Приходило ли вам когда-нибудь в голову задуматься, как птицы учатся летать, рыбы – плавать, коты – лазить по деревьям или шторам? И зачем едва научившийся держаться на лапках котенок пытается «охотиться» за вороной, которая реально в два раза больше его по размеру? И почему совсем крохотный щенок считает себя обязанным «облаять» взрослого здоровенного кота, который, если что, может запросто перепутать щенка с крысой со всеми исходящими из этого последствиями?
«Это у них от природы», – скажет кто-то. Вы знаете, и да, и нет. Лучше понимать окружающий мир и разбираться с тем, что пока не совсем понятно, вы можете научиться с помощью нашей программы «Когнитивистика». Да, в принципе, практически все недостающие вам знания вы сможете получить самостоятельно, если систематизируете процесс при помощи программы «Лучшие техники самообразования».
А пока давайте разберемся с птичками, рыбками, котиками, собачками и тем, как у них происходит научение тем или иным навыкам и моделям поведения. Это, кстати, во многом приоткрывает секреты успешного обучения и у человека.
Импринтинг и научение
Для понимания механизма научения и обучения нам потребуется уточнить ряд терминов. Для начала поясним определение термина «научение» с научной точки зрения. Под научением принято понимать относительно постоянные перемены в поведении, которые происходят под воздействием практики взаимодействия человека или животного с окружающей средой и сопровождаются приобретением знаний, умений и навыков.
Способностью к научению обладают не только люди и животные, но и некоторые специально разработанные системы искусственного интеллекта. Более того, ученые нашли подтверждение ранее выдвинутой гипотезе, что способность к научению может быть свойственна и некоторым растениям. Подробно останавливаться на нюансах научения растений не будем ввиду того, что это не является целью сегодняшнего материала. Желающие могут самостоятельно изучить книгу Plant Sensing and Communication, обратив особое внимание на главу 3 Plant Learning and Memory [R. Karban, 2015].
Чтобы лучше понимать, как происходит обучение в животном мире, нам потребуется разобраться с таким термином как «импринтинг». Он происходит от слова imprint, которое во многих европейских языках имеет значение «отпечаток». Собственно, под импринтингом как раз и подразумевается «отпечатывание» информации в сознании и следование ей в дальнейшем. Информация как бы «запечатлевается» и оставляет след в восприятии живого существа и далее становится регулятором его поведения. Кстати, слово «запечатление» часто используется, как синоним термина «импринтинг».
В животном мире импринтинг иллюстрируют примеры, приведенные в начале статьи. Птенцы учатся летать, рыбы – плавать, коты – лазить и охотиться, собаки – гавкать и проявлять агрессию, наблюдая за старшими сородичами и следуя их образцу поведения. И даже такое простое действо как идти «гуськом» друг за другом тоже является примером импринтинга. В науке это называется «реакция следования».
К слову, сам термин «импринтинг» изначально был предложен применительно к зоологии. Наблюдая за жизнью серых гусей, австрийский зоолог Конрад Захариас Лоренц (1903-1989) обнаружил многие закономерности поведения, проявления агрессии, обучения в стае, которые впоследствии имели большое значение для изучения закономерностей поведения людей в замкнутых сообществах и «закрытых» коллективах. Например, в научных экспедициях или в большой семье на самоизоляции.
Свои открытия Лоренц описывал не только в сугубо академических изданиях, но и в научно-популярной литературе. В этом плане весьма интересна его книга «Год серого гуся» [К. Лоренц, 1984]. С его легкой руки, в зоопсихологии под импринтингом подразумевается такой способ научения у высших позвоночных, когда запечатлеваются отличительные признаки объектов и поведения родительских особей, сородичей, естественных врагов, потенциальной добычи.
Исследования продолжились и в последующие годы. Так, ученые выяснили, что даже совсем маленькие цыплята со временем научаются распознавать объекты [G. Horn, 1986]. Серия биохимических исследований показала, что в процесс импринтинга вовлечена передняя часть мозга, а изменения синапсов в этой области происходят в результате тренировки. Левая и правая области играют разные роли в процессе импринтинга.
