучает соотношение субъективного с процессами жизнедеятельности. Для этих целей психофизиологи изучают динамику нейрональ­ной активности, которая наблюдается в процессе измене­ния поведения бодрствующего животного. При этом они используют такие понятия как нейронные сети, или ансамбли, рассматривая последние как набор совместно активирующихся клеток. С позиций психофизиологии, научение рассматривается как формирование простран­ственно-временной организации активности мозга, благо­даря которому обеспечивается выполнение приобретае­мого в процессе обучения нового поведения и соответ­ствующего поведению нового состояния субъекта.

Все современные психофизиологические теории на­учения делятся на три типа: инструктивные, инструктив­но-селективные и селективные. Инструктивные теории предполагают изменение функций нейрона за счет изме­нения состояния синаптических контактов. Селективные теории научения исходят из существования заложенного в процессе созревания разнообразия нейронных интегра­ции и выбора необходимой интеграции в результате проб во время обучения. Экспериментальный материал для по­строения психофизиологической теории научения был по­лучен Л.В. Крушинским (1977) на основе исследования способности животных к экстраполяции. Согласно его представлениям, существует резерв нейронов, обеспечива­ющих фиксацию нового опыта. В экспериментах, исследо­вавших нейрональные основы зрительного восприятия, были обнаружены нейроны, специфически активирующие­ся при предъявлении конкретных лиц или определенных черт лица, т.е. гностические нейроны. Как известно, тер­мин «гностические нейроны» был введен в 1970 году Ю. Конорским для обозначения клеток, отвечающих «отдель­ным восприятиям» и фиксирующих элементы опыта. Нейроны, специфически активировавшиеся при предъявле­нии конкретных слов, были обнаружены и в эксперимен­тах на человеке. Важной вехой в понимании процессов научения было обнаружение в 70-ых годах нейронов, специфически активирующихся при осуществлении от­дельных поведенческих актов или при нахождении жи­вотного в определенном месте экспериментальной клетки (нейроны «места»). Оказалось, что эти нейроны рекрути­руются из нейронов, «молчавших» до помещения живот­ного в новую ситуацию. Таким образом, согласно пред­ставлениям Л. В. Крушинского, в процессе формирования условного рефлекса, например, инструментального пищедобывательного поведения, происходит специализация «молчащих» нейронов. Иначе говоря, после формирова­ния новых поведенческих актов, т.е. условных рефлексов, изменяется набор поведенческих специализаций нейронов. Так, у кролика после обучения пищедобывательному по­ведению в лимбической коре возрастает число специали­зированных нейронов. Таким образом, основным постула­том селективной теории научения является представление о наличии резерва нейронов, обеспечивающих усвоение нового опыта.

Другим направлением в современной психофизиоло­гии (в рамках системной психофизиологии) является представление о том, что появление нового пове­денческого акта и соответствующего ему психического состояния связано с реорганизацией всей мозговой актив­ности, в том числе с появлением новой функциональной системы, которая формируется в соответствие с моделью будущего результата поведенческого акта. Иначе говоря, элементарной единицей индивидуального опыта является функциональная система поведенческого акта, которая возникает в процессе научения. Для доказательства этой концепции была разработана (В.Б. Швырков) эксперимен­тальная модель пищедобывательного поведения. Она зак­лючалась в том, что у кролика, которому для получения пищи из двух кормушек, расположенных в углах пере­дней стенки квадратной клетки, требовалось нажимать на педали, расположенные в углах задней стенки той же клетки, регистрировали электрическую активность корко­вых нейронов. Эта модель показала, что в мозге имеются специализированные нейроны, которые обеспечивают реа­лизацию соответствующего поведенческого акта, напри­мер, «подход к педали», «захват пищи», «нажатие педа­ли». Оказалось, что эти нейроны могут объединяться и тем самым способствовать выполнению более сложного поведенческого акта (например, «подход к педали и на­жатие на нее»). На основании этих данных была сфор­мулирована концепция (В.Б. Швырков, 1995) о системоспецифичности нейронов, согласно которой любой нейрон принадлежит только к одной функциональной системе, а полный набор поведенческих специализаций нейронов со­ответствует субъективному репертуару поведений. В этих же экспериментах было показано (А.Г. Горкин, 1987; Д.Г.Шевченко, 1987), что элементы одной и той же фун­кциональной системы поведенческого акта расположены в разных структурах мозга (часть - в лимбической коре, часть - в моторной), а достижение полезного результата происходит за счет их согласованной, кооперативной дея­тельности. Оказалось, что количество нейронов, принад­лежащих одной функциональной системе, в разных структурах, а также представленность разных систем в виде соответствующих специализаций в конкретной струк­туре - неодинакова. Действительно, при исследовании пищедобывательного поведения кроликов было установ­лено, что число специализированных нейронов в мотор­ной и лимбической областях коры неодинаково - боль­ше всего (до 40%) их было в лимбической коре, значи­тельно меньше (не более 10%) - в моторной коре. Пос­ле выработки нового поведенческого акта (условного рефлекса), т.е. в результате доучивания животного, число специализированных нейронов, ответственных за новый поведенческий акт, возрастает (главным образом, в лим-бичесчкой коре). Очевидно, что специализация касается «молчащих» нейронов, которые до обучения не давали спайковых разрядов. Таким образом, результатом науче­ния является формирование «добавки» к набору специа­лизированных нейронов.

