Текст книги "Тайны мозга"

Александр Каплан
Тайны мозга

 
Твой дар, дневник, я мозгом заменил;
Неизгладимы в нем воспоминанья,
Он сбережет прочнее всех чернил
Твои черты навек, без увяданья.
 

Уильям Шекспир. Сонет 122. Перевод А.М. Финкеля

Предисловие

Мало кто сомневается в том, что мозг человека – это самая сложная, самая совершенная и самая загадочная материя во Вселенной!

В огромном разнообразии интереснейших вопросов об устройстве и явлениях окружающего нас мира, пожалуй, нет сейчас более интригующей темы, чем тайна нашего мозга. Бурный прогресс в области микроэлектроники, вычислительной техники и алгоритмов искусственного интеллекта, который, казалось бы, должен был вытеснить исследования мозга человека на периферию современной прагматической науки как некую архаику, на самом деле лишь в полной мере выявил недостижимые для технических систем сложность мозга, творческую силу естественного интеллекта и глубину человеческого разума.

В 2007 году в престижном медицинском журнале The Lancet появилось сообщение о пациенте, у которого, судя по приведенным здесь же снимкам компьютерной томографии, …не было мозга! Во всяком случае, именно в таком виде эту новость журналисты переписали в свои многочисленные издания. Вместо привычной докторам плотной набивки черепной коробки серым и белым веществом, томограммы головы пациента на 50–75 % были окрашены в черный цвет. Это свидетельствовало о том, что череп пациента был заполнен в основном не мозговой тканью, а жидкостью. Врачебный диагноз здесь очевиден: окклюзионная гидроцефалия – скопление спинномозговой жидкости в желудочках мозга вследствие нарушения ее оттока. Такая патология, выраженная в разной степени, изредка встречается, но при замещении жидкостью более половины объема мозговой ткани обычно никто не выживает. Наш пациент, однако, все это время, пока его не взяли на томографию, жил себе и работал обыкновенным служащим, вместе с женой воспитывал двух своих детей, словом, был вполне дееспособным ничем не выделяющимся французским гражданином. Пожаловался врачу лишь на некую слабость в ногах. Зачем же тогда человеку нужен мозг, или, по крайней мере, большая его часть, разволновались журналисты и обыватели?

Как здесь не вспомнить Аристотеля, который задолго до этого казуса в сочинении «О частях животных» писал, что «Мозг – орган холодный, недвижимый, нечувствительный, служит лишь для того, чтобы охладить кровь, происходящую из сердца – органа горячего, вместилища чувств, страстей, ума, произвольных движений».

Увы, любой невролог без труда увидит на приведенных в статье томограммах вполне сохранившиеся складки коры больших полушарий мозга, мозжечок и другие мозговые образования, которые расширившимися желудочками мозга были лишь смещены и прижаты к внутренней поверхности черепа, но не повреждены. К тому же в статье было сказано, что процесс расширения желудочков шел медленно, в том числе и благодаря установленному пациенту еще в детском возрасте шунту, улучшающему отток жидкости из желудочков. Потому, наверное, столь долгое время у пациента не было внешних проявлений болезни и не требовалось томографическое исследование. Это далеко не единственный случай, демонстрирующий совсем не Аристотелеву концепцию, а наоборот, то, насколько велики пластические ресурсы мозга, чтобы даже в таком морфологически глубоко измененном виде обеспечивать человеку вполне счастливую жизнь рядового клерка и семьянина.

Мозг человека – объект поистине космического масштаба, и не только из-за астрономической сложности нейронных сетей, сотканных из миллиона миллиардов ежесекундно модифицирующихся связей. Мозг обеспечивает человеку познавательную активность, природа которой выходит далеко за пределы логики свойственных компьютеру алгоритмических преобразований и ориентирована не столько на удовлетворение природного любопытства человека, сколько на построение новой ментальной реальности, психического мира человека.

Никакая электронная память, будь она сделана на нанотранзисторах или на квантовых переходах и обеспечена десятками тысяч процессоров, неспособна в своих машинных кодах хранить личные впечатления, окрашенные чувствами и эмоциями, погруженными в смыслы жизни. Видно, не зря герой вынесенного в эпиграф шекспировского сонета предпочел доверить «неизгладимые воспоминанья» не рядам букв в дневнике, по сути – тем же кодам, а живым образами в своем мозгу.

