Книга: Сознание и мозг. Как мозг кодирует мысли

Массовая активация сознания

Массовая активация сознания

Стоит нам получить какие-то неожиданные данные, как мозг сейчас же развивает бурную деятельность. Мы с коллегами назвали это его свойство «глобальной массовой активацией»²⁸. Вдохновил нас на это название канадский нейрофизиолог Дональд Хебб, который первым проанализировал деятельность групп нейронов и в 1949 году написал об этом бестселлер «Организация поведения»²⁹. Хебб очень наглядно объяснил, как возбуждение передается по цепочке от одного нейрона к другому и вскорости может вылиться в массовую синхронизированную деятельность — это похоже на зрительный зал, который после первых одиноких хлопков вдруг срывается во всеобщую овацию. Как охваченные восторгом зрители вскакивают с мест и разражаются аплодисментами, заражая своим энтузиазмом окружающих, так и большие пирамидальные нейроны, расположенные в верхних слоях коры мозга, передают свое возбуждение обширной аудитории нейронов-приемников. Мы с коллегами предположили, что глобальная массовая активация происходит тогда, когда передаваемое возбуждение переходит порог и начинает подпитывать само себя: одни нейроны возбуждают другие, а те, в свою очередь, передают возбуждение обратно³⁰. В итоге мы имеем взрыв активности: тесно связанные между собой нейроны срываются в устойчивое состояние высокоуровневой активности и превращаются, по выражению Хебба, в «совокупность клеток», где носится туда-сюда один и тот же импульс.

Этот коллективный феномен напоминает то, что физики зовут «фазовым переходом», а математики — «бифуркацией»: внезапная, практически дискретная метаморфоза физической системы. Пример фазового перехода из жидкого состояния в твердое — вода, которая замерзает и превращается в лёд. В самом начале наших раздумий о сознании мы с коллегами заметили, что многие свойства сознательного восприятия вполне укладываются в концепцию фазового перехода³¹. Вода замерзает только при наступлении определенных условий; так же и стимулы — краткие остаются неосознанными, а долгие становятся видимыми. У большинства самоподпитывающихся физических систем имеется переломная точка, в которой происходит или не происходит (под влиянием случайной помехи или шума) крупная метаморфоза. Вряд ли мозг является исключением из правил, подумали мы.

Можно ли утверждать, что осознанный стимул запускает фазовый переход в мозгу и мощно воздействует на активность коры, «замораживая» области мозга в согласованную структуру? Как это доказать? Чтобы докопаться до истины, мы с Антуаном Дель Кулем придумали простой эксперимент³². Мы постоянно изменяли некий физический параметр демонстрации, так, чтобы он менялся как меняется температура медленно остывающей в склянке воды. Затем мы стали изучать субъективные отчеты и объективные маркеры мозговой активности, выискивая ситуации, в которых разные участки мозга действовали бы с перерывами, а потом внезапно выдавали сильнейшую активность, как при выраженном фазовом переходе.

В ходе эксперимента мы показывали участникам цифру, которая оставалась на экране в течение всего одного кадра (16 миллисекунд), затем — пустое пространство и, наконец, маску, в роли которой выступал случайный набор букв. Длительность демонстрации пустого пространства мы все время понемногу меняли, на 16 миллисекунд за раз. Что же сказали участники? Изменялось ли так же постепенно их восприятие? Нет — в полном соответствии с условиями фазового перехода они могли находиться только в одном состоянии. Если пробел становился больше, они могли видеть цифру, но если пробел был краток, тогда они видели только буквы, служившие маской. Момент смены состояния был явственно выражен. Восприятие работает нелинейно: при удлинении паузы цифра не становилась всякий раз чуть более видима (участники не сообщали, что видят ее лучше и лучше), а просто в какой-то момент из невидимой делалась видимой или наоборот (сначала вижу, потом — нет). Неосознанное восприятие менялось на осознанное при задержке примерно в 50 миллисекунд³³.

Обнаружив это, мы взялись за ЭЭГ и стали выяснять, какие скачкообразные изменения происходили в мозгу, когда он реагировал на замаскированные цифры. И на этот раз все снова свелось к волне РЗ. Все, что было до нее, либо не изменялось вместе со стимулом, либо если уж изменялось, то совсем не совпадало с субъективной оценкой участников.

Так, мы обнаружили, что пауза между цифрой и буквами не оказывает значительного влияния на первоначальную реакцию зрительной коры, о которой свидетельствуют волны Р1 и N1. Это, впрочем, никого не удивило, ведь во всех случаях мы показывали одну и ту же цифру на протяжении одного и того же отрезка времени, а значит, первый этап ее проникновения в мозг и должен был происходить одинаково, независимо от того, сознавал участник эксперимента, что видит цифру, или нет.

Возникающие далее волны в левой и правой зрительных областях тоже не менялись. Степень зрительной активации росла пропорционально длительности демонстрации цифры на экране до появления маски. Мимолетно продемонстрированная цифра могла проникать в мозг до тех пор, пока этот процесс не пресекала маска из букв. Поэтому получалось, что длительность и размеры мозговых волн менялись в строгом соответствии с тем, сколько времени проходило между показом цифры и наложением маски из букв. Эта пропорциональность реакции никак не сочеталась с ответами участников, утверждавших, что они либо видели цифру, либо нет. По-видимому, волны были слишком слабы и не могли достичь сознания участников. На этом этапе сильная активность сохранялась даже тогда, когда люди утверждали, что не видели никаких цифр.

Но когда срок появления маски достиг 270 миллисекунд от начала демонстрации цифры, на ЭЭГ внезапно отобразилась массированная вспышка (см. рис. 19). В ходе экспериментов, участники которых сообщали, что видели цифру, волны мозга вдруг приобретали иной характер, а активность нарастала лавинообразно, быстро и мощно. Силу этого взрыва невозможно было объяснить крохотным изменением длительности паузы перед появлением маски. Так мы получили прямое доказательство того, что доступ в сознательный опыт связан с фазовым переходом в динамике нейронных сетей.

Рисунок 19. Сознательное восприятие внезапно и резко изменяет характер поздней активности мозга — у физиков это называется «нелинейный фазовый переход». В этом эксперименте мы показывали цифру, а затем, после паузы, длительность которой могла быть разной, — набор букв, служивший маской. По мере увеличения длительности паузы активность зрительной коры постепенно возрастала. Однако сознательное восприятие возникало внезапно: когда длительность паузы достигала примерно 50 миллисекунд, цифра внезапно становилась видимой. Вновь появлялась поздняя волна Р3 — автограф осознанного восприятия. А примерно через 300 миллисекунд после появления цифры внезапно включались некоторые области коры мозга, в том числе передние доли, причем включались они все разом и только когда участник эксперимента сообщал, что увидел цифру

Появление осознанности выражалось в волне, которая очень напоминала все ту же РЗ: высокое положительное напряжение в верхней части головы. Источником этого напряжения была одновременная активация большой цепочки, охватывающей ряд областей в левой и правой затылочной, теменной и префронтальной долях. Мы демонстрировали цифру лишь с одной стороны, но тем сильнее было наше удивление, когда обнаружилось, что активность нарастала в обоих полушариях совершенно синхронно и симметрично. Стало ясно, что сознательное восприятие значительно усиливает ту слабую активность, которая возникает поначалу в качестве реакции на быструю вспышку. На пике обработки информации многие области мозга выдают синхронную реакцию и тем самым сигнализируют о включении сознательного восприятия.