Эксперименты также позволили заключить, что при реализации конкретного акта поведения происходит акту­ализация необходимых для этих целей функциональных систем. Нейрофизиологическим выражением степени ак­туализации специфической функциональной системы яв­ляется текущая частота активности специализированного нейрона. Это частота варьирует от нулевых значений (при исключении системы из активного состояния) до макси­мума (при реализации соответствующего акта поведения).

В целом, с позиций системной психофизиологии, ос­новные моменты процесса научения сводятся к следую­щему. В дефинитивном поведении циклически повторяю­щиеся соотношения организма со средой в виде адаптив­ных последовательностей поведенческих актов формируют отношения элементов опыта. За счет воздействия среды эти последовательности могут быть прерваны. В соответ­ствии с имеющимся опытом вместо запланированного акта в таком случае реализуется ориентировочное поведе­ние, сменяющееся следующим приспособительным актом. При многократном повторении такого воздействия проис­ходит привыкание, т.е. сокращение перерыва в последова­тельности вплоть до его полного исчезновения. В случае, когда «информационное» воздействие среды сопряжено с «подкрепляющим» в виде разрушающего воздействия либо появляющейся возможности удовлетворения «моти­вированного» состояния, после ориентировочного поведе­ния совершается поведенческий акт, не входивший ранее в эту последовательность. При многократном повторении фиксируется новая последовательность смены поведенчес­ких актов и обеспечивающие ее реализацию отношения элементов опыта. Таким образом, научение начинается с возникновения проблемной ситуации, когда организм не может достигнуть желаемого результата за счет исполь­зования имеющихся в его фонде функциональных систем. На нейрональном уровне этому соответствует длительное рассогласование метаболических потребностей клеток и синаптического притока. Это приводит к одновременной актуализации множества функциональных систем. Такая актуализация приводит к новым последовательностям по­веденческих актов и изменениям набора прасистем, т.е. пробным соотношениям организма со средой. За счет имеющегося опыта поведения индивида в проблемных си­туациях этот набор не случаен, а подчинен опыту генера­ции успешных проб, накопленному индивидом. В случае неудачи состояние повышенной актуализации множества систем сохраняется и происходит генерация следующей пробы. В случае же успеха полученный результат снижа­ет общий уровень актуализации систем, видимо, за счет частичного удовлетворения метаболических потребностей нейронов. После ряда успешных проб происходит исклю­чение лишних конкурирующих альтернатив и окон­чательно складывается новая функциональная система по­веденческого акта. Она имеет вид определенной органи­зации актуализированных ранее сформированных систем и «добавки» группы специализированных нейронов, пред­ставляющих вновь сформированный элемент опыта в па­мяти организма. Эта «добавка» обеспечивает консолида­цию кооперативного ансамбля, необходимого для достижения данного результата. Одновременно в силу включения нового акта в последовательность имевшихся поведенческих актов формируются отношения нового эле­мента опыта с уже имевшимся в памяти организма.

Приведенные в этом разделе представления о механиз­мах научения, конечно же, не являются окончательными. Эти вопросы, несомненно, требуют дальнейшей разработки.