Вы держите в руках необычную книгу о мозге человека. Все темы в этой книге в той или иной мере инициированы встречами с ведущими российскими нейробиологами, психологами, лингвистами, антропологами, палеонтологами, биохимиками, эволюционными биологами. Конкретные сюжеты книги подсказаны беседами с этими учеными об устройстве и эволюции мозга человека, о механизмах памяти и эмоций, о функциях языка, о некоторых «недокументированных» свойствах мозга и даже о природе самого сознания, которые мы неспешно вели в телевизионном фильме: «Тайны мозга. Наука».

Александр Каплан

Мозг: от улитки до человека

Знаменитый популяризатор науки, биолог и астрофизик Карл Саган в предисловии к своей книге «Драконы Эдема. Рассуждения об эволюции человеческого разума» сразу обозначил свои приоритеты: «Красота и элегантность современных форм жизни обязана своим происхождением естественному отбору, в результате которого выживали и размножались те организмы, что случайно смогли приспособиться к своему окружению».

Если отбросить некоторые сомнения в вопросе о биологическом происхождении эстетичной привлекательности современных форм жизни, можно было бы прямо здесь продолжить тезис Сагана гипотезой о том, что венцом эволюционного отбора как раз и стал мозг человека. Однако в расшифровке этой своей мысли Карла Сагана что-то остановило, и уже в следующей главе он пишет: «Самые простые из организмов Земли сегодня имеют у себя за плечами ровно столько же эволюционного развития, сколько и самые сложные, и вполне может оказаться, что внутренняя биохимия современных бактерий более эффективна, нежели внутренняя биохимия бактерий три миллиарда лет назад». В этом смысле наиболее совершенны те биологические формы, что прошли самый долгий путь эволюционного развития, накопив генетический опыт выживания в разнообразных условиях своей ниши обитания. При этом не так важно, насколько на этом пути они успели снаститься всякого рода технологическими усовершенствованиями, от органов чувств и движения, до аппаратов анализа информации и принятия решений – все выжившие участники эволюционной гонки распределились по тем нишам, в которых им живется наиболее комфортно. Технологическое усложнение биологических форм – это плата вытесненных из своих экологических ниш организмов за возможность приспособления к новым условиям обитания. В этом отношении мозг человека, несомненно, является технологическим совершенством, на которое едва ли могла рассчитывать биологическая эволюция не только три миллиарда лет назад, но даже в последние шесть-семь миллионов лет, когда по Земле уже бегало много диких обезьян.

Так случилось, что отработанный на бактериальных моделях репертуар биологического конструктора оказался достаточным, чтобы, в конце концов, построить из него не только тараканов, вот уже 300–400 миллионов комфортно обитающих на Земле, не только крокодилов и бегемотов, но и Человека разумного с 86 миллиардами нервных клеток в его головном мозгу. Тараканы, видно, ничуть не хуже, а скорее, даже лучше, чем человек приспособлены для жизни на Земле, раз они пережили не только все невзгоды природы, что грозили им сотни миллионов лет, но и разработки ученых-химиков последних нескольких десятилетий. Как видно, для такого приспособления к окружающей и отнюдь не благоприятной для жизни таракана обстановке хватает нервной системы, состоящей всего из одного миллиона нервных клеток. Это почти в 10 тысяч раз меньше, чем у самых разумных на Земле животных – высших обезьян с шестью-восемью миллиардами нейронов в головном мозгу. При этом обезьяны, вряд ли, лучше приспособлены к жизни на Земле, чем тараканы. Но в мозгу у человека нервных клеток еще на целых 80 миллиардов больше, чем у самых умных обезьян, у шимпанзе. Какими же невиданными ранее приспособительными ресурсами обзавелся человек, что потребовали для своего обеспечения такой десятикратной прибавки в числе нейронов по сравнению с мозгом высших обезьян?

По-видимому, мозг человека способен не просто обрабатывать и запоминать информацию от органов чувств, не только управлять внутренними органами и формировать поведение и даже не столько улавливать закономерности внешнего мира – все это может шимпанзе, сколько творить настоящее чудо – реконструировать окружающий мир в мысленных образах. Будучи свободными от законов материального мира эти образы как своего рода математические модели позволяют человеку в уме разыгрывать сцены прошлого и апробировать варианты будущего, строить воздушные замки новых теорий, воплощать в воображении альтернативные миры. Но и это, наверное, еще не все, что может мозг человека. Реализованный в мозгу человека Разум – вот, наверное, вершина адаптации живого существа в Природе. Разум как способность не только познавать глубинные закономерности этого мира, но еще и придавать смысл и значение всему происходящему.