Так, воздействие на группы подопытных птиц простого искусственного объекта, в качестве которого ученые использовали вращающийся красный квадрат, имеет одни нейронные последствия. А вот воздействие более сложного объекта, например, чучела птицы, имеет несколько иные нейронные последствия [G. Horn, 1986]. Не менее интересно и более позднее исследование Imprinting, learning and development: from behaviour to brain and back [J. Bolhuis, R. Honey, 1998]. Нейронный и поведенческий анализ показал, что формирование предпочтений у птенцов включает, по крайней мере, два отдельных процесса.
Один из процессов – это возникающая предрасположенность подходить к стимулам с характеристиками матери. Кроме того, птенцы предпочитают приближаться к стимулу, которому они подверглись, и этот процесс включает в себя формирование связей между компонентами этого стимула. Ученые, организовавшие наблюдение, назвали это явление обучающим процессом импринтинга [J. Bolhuis, R. Honey, 1998].
В целом, выделяют следующие виды импринтинга: социальный, экологический, пищевой и инструментальный. Поговорим о них подробнее.
Характеристики видов импринтинга:
- Социальный импринтинг – направлен на формирование внутривидового и межвидового взаимодействия. Различают такие разновидности социального импринтинга как детский, родительский, половой и видовой.
- Экологический импринтинг – запечатлевает основные признаки среды обитания животного. Это позволяет впоследствии вовремя идентифицировать знакомые угрозы и незнакомые подозрительные ситуации и избежать опасности.
- Пищевой импринтинг – способствует обучению способам добычи пропитания, способности отличить пригодное в пищу от непригодного, оценке количества и качества пищевых ресурсов в той или иной местности.
- Инструментальный импринтинг – способствует выработке двигательных реакций, необходимых для жизни в существующей среде.
Выделяют следующие условия формирования и свойства импринтинга у животных:
- Формируется преимущественно в начальный период жизни.
- Формируется в краткий срок и без подкрепления.
- Сохраняется на протяжении длительного периода и даже всей жизни.
- Не угасает в отсутствие подкрепления.
- Имеет слабую обратимость.
- Предопределяет дальнейшее развитие животных.
Кроме всего прочего, импринтинг напрямую связан с таким понятием как неассоциативное обучение. Такое обучение заключается в постепенном ослаблении реакции на раздражитель при его повторных появлениях. Выражаясь научным языком, это относительно постоянное изменение силы реакции на одиночный стимул из-за многократного воздействия этого стимула.
Так, если самая первая встреча с незнакомым субъектом или явлением привлечет внимание и вызовет настороженную реакцию, при последующих встречах будет уже понятно, чего ждать от ситуации и как на нее реагировать. Если ситуация нейтральна и не несет ни пользы (добыча, пропитание), ни опасности (хищник, погоня), то и реакция на нее со временем угасает за счет привыкания.
Нечто подобное наблюдается не только у животных, но и у человека. Например, люди, живущие возле аэропорта, перестают обращать внимание на звук двигателя взлетающего самолета, хотя этот звук может достигать 120 децибел и закрытые окна уменьшают его не так уж заметно.
Итак, мы, в целом, поняли, что такое импринтинг и такие связанные с ним определения как научение и неассоциативное обучение. Какова же физиология импринтинга? Каким именно образом те или другие сведения «впечатываются» в память? Для понимания сути разберем еще несколько научных терминов.
Суммация и долговременная потенциация
Итак, что же такое суммация и долговременная потенциация? Долговременная или, как ее еще называют, длительная потенциация – это усиление синаптической связи между двумя нейронами, которое сохраняется на протяжении длительного времени после того, как совершено воздействие на синаптический проводящий путь. Уточним, что под синапсом понимается место контакта двух нейронов или нейрона с принимающей сигнал клеткой.
