Фрактально-хаотические свойства когнитивных процессов: возрастной аспект

Москва
ИНФРА-М
2020

ФРАКТАЛЬНОХАОТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 
КОГНИТИВНЫХ 
ПРОЦЕССОВ 

ВОЗРАСТНОЙ АСПЕКТ

В.Г. КАМЕНСКАЯ
Л.В. ТОМАНОВ

МОНОГРАФИЯ

УДК [159.91+159.9.072](075.4)
ББК 88.37
 
К18

Каменская В.Г.
К18 
 
Фрактально-хаотические свойства когнитивных процессов: возрастной аспект : монография / В.Г. Каменская, Л.В. Томанов. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 217 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1053569.

ISBN 978-5-16-015748-1 (print)
ISBN 978-5-16-108149-5 (online)

В монографии приведены литературные сведения о природе стохастических 
процессов и об их участии в работе мозга и поведении человека. Установлено, что 
реальные когнитивные процессы и психические функции связаны как с процессуальной стороной внешних событий, так и со стохастическими свойствами внутренней динамики мозговых систем в виде флуктуаций их параметров, в том числе 
ритма сердца и генерации сенсомоторных реакций. Экспериментально доказано, 
что динамика измеряемых физиологических процессов находится в ряду от хаотического режима до слабо детерминированного — фрактального режима. Фрактальный режим определяет максимальную упорядоченность и организованность 
гомеостаза когнитивных процессов и состояний, а также высокую адаптивную 
способность систем организма с фрактальными свойствами. Фрактально-хаотическая динамика имеет полезное качество для изучения реальных физиологических и психических систем – иметь однозначное численное определение упорядоченности и хаотичности процессов с помощью расчета фрактальных индексов. 
Монография представляет результаты многолетних экспериментальных исследований отражения стохастических свойств сенсомоторных реакций, а также стохастических свойств кардиоритма детей, подростков и взрослых в возрастном аспекте в речевой деятельности и восприятии различных музыкальных фрагментов 
со своей собственной частотно-спектральной структурой. 
Предназначена для магистрантов, аспирантов и исследователей, выполняющих научные разработки по когнитивной психологии и психофизиологии.

УДК [159.91+159.9.072](075.4)
ББК 88.37 

ISBN 978-5-16-015748-1 (print)
ISBN 978-5-16-108149-5 (online)
© Каменская В.Г., 
Томанов Л.В., 2020

Р е ц е н з е н т ы:
Павлов К.И., кандидат психологических наук, старший научный сотрудник;
Хохлова Л.А., доктор психологических наук, доцент

Предисловие

Когнитивные процессы относятся к классу событий, разворачивающихся во времени различной длительности. В современной науке этот класс событий называется динамическим. 
Динамическое описание психических и физиологических процессов имеет давнюю историю и является популярной идеей 
и в настоящее время. Изучение динамики событий во внешнем 
мире определяется философской идеей о времени как форме 
существования материи. Явления материального мира зарождаются, развиваются и погибают/разрушаются, имея 
принципиально необратимый вектор существования от прошлого через настоящее в будущее. Это представление о времени как однонаправленном векторе развития живых систем 
определяет центральные позиции детерминизма в разных 
его вариантах, как в нейронауках, так и в психологии, в том 
числе когнитивной психофизиологии. Центральным психическим процессом в этих концепциях является память, которая обеспечивает влияние прошлого опыта на принятие 
решений и на действия в настоящем времени. Понятно, почему в разных разделах когнитивной психофизиологии исследованию памяти уделяется большое внимание и накоплен 
большой массив данных о морфо-функциональной структуре 
оперативной и долгосрочной памяти. В российской психофизиологии, прежде всего в учении о функциональных системах 
П.К. Анохина, детерминация поведения со стороны прошлого 
опыта с помощью памяти дополнена понятием целеполагания 
(перенесения мотива на цель по А.Н. Леонтьеву), которое определяет поведение влиянием будущих событий в виде модели 
полезного результата действия. Будущие события не могут 
быть полностью детерминированы прошлым опытом, а также 
поведением в настоящем времени, поэтому модель полезного 
результата всегда имеет вероятностную природу. Предвидение 

