ИССЛЕДОВАНИЯ КОГНИТИВНЫХ ФУНКЦИЙ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ДОКЛАД ЧЛЕНА-КОРРЕСПОНДЕНТА РАН Б.М. ВЕЛИЧКОВСКОГО
В последние 10—15 лет в мировой науке наряду с нано-, био- и информационными технологиями в качестве равнозначного выделился комплекс когнитивных исследований, связанных в первую очередь с изучением познавательных процессов у человека. В результате в начале XXI в. стал радикально меняться облик многих разделов таких дисциплин, как психология, лингвистика, физиология, философия, экономика, эргономика и антропология. Появление междисциплинарной когнитивной науки (cognitive science) сопровождалось возникновением целого ряда технологических приложений. Взаимосвязи фундаментальных исследований в данной области с новыми технологиями и посвящено моё выступление.
Прилагательное "когнитивный" происходит от лат. cogniscere — знать, узнавать, понимать. В отличие от времён Декарта, который ввёл этот термин в научный оборот (cogito ergo sum; res extensa vs. res cogitans), "когнитивными" сейчас называют не только процессы осознанного понимания и речевого мышления, но и такие базовые биологические процессы, как, например, ориентация в пространстве, предвосхищение событий и поведенческое реагирование на них. Во всех этих случаях существенным является внутреннее представление ("образ", "ментальная модель", "репрезентация") ситуации и использование это-
го представления в целях решения задачи. Классическими темами и одновременно центральными проблемами когнитивных исследований являются восприятие собственного тела, восприятие внешнего мира, память и обучение (во всех формах, имеющих различные мозговые механизмы и динамику развития), речь и мышление, мышление и интеллект, высшие формы сознания, эмоции и мотивация, построение движений. Каждая из этих тем сегодня — своеобразная "стройплощадка", на которой усилиями междисциплинарных научных коллективов происходят компьютерное моделирование и углублённый анализ нейрофизиологических механизмов, всё чаще включающий их генетические и молекулярные компоненты.
Если рассмотреть публикации ведущих научных журналов с точки зрения плотности перекрёстных ссылок, то возникает двумерный ландшафт научного знания. На рисунке 1 отчётливо выступают четыре междисциплинарных кластера: Нано, Био, Инфо и Когно. В известных отечественных и зарубежных прогнозах развития высокотехнологического сектора их обозначают как НБИК или называют конвергентными технологиями (см., например, "NBIC-отчёт" Национального научного фонда и министерства торговли США — Converging Technologies for Improving Hu-
Рис. 1. Карта современного научного знания с четырьмя кластерами "мегатехнологий"
Math
Law
Л
V
; у Comuter Tech
Policy Statistics
I
'^инфо , ,
Economics l<„»
' ' CompSci
.. „phys-Chem
jr /7 t . «r
Education ■/ - Vision Physics '. HaH0 ''' ' Chemistry
a. - **
Psychology
^ Brain
.. Environmen^ GeoScience
I
Psychiatry KOXHO
' I
ain
Environment
Bio-
.■YvBiology
био
Bio- BioChem , Materials
eJij/n I jup " wt J
Microbiology
Plant
Cancer
V
Disease & ■ ' , .- Animal
Treatmets
Virology ' ..Infectious Diseases
man Performance: Nanotechnology, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science). "Конвергенция технологий" находит своё выражение в усиливающейся взаимосвязи этих четырёх направлений и их совместном влиянии на общество. Так, бурный рост современных когнитивных исследований был подготовлен двумя научно-техническими революциями середины и последней трети ХХ в.: появление компьютерных технологий дало средства моделирования, проведения экспериментов, обработки и представления данных, а развитие физики низких температур позволило создать неинвазивные средства трёхмерной визуализации мозговых процессов и состояний.
Основой конвергенции технологий являются материальное единство мира на наноуровне и его интеграция на более высоких уровнях организации. В процессе конвергенции технологий когнитивные исследования выполняют системную роль проверки соответствия разрабатываемых продуктов и услуг психофизиологическим характеристикам человека и выявленным на их основе эргономическим нормативам. Развитие инженерных приложений в области человеческого фактора проходило сначала под знаком базовых физических и биомеханических параметров человека. С конца прошлого века на первый план выступил учёт постоянно меняющихся когнитивных характеристик человека, в связи с чем возникла когнитивная эргономика. В частности, нами ещё в начале 1990-х годов был выдвинут принцип
динамической ориентации на мгновенное состояние внимания и намерения пользователей технических систем, а не просто на их инвариантные антропологические характеристики как представителей вида Homo sapiens.
