Атлетичный мозг. Как нейробиология совершает революцию в спорте и помогает вам добиться высоких резу - Кетвала Амит
Этот английский нападающий мало чем похож на привычного нам футболиста международного уровня, притом что он налетал по всему миру не меньше, принимая участие в соревнованиях. Его зовут Мусташио. Он не слишком силен в игре на втором этаже, не идеален в обработке мяча, а по полю он бегает в маленькой шляпе-цилиндре и с моноклем. Его рост 40 сантиметров, а сам он робот-андроид, игрок команды Плимутского университета на чемпионате мира по футболу среди роботов.
Тем не менее у Мусташио все же есть некоторые черты сходства с такими футболистами, как Уэйн Руни, и их больше, чем кажется на первый взгляд. Компьютерный мозг робота решает те же задачи, что и мозг Руни во время матча. В его программе заложены аналогичные стратегии, начиная с определения текущего положения мяча и прогноза о том, где он будет находиться в следующий момент.
Мусташио и его напарники Пиксель, Гиэрс, Эмпс и Флакс экипированы одинаковыми веб-камерами, с их помощью роботы получают необходимую им визуальную информацию. Затем они могут, подобно людям, использовать эту информацию для расчета траектории и направления движения мяча, а также для принятия решений в зависимости от характера его движения. При всем обилии высоких технологий игра идет мучительно медленно. Главная причина низкого темпа – в неуклюжести игроков; это, по словам одного из создателей Мусташио Фила Калверхауса, основной камень преткновения. Он с неподдельной радостью сообщает о том, что ни один из плимутских футболистов не упал за время чемпионата.
В спорте мозг решает куда более сложные задачи, чем это обычно представляется. Даже самое элементарное движение требует точного расчета скорости и траектории перемещения различных объектов, в том числе и положения в пространстве самого спортсмена. «Чтобы взять шахматную фигуру и переместить ее на другое поле, требуется больше вычислительной мощности, чем чтобы решить, какой сделать ход, – утверждает профессор Лондонского университета Винсент Уолш, один из крупнейших мировых специалистов в области когнитивной нейробиологии. – Мне кажется, что в плане использования мозговых ресурсов, связанных с обработкой информации, спорт сильно недооценен. А ведь это фактически особая форма мышления».
Именно поэтому роботы пока так далеко позади нас. Наш мозг гораздо сложнее и функционирует гораздо быстрее. «Человек как система невероятно сложно устроен, – рассуждает доктор Калверхаус из Плимутского центра робототехники и нейробиологии. – Преимущество человека в том, что в его мозгу одновременно обрабатывается просто невероятное количество информации. Поэтому нам доступны куда более сложные вещи, чем все то, на что способны роботы».
Человеческий мозг действительно уникален. В пропорции к размерам всего тела он примерно в два раза крупнее по сравнению с мозгом любого другого существа на Земле и к тому же имеет громадные возможности. По данным одного исследования, чтобы проделать такой же объем операций в секунду, который выполняет всего один человеческий мозг, потребуется задействовать мощность всех имеющихся компьютеров. [6]
Одна из причин уникальности нашего мозга состоит в размере его коры – нервной ткани, покрывающей полушария головного мозга, с большим количеством борозд и извилин. Именно кора отвечает за то, чем мы отличаемся от большинства других животных: способность к рассуждению, планированию и общению. В коре каждого из полушарий выделяют четыре доли: лобную, теменную, височную и затылочную.
Нервная ткань состоит из клеток – нейронов. В человеческом мозге насчитывается порядка 100 миллиардов нейронов. Каждый представляет собой тонкую вытянутую структуру с большим количеством отростков. Эти клетки проводят электрические и химические сигналы, которые в конечном счете определяют индивидуальные черты нашего сознания. Нейронная сеть – это своего рода жесткий диск плюс интернет-соединение: внутри нее хранится и передается информация и различные команды.