– Мозг до сих пор остается самой большой загадкой для науки, – признается замечательный популяризатор нейронауки, известный специалист в области нейролингвистики, нейробиологии и психологии, профессор Санкт-Петербургского государственного университета Татьяна Владимировна Черниговская. По ее словам, в пределах человеческого понимания у этой загадки может вовсе не оказаться решений и, наоборот, может получиться множество решений, но без понимания, какое же из них верное. Слишком сложны, многообразны, динамичны и мультивариантны сети из сотен тысяч и миллионов нервных клеток. – Суммарная длина объединяющих нервные клетки их отростков приближается к трем миллионам километров, а комбинаторика состояний этих сетей просто астрономическая – больше, чем атомов во Вселенной! – восклицает Татьяна Владимировна. – Это все в объеме мозга одного человека!

Мозг человека – это целый космос! Несмотря на то, что именно мозг дает нам единственную возможность познавать мир, в котором мы живем, сам этот орган в силу своей астрономической сложности остается едва ли не самым малоизученным объектом во Вселенной. Кто-то даже считает, что перспективы понимания того, как работает мозг человека, в настоящее время как никогда ранее становятся все более призрачными.

В недавней встрече с Далай-ламой XIV в августе 2017 года в рамках симпозиума по проблеме сознания Татьяна Владимировна обратила внимание коллег на то, что «Число эмпирических данных, которые мы имеем, растет каждую минуту. Мы вошли в некоторый тупик, потому что не знаем, что с этим количеством делать. Мы можем эти данные по полочкам разложить и, разумеется, есть способы обработки, но дальше никуда не идем. Из того, что я буду рассматривать каждую вашу клетку, не выйдет никакого впечатления о том, что вы за личность. От того, что я буду в мозгах копаться и каждый нейрон оттуда вытаскивать, я не получу картины того, как это работает. Ну, еще 30 миллиардов нейронов исследовали – дальше что? На какой вопрос отвечаем? … Явно наступил момент, когда остро нужна новая теория». (РИА Новости https://ria.ru/religion/20170808/1499940410.html)

Зачем людям такой сложный мозг с миллионами километров нервных связей, с десятками миллиардов нервных клеток, с миллионом миллиардов контактов между ними, если на Земле прекрасно живут существа с мозгом в булавочную головку?

– Да, только представьте, что в голове простой улитки находится всего 20 тысяч нервных клеток, и она прекрасно многие сотни миллионов лет адаптируется к изменяющейся среде, – рассказывает один из самых известных в мире исследователей простых нервных систем, директор Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии, член-корреспондент РАН профессор Павел Мирославович Балабан. – Это просто поразительно: у этого моллюска нет ничего – ни рук, ни ног, есть только панцирь, а он ползает миллионы лет – и ничего, выживает. И кроме цели выживания, в его головке ничего нет

Люди никогда не узнают, есть ли что-то еще в голове у виноградной улитки, кроме «цели выживания», но в одном можно быть уверенным, и в том числе работами Павла Милославовича это было доказано, – улитки прекрасно обучаются всяким полезным для жизни навыкам. Если улитки ползут по дорожке, где в прошлый раз кормили, то рожки торчат вверх, вращая глазами во все стороны, но если попадают в место, где раньше наказывали электрическим током, – рожки втягиваются под панцирь! Нет ни поощряющей еды, ни наказывающего электрического тока, а подготовительные действия к приему пищи или защите от тока налицо. Это все потому, что в миниатюрном мозге улитки был выполнен анализ поверхности и каких-то еще внешних условий, полученные данные сопоставлены с прежним опытом, и на этом основании даны команды соответствующим мышцам для выполнения биологически оправданного поведения. Получается, что все компоненты формирования такого достаточно сложного навыка реализованы даже в голове улитки, где умещается всего 20 тысяч нервных клеток.