Центральное понятие современного этапа развития — когнитивные технологии, под которыми понимаются инструменты, материалы и процедуры, улучшающие оценку человеком актуальной ситуации и результативность его деятельности. Хотя когнитивные технологии стали развиваться с определённой задержкой по отношению к ин-фо-, био- и нанотехнологиям, объём обеспечиваемого ими рынка инновационных продуктов и услуг уже измеряется в миллиардах долларов. Они возникли первоначально как технологии интерфейсов между человеком и вычислительными системами. Примером служат графические интерфейсы пользователя, по сей день применяемые такими фирмами, как Apple и Microsoft. В основе этой технологии лежат исследования зрительной долговременной памяти, в том числе исследования, проводившиеся под нашим руководством в конце 1970-х годов в МГУ им. М.В. Ломоносова. Эти работы выявили практическую неограниченность объёма зрительной памяти-узнавания по сравнению с памятью на абстрактные команды языков программирования. На использовании средств компьютерной графики и знании закономерностей восприятия основана технология виртуальной реальности, широко применяющаяся в тренажёрах, компьютерных играх,
Рис. 2. Человеческий глаз в инфракрасной подсветке систем видеослежения (вверху), иллюстрация метода ландшафта фиксаций на примере картины Каналетто "Вид Дрездена" (в центре) и эмпирически измеренный и вычисленный ландшафт фиксаций (внизу) Визуализация восприятия наложена на изображение картины Каналетто
а также при создании прототипов промышленных изделий.
Достоинства и недостатки первого поколения когнитивных технологий целиком определяются тем, в какой мере они учитывают особенности когнитивных процессов у человека. Очевидно, что, затрагивая относительно низкий слой когнитивной архитектуры, связанный с сенсорно-перцептивными процессами, они ещё пока недостаточно учитывают полимодальность восприятия и его зависимость от факторов внимания, то есть от актуальной направленности деятельности человека. Поэтому сегодня центр тяжести исследований
перемещается к детальной "инвентаризации" всего спектра когнитивных функций. Складывается впечатление, что любой хорошо установленный за последние 150 лет развития экспериментальной психологии факт имеет практическое значение, хотя мы часто ещё не понимаем, какое именно. Всё большую роль приобретает также анализ текущей мозговой активности при решении тех или иных задач, в том числе и при выполнении практической деятельности на рабочем месте. Исторически основой для формирующейся таким образом нейроэргономики служат работы нейропсихологов, выявивших специализацию различных анатомических областей и множественную представленность классических когнитивных функций на различных уровнях эволюционной организации мозга.
К числу примеров второго поколения когнитивных технологий, возникающих на стыке с ин-фо-, био- и нанотехнологими, относятся:
♦ интерфейсы, чувствительные к вниманию пользователя (Инфо-Когно);
♦ интермодальные интерфейсы на базе новых наноматериалов (Нано-Инфо-Когно);
♦ методы экспликации сознания и диагностики эмоций (Био-Инфо-Когно);
♦ методы распознавания жестов (Инфо-Когно);
♦ антропоморфные агенты/аватары (Инфо-Когно);
♦ методы когнитивной геномики и когнотроп-ные субстанции (Био-Нано-Когно);
♦ нейромаркетинг и нейроэкономика (Био-Когно);
♦ методы молекулярного "ремонта" памяти человека (Био-Нано-Когно).
Современные подходы открывают возможности для подлинно адаптивного взаимодействия между человеком и техническими устройствами. Например, обработка изображения лица позволяет практически в режиме реального времени (с частотой до 2000 раз в секунду и выше) фиксировать движения глаз человека, отражающие уровень и направленность внимания, и определять его эмоциональное состояние по мимике лица. В 1990-е годы нами был впервые предложен метод обработки изображения с точки зрения пространственного распределения зрительных фиксаций (рис. 2). Данный метод использует тот факт, что в каждый момент времени лишь очень узкая фовеальная область диаметром около 2 угловых градусов — она аппроксимируется соответствующим гауссовским распределением — может быть отчётливо воспринята наблюдателем. Отмечу, что размеры этой области примерно соответствуют угловой величине ногтя большого пальца вытянутой руки. Таким образом, исходное для нашего сознания впечатление одновременного (и отчётливого) восприятия заполненного светом
и цветом предметно структурированного окружения представляет собой результат интеграции знания о типичных особенностях среды нашей жизнедеятельности с данными, получаемыми в результате развёрнутой во времени глазодвигательной активности. Нам кажется, что мы видим значительно больше, чем воспринимаем в действительности.
Наряду с техническим совершенствованием систем видеослежения и обработки изображений, важнейшее значение имеют классические данные нейропсихологии о существовании двух основных групп кортикальных механизмов зрительного восприятия1. Первая из них локализована преимущественно в теменных отделах коры ("дорзальный поток"). Она обеспечивает глобальную пространственную локализацию объектов и осуществление направленных к ним движений. Вторая система реализует процессы идентификации объектов и их осознанного, детального (функция "фокального внимания") обследования. Эта, филогенетически более но
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.