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.

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.