В.Г. Каменская, Л.В. Томанов

реализации своей цели и своего поведения в будущем времени 
как психических процессов возможно в том случае, если мозг 
и его системы обладают вероятностными – стохастическими 
свойствами, которые обеспечивают относительную адекватность поведения в неравновесной динамической среде. Таким 
образом, предполагается, что внутренняя динамика мозга детерминирована внешними событиями в разных масштабах времени, начиная от эволюционного времени по Швыркову В.Б. 
и заканчивая динамическими характеристиками разрядов отдельных нейронов, которые изучаются в нейрофизиологии. 
Вместе с тем мозг, обладая высокой степенью сложности, модулирует все динамические события, связанные с внешней 
средой. Реальные физиологические процессы и психические 
функции отражают как внешнюю динамику, так и стохастические свойства внутренней динамики мозговых систем в виде 
частотно-спектрального состава электроэнцефалограммы. Последний аспект динамики мозга хорошо изучен в нейрофизиологических работах и отражен в достаточно большом числе 
моделей. 
Одной из известных динамических моделей, основанной 
на описании частотно-спектрального состава ЭЭГ, является 
так называемая динамическая каузальная модель ДКМ Дэвида с соавторами (David et al., 2006), представляющая мозг 
в качестве детерминированной нелинейной системы, являющейся субъектом входов и организатором выхода и реализуемого ответа. Теоретически в ДМК допускается воздействие реального физического времени, модулирующего 
нейрональную активность в большом числе пространственно 
разнесенных структур в высокочастотном диапазоне ЭЭГ, 
в бета- и гамма-диапазонах. Причем фиксируется важный момент этой модуляции, связанный с ритмической синхронизацией нейрональных разрядов в больших и локальных сетях. 
Популярная модель хорошо описывает механизмы и психологические особенности селективного внимания как важнейшей 
системы целенаправленного поведения в сложной и дина

Фрактально-хаотические свойства когнитивных процессов: возрастной аспект

мичной среде и демонстрирует существенную нелинейность 
нейрональных процессов, нарушающих последовательность 
этапов обработки информации от прошлого к будущему. Существенные достоинства этой модели, тем не менее, не дают 
рассчитывать определенные характеристики динамики синхронизированных нейрональных систем, позволяющих оценивать качество функционирования мозга и селективного 
внимания, обеспечивающего различную степень адекватности поведения в настоящем времени и в определенных 
экологических условиях. Модель в представленном в монографии виде (From Attention to Goal-Directed Behavior. 
Ed. by F. Aboitizand D. Cosmelli. Springer. 2010) имеет качественный и описательных характер. Одновременно с разработками, представленными в этой монографии, интенсивно 
развивалось еще одно направление в психофизиологии, теоретическое обоснование которого в существенной степени 
было заимствовано в физических концепциях больших интерактивных систем (БИС) и нелинейной слабо детерминированной динамики этих систем. Особенностью больших интерактивных систем является система множественных иерархически организованных связей (стоков) отдельных элементов 
БИС с внешней неравновесной средой. Внутреннее состояние 
БИС (ее гомеостаз) характеризуется перманентной неустойчивостью, выражающейся в постоянных вариациях всех без 
исключения ее параметров. БИС, следовательно, характеризуются постоянным смещением своих характеристик в определенном диапазоне численных значений. Можно рассчитать 
средние значения этих характеристик в конечном временном 
ряду, в этом случае мгновенные значения характеристик формируют континуум флуктуаций с определенной статистикой 
их распределений. 
Неравновесные состояния БИС описываются рядом фазпереходов от абсолютной детерминации до белого шума, в котором не существует определенных повторяющихся состояний 
во времени. Это две крайние точки континуума динамики 