Единственная функция нейрона как отдельной клетки заключается в передаче электрического импульса, короткого сигнала, похожего на вспышку света. Однако главное здесь – в количестве связей с другими нейронами, которые возбуждаются от этого импульса. От того, как именно будут задействованы миллиарды таких связей, зависит характер мысли или действия в ответ на раздражения, поступающие из других частей тела.
Работу нейронов можно сравнить с игрой оркестра: мелодию всего произведения можно услышать, только когда музыканты играют вместе. Если использовать спортивную аналогию, представим себе болельщиков на стадионе, у каждого из которых в руках небольшой фрагмент картинки. Отдельно взятый болельщик может либо поднять свой фрагмент в определенное время, либо нет. Однако когда несколько тысяч болельщиков разом поднимают свои кусочки изображения, в их секторе появляется целая картина или слоган.
Нечто подобное происходит и в мозге человека. Когда мы думаем о каком-либо предмете, испытываем какую-либо эмоцию или выполняем какое-либо действие, сигналы идут по определенному участку сети нейронов. Уже проводятся первые эксперименты по считыванию сигналов непосредственно из мозга. Ученым удалось получить изображение лиц людей, о которых в данный момент думали испытуемые, исключительно на основе анализа их мозговой активности.
Итак, наши мысли, чувства и действия, а также процессы обработки информации, которые Фил Калверхаус стремится воспроизвести в своих роботах, возникают благодаря определенным комбинациям нервных импульсов, в проведении которых могут быть задействованы миллионы нейронов. Глава 1 нашей книги посвящена тому, как мозг спортсмена мирового уровня научился использовать эти процессы и как благодаря этому ему удается делать то, что на первый взгляд кажется невозможным.
Удар – и мимо
При выполнении подачи в крикете игрок, подающий мяч (боулер), может метнуть его со скоростью около 160 км/ч. В этом случае мяч долетает до игрока, отражающего его битой (бэтсмена), менее чем за полсекунды. Учитывая, что регистрация полета мяча занимает в мозгу бэтсмена около 200 миллисекунд, а на отражающее движение битой он затрачивает примерно 700 миллисекунд, непонятно, как ему в принципе удается попасть по мячу. Профессиональные бейсболисты и крикетисты регулярно справляются с такими подачами, при которых новичок либо будет вхолостую махать битой, либо получит синяки.
Ключом к этой загадке является механизм прогнозирования. Если робот может вычислить текущее положение мяча и рассчитать его предшествующее положение, то профессиональный спортсмен способен по ряду косвенных признаков определить вероятную траекторию дальнейшего движения мяча. Секрет мгновенной реакции кроется в умении считывать такую информацию, которую другие просто не замечают. Для научного обоснования этой гипотезы профессор Квинслендского университета (Австралия) Брюс Абернети с коллегами провел серию экспериментов с частичным перекрытием обзора, во время которых бэтсмену, готовящемуся отразить подачу, всячески ограничивали возможность видеть мяч. [7]
На самом деле все было вполне безопасно.
Бэтсмен был в специальных очках, затемняющихся по команде компьютера экспериментатора или от специальной педали во время подготовки боулера к броску. В одном из экспериментов участвовали по шесть профессиональных и начинающих бэтсменов, а также трое боулеров, выполнявших крученые подачи. Очки на бэтсменах затемнялись либо непосредственно перед тем, как боулер отправлял мяч в полет, либо перед отскоком от земли, либо оставлялись незатемненными. В итоге более опытные игроки гораздо лучше справились с отражением мяча, не имея возможности проследить весь его полет. Им помогла информация о положении тела боулера и движениях его руки. Другим экспериментом было доказано, что профессиональный игрок в крикет начинает менять положение ног вперед или назад еще до того, как мяч оказывается в воздухе, в то время как менее опытный крикетист будет ждать, пока траектория полета мяча не станет более очевидной. В более поздних экспериментах ученые еще радикальнее уменьшали количество визуальной информации, доступной бэтсмену. Выяснилось, что опытный игрок может точно спрогнозировать траекторию мяча по характеру движения суставов боулера при выполнении подачи и даже по движению одной лишь его руки.