Дальнейшее совершенствование мозга долгое время, многие сотни миллионов лет, шло по пути развития собственно трех мозговых блоков: сенсорного – чтобы видеть четче, слышать лучше, обонять чутко, осязать тонко; моторного – чтобы быть сильным, быстрым и ловким и, наконец, анализаторного – чтобы все понимать и принимать правильные решения. Развитие этих модулей потребовало постепенного наращивания в мозгу количества операциональных элементов – нейронов и, соответственно, увеличения массы самого мозга. Высшие обезьяны, которые уже умеют практически все, обладают мозгом с 6–8 миллиардами нервных клеток и массой в 400–500 г. Данные антропологических раскопок показывают, что в период примерно от 1 до 6 млн лет назад в Африке благополучно существовали разнообразные представители человекообразных обезьян, которые своей походкой на двух ногах сильно отличались от сородичей. Однако по размеру мозга эти прямоходящие обезьяны еще не отличались от своих четвероногих собратьев и вряд ли превосходили их по интеллектуальным способностям, но освободив руки, они получили все шансы для опережающего развития.

Вот на этом пути, где то три-четыре миллиона лет назад, среди большого разнообразия обезьян появились первые представители рода «люди», или «Гомо». По всей вероятности, это были австралопитеки, в самом деле, уже очень похожие на современных людей. И походка у них была как у людей, о чем свидетельствуют знаменитые отпечатки следов австралопитеков, найденные в 1978 году в местности Лаэтоли, что в северной Танзании. Следы, видно, были оставлены во влажном пепле после извержения вулкана. Прямохождение и нарастающая потребность в расширении социальных контактов требовали бОльщих мозговых ресурсов, но что-то еще сильно ограничивало необходимое для этого увеличение размеров мозга у австралопитеков. Этим сдерживающим фактором оказались… мощные челюсти, которые конкурировали с мозгом за место в голове человека. А как иначе, если не челюстями можно было не только ухватить добычу, но и подготовить сырые «продукты питания», особенно растительные, для переваривания в желудке.

Первую прибавку в весе мозга, до 650–700 г, люди получили лишь спустя два миллиона лет – когда они научились изготавливать настоящие орудия труда: каменные рубила и ножи. Это уже были представители Человека умелого (Homo habilis). Они обосновались в прекрасном месте на берегах озера Танганьика (Танзания). Там и была найдена галька, искусно обработанная рукой человека более двух миллионов лет назад. Новые орудия позволили первобытным людям перейти в питании к перемолотой растительной пище и значительно увеличить мясной рацион. Это сильно ослабило нагрузку на челюстно-мышечный аппарат, позволило им в ходе дальнейшей эволюуии уменьшится в размере. Изящные челюсти, которые теперь сильно отличают человека от своих древних сородичей с массивными скулами, освободили дополнительное место для мозга.

Что же послужило новым толчком к такому резкому увеличению мозга у представителей Гомо?

Великое расселение

Великое расселение людей за пределы Африки, начавшееся 1,7 миллиона лет назад, потребовавшее от человека напряжения всех его физических и интеллектуальных сил, привело к взрывному по шкале эволюционного развития увеличению мозга людей. Уже 200 тысяч лет назад в Африке, на ближнем Востоке и в Европе разгуливали Человек прямоходящий, Родезийский человек, неандерталец, наконец, Человек разумный – и это, возможно, еще далеко не полный список тогдашнего людского населения Планеты. У большинства из них объем мозга достигал 1400–1600 кубических сантиметров, что даже на 100–200 кубических сантиметров превышает объем черепа современного человека.

На очередной конференции «Гибралтарская скала» (Calpe conference) в 2012 году один из ведущих специалистов в области происхождения человека, доктор палеоантропологии Йен Тэттерсол из Йельского университета (США) и доктор биологии Кембриджского университета (Великобритания) Андреа Маника выдвинули свои версии.

– Рекордное увеличение мозга у наших предков произошло из-за того, что в условиях резко и многократно меняющегося климата именно людям в первую очередь пришлось искать новые формы выживания: осваивать орудия труда, строить жилища на непригодных для жизни территориях, совершенствовать общение между собой, – объяснял доктор Маника.

Можно сказать, что по своему интеллектуальному развитию и способности использовать орудия труда люди были уже готовы податься в варяги. При расселении на новых территориях им пришлось преодолевать природные барьеры: горные массивы, моря и океаны. Ведь первоначально Человек разумный около 200 тысяч лет «безвыездно» провел в своей колыбели, в Африке. Это была для него своего рода геолого-географическая ловушка, созданная барьером в виде непроходимой пустыни Аравийского полуострова, надолго законсервировавшая потенциальные возможности человека к стремительному развитию.

