Книга: Вселенная

Глава 38 Бормочущий мозг

Глава 38

Бормочущий мозг

Мы много раз видели подобное в бесчисленных «больничных» телесериалах: пациент лежит на спине внутри какой-то жуткой медицинской машины, при помощи которой врачи пытаются заглянуть ему в мозг. Как правило, речь идёт об МРТ — томографе, который делает красивые снимки работающего мозга, отслеживая ток крови. Но мне довелось пройти магнитоэнцефалографию (МЭГ). Измеряя показатели магнитного поля в непосредственной близости от черепа, эта машина проверяла, есть ли у меня мозг и в самом ли деле я могу о чём-то думать.

Я сдал этот тест. Хотелось надеяться, что в результате можно не сомневаться, но хорошо бы проверять такие вещи научным методом.

Сканирование моего мозга выполнил нейрофизиолог Дэвид Пёппель у себя в лаборатории в Нью-Йоркском университете. В отличие от МРТ, когда в результате вы получаете красивые снимки, но без достаточного временного разрешения, МЭГ не слишком хорошо показывает, где именно в мозге протекают те или иные процессы, но фиксирует их во времени с точностью до миллисекунд.

Это важно, поскольку наш мозг — затейливо связанная многоуровневая система, на работу которой требуется время. Отдельные события на нейронах происходят по несколько десятков раз в миллисекунду, но лишь через десятки миллисекунд несколько таких процессов становятся достаточно явственными, чтобы вы могли подумать: «О, что-то происходит!».

Большая часть сложной умственной работы в мозге выполняется нейронами. Нейроны связаны глиальными клетками, обеспечивающими им поддержку и защиту. Глиальные клетки могут играть определённую роль в коммуникации между нейронами, но все информационные сигналы в мозге передаются по нейронам. Типичный нейрон имеет отростки двух типов: дендриты, принимающие сигналы извне, и (обычно всего один) аксон, по которому транслируются эти сигналы. Тело нейрона имеет в поперечнике менее десятой доли миллиметра, но длина аксона может составлять от миллиметра до метра. Когда нейрону требуется отправить сигнал, он «срабатывает», отправляя по аксону электрохимический импульс. Этот сигнал подхватывается другими нейронами в соединительных точках, которые называются синапсами. Как правило, синапс состоит из дендрита, подсоединённого к аксону, но мозг — запутанная штука, поэтому в нём возможны и разнообразные другие соединения.

Карта магнитных полей в непосредственной близости от моего мозга; такая картинка возникает при прослушивании звукового сигнала

Итак, коммуникация между нейронами происходит путём обмена электрически заряженными молекулами, перебрасываемыми от аксонов к дендритам. Любой физик вам скажет, что при движении заряженных частиц возникает магнитное поле. Когда я о чём-то думаю, между нейронами моего мозга перетекают заряженные частицы, генерирующие едва заметное магнитное поле, лишь слегка ощутимое за пределами черепа. МЭГ-аппарат, фиксирующий такие магнитные поля, может в точности определить, когда именно срабатывают мои нейроны.

Пёппель с коллегами используют этот метод для изучения восприятия, познания и языковых функций мозга. Находясь в аппарате МЭГ, я слушал разные бессмысленные сигналы, а оператор определял, сколько времени пройдёт, пока я сознательно восприму этот сигнал как звук. Речь шла о десятках миллисекунд, о целых каскадах реакций коры головного мозга.

Однако меня больше впечатлил другой, более прозаический момент — эти датчики, подключённые к голове, улавливали мои мысли. Так называемая мысль чётко и безошибочно соотносится с движениями определённых заряженных частиц у меня в голове. Это удивительный, отрезвляющий факт об устройстве мира. Что бы подумали о нём Декарт и принцесса Елизавета?

Лишь немногие сегодня станут отрицать, что мышление связано с процессами, происходящими в мозге. Но существует разница между теми, кто считает мышление просто «способом рассуждения» о физических процессах в мозге — вроде тех, что зафиксировала у меня в мозге МЭГ, и теми, по мнению которых в этом процессе присутствует и дополнительная, внефизическая составляющая. Стоит немного поразмыслить о том, как именно работает мозг, чтобы понять, почему физическая трактовка столь убедительна.