Передача сигналов идет либо химическим путем с помощью медиаторов, либо электрическим, как переход ионов из одной клетки в другую. Термин «синапс» ввел в научный оборот Нобелевский лауреат Чарльз Скотт Шеррингтон (1857-1952). Свои взгляды он подробно изложил в выдержавшей посмертные переиздания монографии «Интегративная деятельность нервной системы» [Ч. Шеррингтон, 1969].
Для большей наглядности последующие поколения ученых исследовали процесс неассоциативного обучения на примере морского моллюска [J. Byrne, R. Hawkins, 2015]. Оказалось, что обучение и память зависят от множества механизмов пластичности в нескольких участках нейронных цепей, при этом относительный вклад в память разных участков варьируется в зависимости от силы воздействия и времени, прошедшего после воздействия обучения. Оказалось, что те внутриклеточные сигнальные каскады, которые вызывают краткосрочные модификации синаптической передачи, могут быть использованы и для генерации долгосрочных изменений.
Отметим, что у человека долговременная потенциация синаптического проведения является одним из важнейших нейрофизиологических механизмов формирования декларативной памяти, а нарушение декларативной памяти – это один из важнейших признаков и диагностических критериев болезни Альцгеймера. Подробно можно прочитать в статье «Механизмы нарушения долговременной потенциации при болезни Альцгеймера» [В. Мухин, В. Клименко, 2014].
В свою очередь, долговременная потенциация взаимосвязана с таким явлением как суммация. Это взаимодействие синаптических процессов на мембране нейрона или клетки, которое характеризуется усилением эффекта раздражения до рефлекторной реакции. Данное явление как типичное свойство нервных центров впервые описал российский естествоиспытатель Иван Михайлович Сеченов (1829-1905).
Термин «суммация» происходит от слова «сумма», которое в большинстве языков мира означает результат сложения чего-либо. Соответственно, эффект суммации – это слияние эффектов ряда стимулов, происходящих одновременно либо же быстро следующих друг за другом. На основании этого различают такие виды суммации как временная и пространственная.
Характеристики видов суммации:
- Пространственная суммация происходит в случае одновременного воздействия нескольких пространственно разделенных раздражителей.
- Временная суммация фиксируется в случае взаимодействия нервных влияний, происходящих с некоторым интервалом по одним и тем же нервным каналам.
Максимально подробно механизмы суммации описаны в учебном пособии «Введение в зоопсихологию» [С. Киселев, 2015]. Прикладной аспект темы можно освоить из книг, посвященных дрессировке служебных собак [В. Гриценко, 2009].
По сути, разграничение суммации на пространственную и временную на клеточном уровне весьма условно, потому что это один из механизмов координации реакций организма, и одно без другого невозможно. Поэтому нередко суммацию называют пространственно-временной.
Думается, с научной частью пояснений мы разобрались. Теперь осталось разобраться с прикладным значением всех этих понятий, определений, исследований. Может ли понимание всего вышеперечисленного быть использовано на практике и помочь учить или учиться? И если да, то каким образом?
Импринтинг, эффект суммации и неассоциативное обучение: практическое применение
Итак, каким же образом можно воспользоваться знаниями о таких явлениях как импринтинг, эффект суммации и неассоциативное обучение? Выше мы уже начали говорить о том, что все эти знания используются в дрессировке служебных собак [В. Гриценко, 2009]. Пожалуй, стоит рассказать подробнее об этом и других аспектах применения результатов научных исследований в области импринтинга, суммации и неассоциативного обучения.
Дрессировка животных
Человек с незапамятных времен пытается приручить и использовать животных с самой разной целью. Когда-то давно, в «домеханические» времена люди пахали землю на лошадях и волах, ездили на телегах и санях, запряженных лошадьми. Еще в античные времена люди освоили гонки на колесницах, скачки и верховую езду на лошадях. А в северных регионах и сегодня кое-где перемещаются на собачьих упряжках.