Лишь около 70 тысяч лет назад засушливый период в тех местах сменился на умеренно влажный, пустыня отступила, и люди, наконец, вышли за пределы Африканского континента. Ареал их расселения захватил территорию современного Ирака и далее на восток – вплоть до Индонезии. Там их ждала еще одна остановка, теперь уже из-за высокого уровня моря. И только после ухода воды Гомо сапиенс достиг Юго-Восточной Азии. А в это время другая часть людей-первопроходцев двигалась в северо-восточном направлении, и 30 тысяч лет назад они пришли в Сибирь. Там их поджидал третий барьер – огромные ледники, на 15 тысяч лет преградившие им путь в Северную Америку. Последним препятствием стали льды Европы и северо-западной Азии: в теплые времена люди уходили на север, в Скандинавию, а в холодные возвращались на юг.

– Представляете, чему только не пришлось научиться древним людям, чтобы преодолеть на своем пути многочисленные геологические и климатические преграды, чтобы взойти на вершину эволюции! – восхищался Андреа Маника.

В борьбе с неблагоприятными природными условиями и с соперниками, в преодолении огромных расстояний, в обустройстве жилищ и поиске источников пропитания – развивался и в буквальном смысле набирал вес мозг Человека разумного.

– Именно во время всех этих перипетий как раз и происходил активный рост мозга, – считает доктор Йен Тэттерсол.

– Определенного развития мозга потребовало и изменение характера древнего человека, – продолжает доктор Тэттерсол, – суровая конкуренция привела к формированию сильно эгоцентрической позиции и агрессивности. Враждебность между небольшими группами людей, постоянные конфликты привели к тому, что естественный отбор стали выигрывать самые умные особи, способные планировать свои действия, и самые напористые, умеющие реализовать свои планы.

– Когда льды и пустыни снова наступали, то большие группы людей вынуждены были разбиваться на более мелкие, – объяснял доктор Тэттерсол.

– И каждое такое небольшое племя развивалась независимо от всех остальных, приобретая свои собственные биологические и психологические особенности. Когда же возвращалось тепло, племена встречались, то сильные уже не только физически, но и в поведенческих навыках особи подавляли слабых, оставляя им мало шансов для продолжения рода.

Все бы хорошо, только такие победители в своем потомстве все более накапливали гены, определяющие на первый взгляд не очень хорошие черты характера: враждебность и агрессивность по отношению друг к другу. Выходит, с большим мозгом мы отчасти приобрели и не самые лучшие личностные качества?

– Есть такое понятие – «эволюция поведения» и «эволюция структуры мозга», и они идут параллельно, – объясняет профессор Павел Балабан. – Чем сложнее мозг, тем сложнее поведение. Причинно-следственные отношения здесь не ясны. Я бы наоборот сказал, что чем сложнее поведение, чем сложнее животное себя ведет, тем более развиты у него некоторые структуры. Если сложное, социальное пространство, вам нужно социальное взаимодействие, то соответственно и поведение будет сложное. Соответственно, и мозг развивается из-за потребности себя координировать, адаптироваться, фактически – выживать.

По словам эволюционного биолога Филиппа Хайтовича, руководителя группы сравнительной биологии в Институте Вычислительной Биологии в Шанхае в Китае и профессора Сколтеха в России, конкуренция между видами или даже внутри видов постоянно сопровождала эволюцию человека. И чтобы в этой конкуренции стать победителем, нашим предкам нужно было все время обладать каким-то преимуществом. По-видимому, именно какие-то необычные свойства мозга Человека разумного позволили ему получить неоспоримое преимущество и таким образом фактически расселиться по всем континентам, захватив контроль не только над конкурентами, но и в определенной мере… над условиями своего существования.

В те далекие и даже не столь далекие времена, когда речь шла о выживании, буквально о спасении своей шкуры, своего семейства, – все средства были хороши. Видимо, поэтому отголоски той древней агрессии по отношению к конкурентам и к самой Природе – до сих пор живы в крови, точнее – в генах у нас, представителей вида «Человек Разумный». Однако десятки тысяч лет племенного существования, по-видимому, научили человека контролировать свои эгоистические наклонности.