* * *

Мозг — это сеть взаимосвязанных нейронов. В главе 28 мы кратко обсуждали, как сложные структуры могут возникать путём постепенного накопления мелких единиц, слагающих более крупные, причём интересная структурность прослеживается в любом масштабе. Мозг — отличный пример такого рода.

Считается, что носителем информации в мозге являются не нейроны как таковые, а способы их соединения. Каждый нейрон связан с одними нейронами, но не с другими; именно так и определяется сетевая структура мозга, именуемая коннектома.

Коннектома — это, в сущности, список всех отдельно взятых нейронов в мозге с учётом всех соединений каждого из них. Это поразительно сложная система: в человеческом мозге около 85 миллиардов нейронов, каждый из которых соединён с тысячью или более других нейронов, поэтому речь идёт о ста триллионах или даже большем числе соединений. Сложно заглянуть в человеческий мозг и рассмотреть все эти соединения, но именно такова цель нескольких исследовательских проектов в области нейрофизиологии, которые реализуются прямо сейчас. Полная характеристика человеческой коннектомы содержала бы примерно миллион миллионов гигабайт информации.

Каждый нейрон собирает входящую информацию от других нейронов, а иногда — от внешнего мира. Имея эту информацию, он «решает», когда срабатывать. Срабатывание — это однозначный ответ: либо оно происходит, либо нет; но входная информация, которую может получать нейрон, довольно разнообразна. На «приём» каждого входящего сигнала нейрон тратит примерно сорок миллисекунд, а на передачу каждого входящего сигнала тратится одна миллисекунда. Это колоссальный объём информации. Сорок отдельных входных сигналов, поступающие от пары тысяч различных синапсов, дают примерно 40 ? 2000 = 80 000 «бит» данных. Таким образом, нейрон может получить около 2⁸⁰⁰⁰⁰ вариантов входящих сообщений, прежде чем решит — срабатывать или нет.

Подробные знания о человеческой коннектоме сами по себе не позволяют нам приблизиться к пониманию того, как в человеческом мозге организовано мышление. Не все нейроны одинаковы, поэтому, зная, как они соединены, мы знаем не всё. Учёные полностью картировали коннектому одного многоклеточного организма — это крошечная нематода C. elegans, плоский червь. У наиболее распространённой разновидности этой нематоды ровно 959 клеток, 302 из которых — нейроны. Мы знаем, как все эти нейроны сочетаются друг с другом — всего среди них насчитывается около 7000 соединений, — но это не позволяет понять, как думает плоский червь. Можно сказать, что мы изучили карту автомагистралей, но не схемы дорожного движения, которые там существуют. Может быть, когда-нибудь нам удастся прочитать, о чём думает нематода.

Коннектома нематоды C. elegans — компьютерная модель из проекта OpenWorm

Люди со временем меняются, и наши коннектомы меняются вместе с нами. Соединения укрепляются, поскольку многократное срабатывание определённых сигналов повышает вероятность, что конкретные синапсы будут срабатывать и в будущем. Мы считаем, что воспоминания формируются именно таким образом: связи между синапсами усиливаются и ослабевают в ответ на стимулы. В 2000 году нейропсихиатр Эрик Кандель стал одним из лауреатов Нобелевской премии по медицине за подробное исследование того, как это происходит у конкретного организма — непримечательного морского слизня. Слизни не слишком хорошо что-либо запоминают, но Кандель научил их распознавать некоторые простые стимулы. Затем он продемонстрировал, что эти новые «воспоминания» сопряжены с изменениями синтеза белков в нейронах, из-за чего форма нейронов меняется. Кратковременная память связана с теми синапсами, связи между которыми усиливаются, а долговременная память связана с образованием совершенно новых синапсов.

Недавно нейрофизиологам удалось непосредственно наблюдать, как у мышей растут новые нейроны и как они соединяются по мере того, как мыши обучаются выполнять новые задачи. Впечатляет (или раздражает — в зависимости от вашей точки зрения), что удалось стереть у мышей некоторые воспоминания, ослабив конкретные синапсы, и даже искусственно внедрить мышам ложные воспоминания, непосредственно стимулируя конкретные нервные клетки электродами. Воспоминания — это физические сущности, которые находятся у вас в мозге.

Коннектома напоминает политическую карту мира. Такой карты далеко не достаточно, чтобы понимать политику, но знание содержащейся на ней информации — важный аспект более крупной задачи. Имея хорошую карту, всё равно можно заблудиться, но в то же время она может помочь вам добраться домой.