Роль собаки в жизни человека весьма многообразна. Это сторож для дома и личный охранник, помощник для подразделений МЧС, пограничной службы и уголовного розыска, поводырь для незрячих и лучший в мире обнаружитель наркотических веществ. Для выполнения каждой из этих функций у собаки нужно воспитать определенные навыки.
Многое, конечно, зависит от породы и темперамента конкретной особи, однако дрессировка способна сделать многое. Но начинать процесс нужно задолго до того, как щенок достигнет возраста, когда можно приступить к тренировкам и отработке команд. Результат зависит не только от выработки определенных условных рефлексов.
Очень многое зависит от того, что видел и слышал щенок в первые дни и даже часы своей жизни. Если с самого рождения животное видит агрессивное отношение к посторонним, оно копирует эту модель поведения. Если с самого рождения животное видит, как взрослые особи спокойно реагируют на все происходящее вокруг, оно начинает вести себя аналогично.
Поэтому важно организовать процесс так, чтобы животное видело то, что нужно для его будущих функций. Так, сторожевой пес обязан реагировать, как минимум, громким лаем на появление любого незнакомого человека. А вот собака-поводырь должна сохранять спокойствие независимо от того, что происходит вокруг.
Организовав необходимую обстановку, мы «включаем» механизмы импринтинга и неассоциативного обучения в соответствии с тем, какие задачи по дрессировке нам нужно решать. Это касается дрессировки всех животных с любой целью, нужно ли «натаскать» собаку «на наркотики» или приучить льва не бояться огня, чтобы потом научить его прыгать сквозь горящее кольцо в цирковом представлении.
Или, например, подготовить лошадь для наездника и участия в спортивных соревнованиях. И даже для того, чтобы просто приучить лошадку спокойно реагировать на деток, желающих на ней покататься, тоже потребуются специальные знания. Исследования в этой области продолжаются по сей день. В качестве примера можно привести научный обзор The role of associative and non-associative learning in the training of horses and implications for the welfare («Роль ассоциативного и неассоциативного обучения в дрессировке лошадей и его значение для благополучия») [P. Baragli et al.,2015].
Выше мы уже упоминали книгу «Введение в зоопсихологию» [С. Киселев, 2015]. Зоопсихология – это действительно целая наука, зачастую такая же сложная, как и психология человека. В контексте нашей статьи скажем, что дрессировка животных была бы невозможна без понимания законов зоопсихологии и использования механизмов импринтинга, долговременной потенциации и неассоциативного обучения.
Обучение детей
Ученые давно выяснили, что интеллект собак сопоставим с интеллектом двухлетнего ребенка [American Psychological Association, 2009]. Поэтому вполне логично предположить, что для воспитания и обучения двухлетних детей вполне пригодны многие из методов, применяемых для дрессировки собак. И даже без такого предположения мы все знаем, как важен личный пример взрослых для формирования личности маленького человека, та обстановка, в которой он растет, то, что он видит и слышит каждый день.
Впрочем, и в более старшем возрасте можно найти немало примеров того, как работает неассоциативное обучение. Так, если просьбы родителей насчет хорошей учебы будут повторяться изо дня в день и не подкрепляться ни какими-то свежими аргументами, ни поощрениями за хорошие оценки, ни наказаниями за плохие, очень скоро ребенок начнет воспринимать такие просьбы, как нейтральный раздражитель, и перестанет на него реагировать. Примерно так, как перестает реагировать на звук взлетающих самолетов живущий возле аэропорта.
Поэтому, если родители желают влиять на ребенка и воспитывать его правильно, для начала они должны научиться подавать положительный пример во всем, касается это правильной речи, культурного поведения или пищевых привычек. Другими словами, если вы хотите, чтобы малыш полюбил книги, он должен видеть, как вы читаете. Если вы хотите, чтобы он уважительно относился к старшим, у него перед глазами должен быть пример уважительного отношения папы к маме и мамы к папе.
И, конечно же, родителям всегда следует четко понимать, что и зачем они пытаются сказать своему ребенку, всегда четко очерчивать границы допустимого и недопустимого с заблаговременным предупреждением о последствиях, и обязательно держать свое слово, не меняя «правила игры» по ходу самой «игры».
