Введение
Североирландский ученый Дж. А. Скотт Келсо (родился в 1947 году в Дерри, Северная Ирландия) – американский нейробиолог, профессор сложных систем и наук о мозге, а также профессор психологии, биологических наук и биомедицинских наук во Флоридском Атлантическом университете (FAU) в Бока-Ратоне, Флорида, и в Университете Ульстера (кампус Magee) в Дерри, Северная Ирландия. Келсо занимался изучением динамики координации, науки о координации, и фундаментальных механизмов, лежащих в основе произвольных движений, а также их связи с крупномасштабной динамикой координации человеческого мозга. Его экспериментальные исследования, проведенные в конце 1970-х и начале 1980-х годов, привели к созданию модели HKB (Haken–Kelso–Bunz) – математической формулировки, количественно описывающей и предсказывающей, как элементарные формы скоординированного поведения возникают и адаптивно изменяются в результате нелинейных взаимодействий между компонентами.
J. A. Scott Kelso (born 1947 in Derry, Northern Ireland) is an American neuroscientist, and Professor of Complex Systems and Brain Sciences, Professor of Psychology, Biological Sciences and Biomedical Science at Florida Atlantic University (FAU) in Boca Raton, Florida and The University of Ulster (Magee Campus) in Derry, N. Ireland. Kelso has worked on coordination dynamics, the science of coordination and on fundamental mechanisms underlying voluntary movements and their relation to the large scale coordination dynamics of the human brain. His experimental research in the late 1970s and early 1980s led to the HKB model (Haken–Kelso–Bunz), a mathematical formulation that quantitatively describes and predicts how elementary forms of coordinated behavior arise and change adaptively as a result of nonlinear interactions among components.
Биография
Келсо родился в городе Дерри, Северная Ирландия. Он учился в колледже Фойла (1958–1965), получил степень бакалавра в Stranmillis University College Belfast с 1965 по 1969 год и в Университете Калгари, Альберта, с 1971 по 1972 год. В 1975 году он получил докторскую степень в Университете Висконсина, Мэдисон. С 1976 по 1978 год Келсо был ассистентом профессора и директором Лаборатории изучения двигательной деятельности в Университете Айовы. В период с 1978 по 1985 год он был старшим научным сотрудником в лабораториях Хаскинса Йельского университета в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, и профессором психологии и биоповеденческих наук (отделение поведенческой генетики) в Университете Коннектикута. В 1985 году он основал Центр изучения сложных систем и наук о мозге при Атлантическом университете Флориды – междисциплинарный исследовательский центр, объединяющий нейробиологов, прикладных математиков, физиков, психологов и специалистов по компьютерным наукам, работающих совместно в одном здании над общими проблемами, возникающими в сложных биологических системах, от молекул до сознания. Келсо возглавляет исследовательскую группу в Лаборатории мозга и поведения человека Центра. С 1985 года Келсо занимает должность имени Гленвуда и Марты Крич в Атлантическом университете Флориды, где он также является профессором психологии, биологических наук и биомедицинских наук. С 1987 по 2005 год Келсо был директором программы Национального учебного центра NIMH по изучению сложных систем и наук о мозге при Атлантическом университете Флориды. Работая с администрацией FAU и канцелярией канцлера Государственной университетской системы, Келсо способствовал созданию докторской программы Центра по изучению сложных систем и наук о мозге. В 1995 году Келсо был содиректором Летней школы по изучению сложных систем в Институте Санта-Фе. С 1995 по 1999 год он был президентом южно-флоридского отделения Sigma Xi, Научного общества. Он является членом Научного совета Института Plexus, Всемирного совета институтов Эйнштейна и Консультативного совета Исследовательского центра интеллектуальных систем при Университете Ульстера, кампус Magee. Келсо занимал должности приглашенного профессора во Франции, Германии, России и (в настоящее время) Ирландии. Он также многократно читал лекции в США и за рубежом. Он удостоен множества наград и премий за свои научные исследования. В 2007 году он был удостоен премии имени Пьера де Ферма. В 2017 году он был принят в члены Королевской ирландской академии.
Работа
Цель исследований Келсо — понять, как люди (и человеческий мозг по отдельности и вместе) координируют поведение. В настоящее время Келсо и его исследовательская группа используют неинвазивные методы нейровизуализации (ЭЭГ, МЭГ, фМРТ, ПЭТ и т. д.) и статистические инструменты для сбора информации о структуре и функциях мозга в реальном времени, во время поведения. На протяжении последних 30 лет он, вместе с коллегами из лабораторий по всему миру, участвовал в развитии междисциплинарной науки, называемой динамикой координации. Динамика координации — это эмпирическая и концептуальная основа, стремящаяся объяснить, как формируются, сохраняются, адаптируются и изменяются паттерны координации. Выводы, полученные в рамках динамики координации, применяются для прогнозирования поведения в различных системах на разных уровнях анализа. Динамика координации опирается на концепции синергетики и математический аппарат динамических систем (см. теорию нелинейных динамических систем и синергетику). Однако динамика координации направлена на моделирование специфических свойств человеческого познания, нейрофизиологии и социальной функции, таких как предвосхищение, намерение, внимание, принятие решений и обучение. Главный тезис динамики координации заключается в том, что координация нейронов в мозге и скоординированные действия людей и животных связаны благодаря наличию общей математической или динамической структуры. Келсо занимался изучением метастабильности в нейробиологии. Эта концепция вызывает все больший интерес у теоретиков и вычислительных нейробиологов, поскольку она предоставляет математическую формализацию идеи о том, что отдельные части мозга могут быть одновременно специализированными и обособленными, и в то же время функционировать как единое целое.