* * *

Одно из важнейших свойств мозга заключается в том, что мозг — не просто серая масса связанных нейронов. Коннектома — это сеть, причём сеть иерархическая; нейроны связаны друг с другом в группы, эти группы также связаны друг с другом, вплоть до целого мозга. Бурная работа сознания, где объединяются различные ментальные модули, работающие на вход и на выход и формирующие человеческое «я», отражается на работе мозга. Каждая из различных зон мозга отвечает за решение собственных задач, но лишь в результате их объединения возникает сознательная личность.

В пользу этого факта свидетельствует ряд доказательств, и некоторые из них были получены при изучении бессознательных состояний: например, когда мы спим или находимся под наркозом. Так, в ходе одного из исследований проводилась слабая магнитная стимуляция отдельных зон в мозге пациента. Затем эффекты сигнала измеряли по мере того, как они распространялись по мозгу. Когда пациент был в сознании, сигнал индуцировал реакции сразу во всём мозге, а в бессознательном состоянии реакции ограничивались небольшой областью поблизости от места первичного стимула. Подобные результаты представляют далеко не только академический интерес: врачи давно пытались ответить на вопрос, полностью ли отсутствует сознание у пациента, находящегося под наркозом или получившего черепно-мозговую травму, либо пациент просто не может двигаться и контактировать с окружающим миром.

Утверждая, что коннектома представляет собой иерархическую сеть, мы подразумеваем, что она обладает некоторой связностью в промежутке от максимальной (каждый нейрон коммуницирует со всеми остальными нейронами) до минимальной (каждый нейрон коммуницирует только со своими ближайшими соседями). Насколько можно судить, коннектома является примером сети из разряда мир тесен (small-world network). Название взято из знаменитого эксперимента о шести рукопожатиях, поставленного психологом Стенли Милграмом. Он обнаружил, что произвольно отобранные жители города Омаха, штат Небраска, связаны с конкретным человеком, живущим в Бостоне, штат Массачусетс, цепочками примерно по шесть прямых знакомств в каждой. В теории сетей принято говорить, что сеть относится к категории «мир тесен», если большинство её узлов не связаны друг с другом, но от любого узла до любого другого можно добраться за небольшое число переходов.

Именно это наблюдается в коннектоме. Нейроны обычно соединяются с близлежащими нейронами, но есть и такие связи, которые простираются достаточно далеко. Структуры из категории «мир тесен» возникают во многих контекстах: между вебсайтами, в электросетях, в системах личных знакомств. Это неслучайно: по-видимому, такая организация оптимальна для решения определённого класса задач, поскольку позволяет выполнять обработку локально, а её результаты быстро распространять по всей системе. Кроме того, такая система устойчива; разрыв нескольких соединений существенным образом не повлияет на её работоспособность. Это отлично подходит для общающихся зон нашего мозга.

О сети из разряда «мир тесен» можно сказать, что она «структурирована в любом масштабе». Это не просто клубок нейронов, соединённый с другими такими клубками. Нет, нейроны объединяются в группы, эти группы объединяются с другими подобными группами, те объединяются в ещё более крупные группы и т. д. Судя по некоторым признакам, такое расположение описывает не только пространственную организацию коннектомы, но и распределение мозговых сигналов во времени. Слабые сигналы срабатывают относительно часто, средние — реже, а очень сильные — относительно редко.

Физики говорят, что системы с подобным иерархическим поведением находятся в критической точке. Этот феномен повсеместно распространён в области изучении фазовых переходов, поскольку система достигает критической точки непосредственно перед переходом из одного состояния в другое. При кипении в воде образуется множество мелких пузырьков, меньше более крупных и т. д. Критическую точку можно считать золотой серединой между скучным порядком и бесполезным хаосом. Как выразился нейрофизиолог Данте Чиалво, «мозг, не находящийся в критической точке, либо каждую минуту делает одно и то же, либо впадает в другую крайность: в нём воцаряется такой хаос, что он в любой момент действует спонтанно, независимо от обстоятельств. Это мозг идиота».

Итак, как в пространственной, так и во временной плоскости найдены доказательства, свидетельствующие о том, что человеческий мозг — это сложная система, максимально эффективно использующая свою сложность. Учитывая, сколь впечатляюще человеческий мозг справляется со сложными задачами, это не должно нас удивлять.