В.Г. Каменская, Л.В. Томанов

БИС, являющиеся абстракциями и не типичные для реальных 
физических, биологических и физиологических систем, в том 
числе и мозговых систем. Динамика реальных физиологических процессов находится в ряду от хаотического режима 
до слабо детерминированного – фрактального режима. Хаотический режим типичен для систем с большим числом степеней 
свободы и неустойчивой динамикой, что определяет риск 
распада БИС на ряд подсистем через процедуру бифуркаций 
в зоне высокой неустойчивости системы и появления разных 
линий развития системы. Хаос как состояние БИС опасен для 
сохранения целостности системы, но одновременно и дает 
возможность появления новых сценариев развития системы 
в обновленной форме. Фрактальный режим динамики БИС 
характеризуется наличием автокорреляций основных характеристик системы во времени, то есть приблизительным 
повторением похожих фаз развития БИС. Автокорреляции 
создают основу для большей устойчивости системы во времени и пространстве через систему динамической памяти, которая позволяет не только стабилизировать состояние БИС, 
но и формировать вероятностное, стохастическое самоподобие 
в разных масштабах времени и пространства. Фрактальный 
режим, помимо всего прочего, связан с определенной упорядоченностью и организованностью внутренних процессов 
и состояний, которые определяют высокую адаптивную способность БИС с фрактальными свойствами благодаря оптимальному состоянию гомеостаза. В отличие от каузальной 
динамической модели мозга стохастическая модель дает однозначное численное определение состояния БИС с помощью 
расчета фрактальных индексов. Оптимальное состояние гомеостаза характеризуется определенными значениями фрактальных параметров, например, фрактального индекса  для 
кардиоинтервалометрии в диапазоне от 1,0±0,2. 
Использование современной статистики применительно 
к нелинейной динамике дало целый ряд математических 
моделей описания фрактальной и хаотической динамики, 

Фрактально-хаотические свойства когнитивных процессов: возрастной аспект

которые позволяют проводить количественную оценку состояния БИС, в том числе в физиологии и психофизиологии. 
В России эти работы были начаты доктором физико-математических наук, Урицким В.М. и кандидатом биологических наук 
Музалевской Н.И., заслуга которых заключается не только 
в разработке методологии нелинейной стохастической кардиоинтервалометрии (НСК), но и в создании технического 
устройства и разработке пакета программ обработки флуктуации кардиоинтервалов. В монографии изложены экспериментальные результаты в возрастном контексте, показывающие роль стохастических характеристик спектра флуктуаций кардиоинтервалов в организации речевой деятельности 
и перцепции разных музыкальных фрагментов, обладающих 
своей частотно-спектральной структурой. 
Кажется интересной идея о том, что мозг способен подстраиваться с помощью антиципации – опережающего отражения, 
функций рабочей памяти и селективного внимания к отражению информационных характеристик внешней среды. Важнейшей эволюционно возникшей информацион ной системой 
является речь, которая функционирует как естественная 
система, характеризующаяся сложностью, стохастичностью, временной структурой и определенной динамикой 
(Kello C.T. et al., 2008). В целях ее адекватного восприятия 
во временных рамках ее звучания механизмы мозга должны 
обладать способностью временного и стохастического анализа, центральным моментом которого является адекватная 
реакция на фрактальные характеристики сенсорного потока 
как варианта слабо детерминированного хаоса. Адекватность 
такой реакции может быть исследована с помощью модели 
стохастически организованного сенсорного потока, имеющего 
фрактальный либо хаотический вариант динамической структуры этого потока в виде распределения межстимульных интервалов. В идеале сенсомоторные реакции на поток акустических и зрительных стимулов должны иметь меру связности 
отдельных реакций в форме индекса Херста, близкую к фрак

В.Г. Каменская, Л.В. Томанов

тальной размерности сенсорного потока. Если представление 
об интеллекте и его вербальном компоненте как производных 
от стохастических характеристик нейрональных систем правильное, то в эксперименте должны быть получены факты 
о корреляционной связи степени развития вербального интеллекта и способности человека осуществлять адекватные 
сенсомоторные реакции на сенсорные стимулы с фрактальной 
динамической структурой потока. Это предположение проверялось в авторской рефлексометрической методике В.Г. 
Каменской с соавторами, имеющей государственную регистрацию программного пакета обработки сенсомоторных реакций. 
В монографии представлены экспериментальные доказательства вклада стохастических характеристик в активность 
управляющих систем и систем восприятия и анализа сенсорных потоков, дающих новую и достоверную информацию, 
которая не может быть получена иными способами на жестко 
детерминированных моделях работы мозга. 

Глава 1 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЙ, ЦЕЛЕЙ 
И МОДЕЛЕЙ КОГНИТИВНОЙ 
ПСИХОФИЗИОЛОГИИ

Когнитивная психофизиология является одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей нейронаук, объединяющих задачи, методические подходы и идеи психологии 
и нейрофизиологии, изучающей нейрональное обеспечение 
функций мозга, находящих свое проявление во внешнем поведении и реализации психических функций на внутреннем 
плане. 
Место когнитивной психофизиологии, таким образом, находится в предметном поле психофизиологических исследований, 
а также нейронаук. Конкретными целями и содержанием когнитивной психофизиологии чаще всего называется психофизиологическое обеспечение мозговых функций и процессов, 
определяющих получение, хранение, обработку информации, 
формирование и коррекцию программ поведения и двигательной активности, в том числе рече-двигательной. Наиболее 
близким психологическим понятием к этому набору функций 
и процессов является понятие интеллекта. В современной научной литературе приведено большое число работ, которые 
посвящены поиску корреляционных соотношений показателей 
интеллектуальной деятельности с психофизиологическими параметрами активности организма, в том числе динамики мозга. 
Можно считать, что когнитивная психофизиология имеет 
достаточно долгую историю формирования, чтобы можно 
было определить ее методы и методологию. Вместе с тем до сих 
пор не существует общепринятого представления ни о методологии когнитивной психофизиологии, ни о ведущих методиках и способах решения исследовательских задач. 

В.Г. Каменская, Л.В. Томанов

Системно-эволюционная концепция В.Б. Швыркова
Многие исследователи вслед за В.Б. Швырковым1 критиковали и критикуют корреляционную методологию в качестве 
ведущей, которая определяла исследовательские технологии 
долгие годы в XX столетии. В.Б. Швырков на основании достижений генетики, онтогенетических исследований, выполненных на животных, сформулировал основные положения 
системно-эволюционной теории, приложимой и к когнитивной психофизиологии. 
В качестве основных положений этой концепции можно 
назвать следующие представления.
В процессе адаптации к своей среде любой организм реализует генетическую программу жизненного цикла. До появления нервной системы структура адаптации определялась формулой: геном <-> тело <-> среда. Развитие 
нервной системы, в клетках которой раскрывается – экспрессируется наибольшая часть генома, меняет эту формулу 
на геном <-> мозг <-> тело <-> среда. Поведение в связи 
с этим можно определить как реализацию организмом генетической программы, «экспрессируемой» в нейронах.
Состав и динамика врожденных актов и отношения между 
ними отражают историю адаптивных соотношений организма 
со средой в эволюции. Нейроны, специализированные относительно этих врожденных актов, располагаются главным 
образом в древних структурах ЦНС и в периферических 
нервных образованиях. В коре головного мозга наряду с нейронами, специализированными относительно врожденных 
актов, существует большой запас нервных клеток, не участвующих в реализации адаптивных врожденных форм.
Поведение высокоразвитых в эволюционном отношении 
организмов (млекопитающих, к примеру) определяется 
не столько врожденными формами поведения, сколько индивидуально приобретенными в ходе онтогенеза. Текущее пове
1 
URL: http://www.keldysh.ru/pages/mrbur-web/misc/efs_book/