Ранние работы
Ранние работы Келсо использовали методы нервной блокады для отключения сенсорного ввода от конечностей у людей. Его эксперименты показали, что даже при отсутствии сознательного восприятия положения конечностей, люди способны точно перемещаться в нужные точки в пространстве. Наряду с исследованиями Полита и Биззи, проведенными на обезьянах в MIT, работы Келсо сыграли ключевую роль в становлении теории точки равновесия в управлении движениями, впервые предложенной Анатолем Фельдманом. Затем, работая со своими студентами Дэвидом Гудманом и Дэном Саутардом, он продемонстрировал – используя технику импульсного светодиода задолго до появления сложных систем компьютерного анализа движений – что мозг контролирует сложные, скоординированные движения верхних конечностей, используя функциональные синергии, идея, впервые выдвинутая русским физиологом и кибернетиком Николаем Бернштейном. Последующие исследования в лаборатории Хаскинса, сочетавшие новые методы возмущений с кинематической и внутримышечной регистрацией, показали, что контроль и координация сложных речевых жестов также основаны на функциональных синергиях или координационных структурах. Задаваясь вопросом о том, как формируются синергии в двигательных системах, Келсо отошел от нейрофизиологии Шеррингтона к теориям самоорганизации, в частности, к новой междисциплинарной области синергетики, основанной Германом Хакеном. В то время преобладало представление о том, что поведение определяется "центральной программой" – заранее заданным набором инструкций, предписывающих поведение набора биомеханических компонентов. В отличие от этого, Келсо экспериментально показал, что поведение также может возникать самоорганизующимся образом, как результат высоко нелинейных взаимодействий между множеством взаимосвязанных элементов. Его эксперименты стали первыми, продемонстрировавшими существование фазовых переходов – внезапных и спонтанных сдвигов из одного координированного состояния в другое при непрерывном изменении параметра. Фазовые переходы являются базовым механизмом самоорганизации в природе, и эксперименты Келсо, которые многократно воспроизводились, впервые показали их в скоординированных движениях человека.
Модель HKB
Келсо и его коллеги позже продемонстрировали, что многие сложности координированного моторного поведения в сложных многостепенных системах могут быть выведены из относительно простых, но нелинейных математических законов. Обзор этой работы можно найти в Kelso et al. (1987) и Schöner & Kelso (1988). В частности, Келсо разработал математическую модель в сотрудничестве с выдающимся теоретическим физиком Германом Хакеном, основоположником теории лазера и синергетики. Эта "модель HKB" позволила вывести основные формы координации, наблюдаемые в экспериментах Келсо, используя систему нелинейных связей между отдельными координирующими элементами. Модель HKB объяснила и предсказала экспериментальные наблюдения, такие как "критическое замедление" и "усиленные флуктуации", связанные с нестабильностью и резкими изменениями в координации. Последующие расширения модели HKB учитывали влияние шума, нарушение симметрии, множественные взаимодействующие гетерогенные компоненты, процессы рекрутинга и аннигиляции, параметрическую стабилизацию и роль изменяющейся среды на координацию.
Изображения мозга
Впоследствии Келсо и его коллеги перешли от изучения руки к изучению мозга, используя большие массивы SQUID-магнетометров для регистрации нейромагнитной активности мозга и функциональную магнитно-резонансную томографию (фМРТ) для регистрации активации, зависящей от уровня оксигенации крови (BOLD), в различных областях мозга. Эта работа показала, что математические формы, наблюдаемые в согласованных движениях рук (например, фазовые переходы), также обнаруживаются на изображениях мозговой активности. Или, как выразился Келсо, "одна и та же динамика координации управляет активностью мозга и человеческим поведением". Например, на основе регистрации и анализа активности человеческого мозга Виктор Джирса, Армин Фукс и Келсо смогли вывести уравнения координации HKB на поведенческом уровне из более реалистичной анатомической и физиологической модели лежащего в основе нейронного субстрата.
Текущие исследования
Текущая работа Келсо посвящена вопросу о том, применимы ли одни и те же принципы и механизмы динамики координации к человеческим мозгам, взаимодействующим в социальных ситуациях. Используя большие массивы электродов, доступные в настоящее время в области электроэнцефалографии (ЭЭГ), он и его коллеги регистрируют активность мозга пар людей, выполняющих согласованные движения рук. Удивительно, но команда Келсо выявила нейронные сигналы, соответствующие тому, координируют ли люди свои действия совместно или действуют независимо. В другом направлении исследований Келсо и его коллеги разработали новый подход к пониманию взаимодействия в реальном времени между человеком и машиной, получивший название «Взаимодействие с виртуальным партнером» (VPI). В VPI люди координируют свои действия с виртуальным партнером, поведение которого определяется компьютерной моделью уравнений HKB, известных как управляющие базовыми формами человеческой координации. VPI представляет собой принципиальный подход к взаимодействию человека и машины и может открыть новые возможности для понимания того, как люди взаимодействуют с машинами, имитирующими человеческое поведение.
Публикации
Скотт Келсо опубликовал многочисленные статьи и книги. Выборка:
1973. Нервная компрессионная блокада как фактор, определяющий поведенческие и неврологические параметры.
1982. Моторное поведение человека: введение. 1982. Развитие контроля и координации движений, с Джейн Э. Кларк.
1995. Динамические паттерны: самоорганизация мозга и поведения.
2004. Динамика координации: вопросы и тенденции, с Виктором К. Джирсой.
2006. Взаимодополняемость, с Дэвидом Энгстрёмом.
1973. The nerve compression block as a determiner of behavioral and neurological parameters
1982. Human motor behavior: an introduction. 1982. The Development of movement control and coordination, with Jane E. Clark. 1995. Dynamic patterns: the self organization of brain and behavior
2004. Coordination dynamics: issues and trends, with Viktor K. Jirsa
2006. The complementary nature, with David A. Engstrøm