* * *

Мы могли бы изучить мозг в мельчайших деталях, охарактеризовать каждый нейрон и картировать каждое соединение, но всё равно этого бы было мало, чтобы на уровне мозга объяснить существование разума, мыслительной деятельности человека как таковой. Ещё в главе 26 мы говорили о возражениях принцессы Елизаветы против декартовской концепции нематериальной души, взаимодействующей с физическим телом, — возможно, через эпифиз. Как ни интересны были эти возражения, они не позволяют закрыть вопрос окончательно, пока мы не проследим прямую связь между процессами, происходящими в мозге, и нашим восприятием себя как личностей. За минувшие годы психология и нейрофизиология проделали огромный путь именно в этом направлении.

Мы уже убедились, что воспоминания физически зашифрованы в мозге. Поэтому неудивительно, что там же зашифровано и наше чувственное восприятие. В определённом грубом приближении это совершенно верно, что и демонстрируют магнитные поля, фонящие у меня из головы. Однако недавно учёным удалось получить довольно детальные образы того, о чём думают пациенты, просто присмотревшись к работе их мозга. Определив по снимкам МРТ, какие зоны мозга активны, когда испытуемый рассматривает картинки или смотрит видео, учёные могут подобрать шаблон, по которому затем можно восстанавливать образы прямо на основе информации, зафиксированной при фМРТ, то есть не жульничая и не подглядывая, на что именно смотрят пациенты. Это ещё не чтение мыслей — по крайней мере, пока; мы можем выстраивать самые общие представления о том, о чём думает человек, а не воссоздавать те образы, которые возникают у него в голове. Возможно, это просто вопрос времени.

Всё это может показаться неубедительным для истового картезианского дуалиста, желающего верить в нематериальные души. Разумеется, признаёт он, в мозге что-то происходит, когда мы думаем и воспринимаем мир. Но происходит не только это. Переживания, чувства, человеческая душа как таковая — всё это сущности совершенно иного порядка. Возможно, мозг напоминает радиоприёмник. Если изменить или повредить мозг, он станет барахлить, но это не означает, что исходный сигнал возникает внутри самого устройства.

На самом деле эта идея также не выдерживает критики. Если сломать радио, это может повредить приёму: например, нам будет сложнее настроиться на любимую станцию. Однако сама станция от этого не начнёт передавать хэви-метал, если ранее передавала уютный джаз. Напротив, травмы мозга могут изменить личность на самом фундаментальном уровне.

Рассмотрим так называемый бред Капгра. Этим синдромом страдают пациенты, у которых повреждена зона мозга, соединяющая две другие зоны — кору височной доли, отвечающую за распознавание других людей, и лимбическую систему, в которой локализуются чувства и эмоции. Человек, у которого разовьётся бред Капгра, сможет узнавать знакомых людей, но не вспомнит, какая эмоциональная связь у него с ними была. (Противоположное расстройство называется прозопагнозия — утрачивается способность узнавать людей.)

Можно себе представить, что сделает с человеком такой синдром. Одна пациентка, миссис Д., заболела бредом Капгра в возрасте 74 лет. Видя мужа, она узнавала этого человека, у неё сохранились все ментальные ассоциации, свидетельствующие: «Это мой муж», но она больше не чувствовала к нему привязанности, только безразличие. Она знала, что должна что-то чувствовать к нему, поэтому мозг подсказал ей разумное объяснение подобной нестыковки: «На самом деле это не мой муж, а его двойник, как две капли воды похожий на него».

Случай миссис Д. не уникален. Известно много других пациентов, страдавших от каких-либо повреждений мозга, радикально сказывавшихся на их эмоциональном состоянии или личности. Вне всяких сомнений, это отнюдь не доказывает, что «разум» — это всего лишь способ рассуждения о том, что происходит в физическом мозге. Но, в сущности, это должно снижать для нас субъективную вероятность традиционного картезианского дуализма до минимального уровня.

Остаются два варианта: либо физикализм (весь мир, считая людей, имеет чисто физическую природу), либо какой-нибудь новомодный вариант некартезианского дуализма. Чтобы окончательным разобраться с этим вопросом, нужно более глубоко поразмыслить о том, что значит быть сознающим, чувствующим человеком.