Разумеется, следует помнить, что на ребенка влияет не только семья, но и окружающий мир: воспитатели в детском садике, учителя в школе, тренер в спортивной секции, наставник в музыкальной или художественной школе, общение со сверстниками, многое другое. Именно поэтому многие родители очень тщательно выбирают для детей не только садик и школу, но даже первую учительницу, чтобы была не слишком юной и не очень пожилой.
И именно поэтому, в принципе, отдают детей в музыкальную или художественную школу, спортивную секцию или курсы английского языка, чтобы окружающая обстановка способствовала «отпечатыванию» в сознании правильных моделей поведения. В этом действительно есть смысл.
Если вокруг ребенка будут культурные и образованные люди – учителя музыки и английского, преподаватели изобразительного искусства и тренеры – вероятность того, что он научится разумному, доброму, вечному будет больше, чем если у него перед глазами не будет положительных примеров культурного поведения и тяги к прекрасному.
В целом, механизмы импринтинга, эффекты суммации и неассоциативного обучения вызывают устойчивый интерес научной общественности, и в этой сфере регулярно появляются новые исследования. Несколько лет назад было проведено масштабное исследование эффекта суммации в обучении, отслеживании целей и распознавании паттернов [A. Thorwart et al., 2017]. Еще одно интересное исследование проводилось с целью изучения влияния схожести стимулов на эффект суммации [O. Pérez et al., 2018].
Так или иначе, изучение физиологии долговременной потенциации и эффекта суммации открывает новые перспективы и возможности в обучении новым знаниям и навыкам.
Медицина
И, коль скоро мы заговорили о физиологии и биологических механизмах данных процессов, стоит затронуть и медицинский аспект темы. Ученые и медики считают, что изучение физиологических закономерностей процесса долговременной потенциации может в перспективе помочь лечению многих болезней и расстройств здоровья. Например, таких как депрессия. Этому посвящено научное исследование Long-term potentiation and long-term depression: a clinical perspective («Долгосрочная потенциация и длительная депрессия: клиническая перспектива») [T. Bliss, S. Cooke, 2011].
Как выяснилось в ходе исследования, долговременная депрессия – это стойкие изменения в силе синапсов, вызванные определенными паттернами синаптической активности. Другими словами, это можно рассматривать, как пример долговременного потенцирования. Работа в ряде областей головного мозга у многих видов животных и людей продемонстрировала надежную способность химических синапсов претерпевать длительные изменения эффективности в ответ на различные воздействия.
Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе этих процессов, и технологических достижений в неинвазивном манипулировании активностью мозга теперь ставит нас на порог использования долговременной потенциации для управления синаптической силой в нервной системе человека. Лекарства могут использоваться для стирания или лечения патологических синаптических состояний, а устройства неинвазивной стимуляции могут использоваться для искусственного индуцирования синаптической пластичности с целью улучшения состояний, возникающих в результате нарушения синаптического возбуждения.
Эти подходы перспективны для лечения различных неврологических состояний, включая невропатическую боль, эпилепсию, депрессию, амблиопию, шум в ушах и профилактику инсульта [T. Bliss, S. Cooke, 2011]. В некотором смысле борьба с депрессией, стрессом и прочими нервными расстройствами подразумевает научение новым моделям восприятия окружающей действительности. А следовательно, понимание механизмов импринтинга, неассоциативного обучения, долговременного потенцирования, эффекта суммации может помочь процессу.
Вы сможете во многом помочь себе сами, если в ближайшее время пройдете наши программы «Когнитивистика» и «Лучшие техники самообразования». По крайней мере, многое из непонятного станет понятно, а невозможное станет возможным благодаря тому, что вы сможете раскрыть свой потенциал в полной мере. Мы желаем, чтобы с вашим здоровьем, психикой и жизненным потенциалом всегда все было в порядке, и рекомендуем пройти проверочный тест на усвоение материала:
