Текст книги "Мозг: Ваша личная история"

Я разумен

Размышляя о том, кто я, следует помнить об одном, самом главном аспекте: я разумное существо. Я осознаю свое существование. Я чувствую свое присутствие в этом мире, смотрю на мир этими глазами, воспринимаю эту многоцветную и динамичную картину, находясь в центре сцены. Назовем это сознанием или разумом.

Ученые часто спорят о точном определении сознания, но понять, о чем идет речь, поможет простое сравнение: когда вы бодрствуете, то находитесь в сознании, а когда спите – нет. Это различие подводит нас к простому вопросу: чем отличается активность мозга в этих двух состояниях?

Один из способов измерения активности мозга – электроэнцефалография (ЭЭГ), при которой суммарное возбуждение миллиардов нейронов определяется путем регистрации слабых электрических сигналов с поверхности головы. Этот способ довольно грубый, и иногда его сравнивают с попыткой понять правила игры в бейсбол, держа микрофон у наружной стены стадиона. Тем не менее ЭЭГ способна продемонстрировать разницу между двумя состояниями, сном и бодрствованием.

Когда вы бодрствуете, электроэнцефалограмма свидетельствует о том, что миллиарды нейронов участвуют в сложном обмене сигналами: это можно сравнить с тысячами разговоров зрителей на стадионе.

Сознание пробуждается, когда нейроны сообщаются друг с другом почти независимо, формируя сложные и слабые ритмы. При медленном сне нейроны синхронизируются друг с другом, и сознание отсутствует.

Во время сна ваше тело словно выключается. Логично предположить, что то же самое происходит со «стадионом» нейронов. Однако в 1953 г. выяснилось, что это предположение неверно: ночью мозг так же активен, как днем. Когда человек спит, нейроны просто взаимодействуют иначе, более синхронно и ритмично. Это похоже на «волну» на стадионе, когда зрители берутся за руки и одновременно встают и садятся.

Нетрудно понять, что при наличии тысяч отдельных разговоров сложность процессов на стадионе гораздо выше. И наоборот, демонстрация зрителями «волны» – занятие менее интеллектуальное.

Следовательно, сознание зависит от ритмов возбуждения клеток мозга. Днем, когда вы бодрствуете, ваше «я» возникает как результат интегрированной сложности взаимодействия нейронов. Ночью, когда взаимодействие нейронов немного меняется, вы исчезаете. И близким людям приходится ждать следующего утра, когда ваши нейроны отключат общий ритм и вернутся к сложным связям. Только тогда вернетесь и вы.

Таким образом, ответ на вопрос, кто вы, зависит от того, чем заняты ваши нейроны.

Мозг как снежинка

После окончания магистратуры я получил возможность работать с одним из моих научных кумиров, Фрэнсисом Криком. Когда я с ним познакомился, его больше всего занимала проблема сознания. Доска в кабинете Крика всегда была исписана сверху донизу, но меня удивляло, что одно слово в центре было крупнее остальных. Это слово «смысл». Мы многое узнали о нейронах, нейронных сетях и зонах мозга, но по-прежнему не знаем, почему все эти курсирующие в мозгу сигналы что-то для нас значат. Как вещество в нашем мозгу порождает мысли?

Противоречие между разумом и телом

Сознательное понимание – одна из самых больших загадок современной нейробиологии. Каково взаимоотношение между сознанием и физическим мозгом?

Декарт предполагал, что нематериальная душа существует отдельно от мозга. Он считал, как иллюстрирует рисунок, что сигналы от органов чувств поступают в шишковидную железу мозга, которая служит воротами к нематериальной душе. Скорее всего, Декарт выбрал эту железу потому, что она расположена на оси мозга, тогда как большинство остальных структур сдвоены и имеются в обоих полушариях.

Идею нематериальной души сложно примирить с данными нейробиологии. Декарту не приходилось бывать в неврологическом отделении больницы, иначе он увидел бы, что при изменении мозга меняется личность человека. Одни повреждения мозга вызывают депрессию, другие превращают людей в маньяков, третьи влияют на религиозность, чувство юмора или отношение к азартным играм. Человек может стать нерешительным, агрессивным или подверженным приступам бреда. Это противоречит идее, что психическое можно отделить от физического.

Современная нейробиология стремится выявить связь активности конкретных нейронов с определенными состояниями сознания, но полное понимание сознания потребует новых открытий и теорий; наша наука еще очень молода.

Проблема присвоения смысла пока не решена. Но, как мне кажется, мы уже можем сказать следующее: смысл определяется сетями ассоциаций, в основе которых лежит весь жизненный опыт.

Представьте, что я беру кусок ткани, раскрашиваю его и показываю вам. Вызовет ли он у вас воспоминания, подтолкнет ли воображение? Скорее всего, нет. Ведь это просто кусок ткани, правда?

А теперь представьте, что краска на ткани образует рисунок флага вашей страны. Его вид почти наверняка вызовет у вас ассоциации, однако конкретное значение уникально и зависит от жизненного опыта. Вы не воспринимаете объекты такими, какие они есть. Ваше восприятие определяется тем, кто вы.

Интерпретация материальных объектов зависит в основном от истории вашего мозга и лишь в небольшой степени от самих объектов. Эти два прямоугольника не содержат ничего, кроме сочетания цветовых пятен. Собака не увидит разницы между ними. Ваша реакция на них определяется только вами, а не ими.

У каждого из нас свой путь, определяемый генами и опытом, и в результате каждый мозг имеет уникальную внутреннюю жизнь. Мозги так же не похожи друг на друга, как снежинки.

В мозгу постоянно формируются и перестраиваются триллионы новых связей, и этот присущий только вам рисунок означает, что такого человека, как вы, никогда не было и не будет. Опыт, определяющий ваше сознание в данный момент, уникален.

Физически наш мозг непрерывно меняется, и мы вместе с ним. Мы не являемся чем-то раз и навсегда определенным. Человека можно уподобить незаконченному проекту – от колыбели до могилы.

2. Что такое реальность?

Как биологическая составляющая мозга определяет наше восприятие: изумрудно-зеленый цвет, вкус корицы, запах сырой земли? А если я скажу, что окружающий мир со всем своим богатством красок, текстур, звуков и запахов не более чем иллюзия, шоу, которое разыгрывается для вас мозгом? Имей вы возможность воспринимать реальность такой, какая она есть, вы были бы шокированы отсутствием звуков, красок, запахов и вкусов. За пределами вашего мозга существуют лишь энергия и материя. За миллионы лет эволюции человеческий мозг стал мастером превращения энергии и материи в богатое чувственное восприятие мира. Как он это делает?

Иллюзия реальности

Вы просыпаетесь утром, и в ту же секунду на вас обрушиваются потоки света, звука и запахов. Ваши органы чувств переполнены ощущениями. Достаточно лишь очнуться от сна, и вы без всяких умственных или физических усилий погружаетесь в неоспоримую реальность окружающего мира.

Но какая часть этой реальности представляет собой конструкцию вашего мозга и существует только в вашей голове?

Посмотрите на вращающихся змей на рисунке внизу. Картинка неподвижна, но вам кажется, что змеи ползут. Почему мозг воспринимает движение, если вы точно знаете, что изображение стоит на месте?

Страница книги неподвижна, но вы воспринимаете движение. Иллюзия вращающихся змей Акиоши Китаока.

Сравните цвет квадратов А и В. Иллюзия шахматной доски Эдварда Адельсона.

Или посмотрите на рисунок шахматной доски вверху.

Как это ни странно, квадраты А и В одинакового цвета. Можете сами проверить, закрыв остальную часть рисунка. Почему квадраты выглядят разными, если физически они ничем не отличаются друг от друга?

Подобные иллюзии указывают на то, что наша картина окружающего мира не обязательно точна. Восприятие реальности определяется не столько тем, что происходит снаружи, сколько процессами в нашем мозгу.

Восприятие реальности

Вам кажется, что при помощи органов чувств вы получаете непосредственный доступ к окружающему миру. Вы можете протянуть руку и дотронуться до физического объекта, например этой книги или стула, на котором вы сидите. Однако то, что вы чувствуете при соприкосновении, нельзя назвать непосредственным восприятием. Вы ощущаете прикосновение пальцами, но на самом деле все происходит в центре управления, расположенном в вашем мозгу. То же самое относится к остальным видам сенсорного восприятия. Вы видите не глазами, слышите не ушами, а запахи ощущаете не носом. Все ваши сенсорные ощущения рождаются в бурях возбуждения внутри вычислительного вещества мозга.

Вот вам подсказка: мозг лишен доступа к окружающему миру. Запертый в темном, безмолвном пространстве черепа, мозг никогда напрямую не контактировал с окружающим миром и никогда не будет контактировать.

Существует единственный путь поступления внешней информации в мозг. Это органы чувств – глаза, уши, нос, рот и кожа, – которые выполняют роль переводчиков. Они принимают сигналы от разнообразных источников информации и преобразуют в общую валюту мозга – электрохимические сигналы.

Эти электрохимические сигналы проходят через густые сети нейронов, главных сигнальных клеток мозга. В мозгу человека насчитывается сто миллиардов нейронов, и каждую секунду каждый нейрон посылает десятки и сотни электрических импульсов сотням других нейронов.

Нейроны сообщаются друг с другом при помощи химических сигналов, получивших название нейротрансмиттеров. Мембраны нейронов с высокой скоростью передают электрические сигналы по всей их длине. На рисунке, выполненном художником, показано пустое пространство, однако между клетками мозга его практически нет – нейроны плотно прижаты друг к другу.

Все наше восприятие – изображение, звук, запах – не является непосредственным, а представляет собой электрохимическое представление в темном театре.

Как же мозг превращает огромное количество электрохимических сигналов в полезное понимание окружающего мира? Он делает это путем сравнения сигналов, которые приходят от разных органов чувств, и выявления закономерностей, позволяющих делать верные догадки о том, что происходит «снаружи». На первый взгляд это дается ему без усилий. Но давайте присмотримся повнимательнее.

Начнем с главного органа чувств – зрения. Акт зрения кажется настолько естественным, что нам трудно понять, какой огромный механизм за ним стоит. Примерно третья часть человеческого мозга обрабатывает сигналы от органов зрения, превращая фотоны света в лицо матери, в любимого домашнего питомца или в диван, на котором мы собираемся вздремнуть. Чтобы снять покров тайны с того, что происходит в мозгу, обратимся к истории человека, который утратил зрение, а затем получил возможность его вернуть.

Я был слеп, а теперь вижу

Майк Мэй потерял зрение в возрасте трех с половиной лет. Химический ожог уничтожил роговицу, и в его глаза перестали попадать фотоны. Несмотря на слепоту, Майк стал успешным бизнесменом, а также великолепным лыжником, ориентируясь на склонах по звуковым сигналам.

Затем после сорока лет слепоты Майк узнал о новаторском методе лечения стволовыми клетками, способном исправить физические повреждения глаз. Он решился на операцию – его слепота была обусловлена разрушением роговицы, и решение выглядело очевидным.

Но случилось непредвиденное. Телевизионные камеры записали момент снятия повязки с глаз. Майк так описывает свои ощущения, когда врач снял бинты: «В мои глаза хлынул свет и поток образов. Внезапно прорвалась плотина зрительной информации. Это потрясающе».

СЕНСОРНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Биология знает множество способов преобразования информации из окружающего мира в электрохимические сигналы. Вот несколько устройств, которые есть у вас: волосковые клетки внутреннего уха, несколько типов осязательных рецепторов кожи, вкусовые сосочки языка, молекулярные рецепторы обонятельной луковицы и фоторецепторы на задней стенке глаза.

Сигналы из внешнего мира преобразуются в электрохимические сигналы, которые передаются клетками мозга. Это первый этап восприятия мозгом информации из окружающей среды. Глаза преобразуют фотоны света в электрические сигналы. Механизм внутреннего уха превращает колебания плотности воздуха в электрические сигналы. Рецепторы на коже (а также внутри тела) преобразуют давление, растяжение, температуру и воздействие вредных веществ в электрические сигналы. В городе, куда съезжаются гости со всего мира, иностранную валюту, прежде чем проводить значимые транзакции, необходимо поменять на ту, которая имеет хождение в этом городе. То же самое справедливо для мозга. Он глубоко космополитичен, приглашая путешественников самого разного происхождения.

Одна из нерешенных проблем нейробиологии получила название «проблемы увязки»: как мозгу удается создать единую, связную картину мира, если зрительный сигнал обрабатывается в одном отделе, слуховой – в другом, осязательный – в третьем и т. д.? Мы до сих пор не знаем ответа на этот вопрос, но общая валюта нейронов, а также высокая степень их взаимосвязи могут указывать путь к решению проблемы.

Новая роговица Майка должным образом пропускала и фокусировала свет, но его мозг не понимал поступающую информацию. Под прицелом телевизионных камер Майк смотрел на своих детей и улыбался им, но внутренне был в полной растерянности, поскольку не мог сказать, как они выглядят или кто из них кто. «Я вообще не умел распознавать лица», – вспоминал он.

С точки зрения хирургии трансплантация закончилась полным успехом, однако, с точки зрения Майка, его ощущения нельзя было назвать зрением. Как он сам выразился, его «мозг находился в состоянии «Подумать только!».

С помощью врачей и родных он вышел из смотровой комнаты и пошел по коридору, бросая взгляды на ковер, на картины на стене и на двери. Все это не имело для него смысла. Когда же его посадили в машину и повезли домой, Майк смотрел на проносящиеся мимо дома, здания, людей и безуспешно пытался понять, что он видит. На шоссе он съежился от страха, думая, что машина врежется в большой прямоугольник впереди. Оказалось, что они просто проезжали под дорожным указателем. Майк не мог определять расстояние до объектов и их глубину. После операции кататься на лыжах ему стало даже труднее – из-за сложностей с восприятием он с трудом различал деревья, людей, тени и впадины. Все они казались ему просто темными предметами на белом снегу.

Пример Майка показывает, что наша зрительная система не похожа на видеокамеру. Чтобы видеть, недостаточно просто снять крышку с объектива. Необходимо нечто большее, чем здоровые глаза.

В случае с Майком сорок лет слепоты означали, что территория его зрительной системы (обычно мы называем ее зрительной зоной окры) была по большей части занята остальными чувствами, такими как слух и осязание. Это повлияло на способность мозга соединять все сигналы, необходимые для зрения. Как мы увидим ниже, зрение возникает в результате координации миллиардов нейронов, взаимодействие которых образует сложную симфонию.

В настоящее время, через тринадцать лет после операции, Майк с трудом читает слова на бумаге и различает выражения лиц людей. Когда ему требуется уточнить свое несовершенное зрительное восприятие, он использует для проверки информации другие органы чувств: дотрагивается до предмета, поднимает его, слушает. Это сравнение ощущений характерно для маленьких детей, чей мозг познает окружающий мир.

Для зрения нужны не только глаза

Когда младенец протягивает руку и дотрагивается до предмета перед собой, он не только исследует его текстуру и форму. Эти действия необходимы для того, чтобы научиться видеть. Идея, что движения нашего тела необходимы для зрения, может показаться странной, однако ее изящное доказательство было продемонстрировано в 1963 г.

Ричард Хелд и Алан Хейн, исследователи из Массачусетского технологического института, поместили двух котят в цилиндр с полосатыми стенками. Оба котенка получали зрительную информацию от движения внутри цилиндра. Но между их восприятием имелось одно важное отличие: первый котенок гулял свободно, а второй находился в корзинке, прикрепленной к центральной оси цилиндра. В результате оба котенка видели одно и то же – полосы, перемещавшиеся для обоих животных с одинаковой скоростью. Если бы зрение определялось только достигающими глаз фотонами, зрительные системы котят развивались бы одинаково. Но результат удивил исследователей: нормальное зрение развилось только у того котенка, который мог свободно двигаться. Тот, что сидел в корзинке, так и не научился правильно видеть; его зрительная система должным образом не развилась.

Внутри цилиндра с вертикальными полосами один котенок ходил, а второго возили. Оба получали одинаковую зрительную информацию, но только тот, который двигался сам и мог соотносить свои движения с изменением зрительной информации, научился правильно видеть.

Зрение не ограничивается интерпретацией фотонов зрительной зоной коры мозга – поступающие в мозг сигналы воспринимаются всем телом. Они могут обрести смысл только в результате обучения, которое требует соотнесения этих сигналов и с информацией о наших действиях и сенсорных последствиях этих действий. Это единственный способ обучить мозг правильно интерпретировать поступающие по зрительному каналу данные.

Если человека с самого рождения лишить возможности взаимодействовать с окружающим миром и с помощью обратной связи определять значение сенсорной информации, теоретически он никогда не научится видеть. Когда младенцы ударяются о решетку кроватки, грызут игрушки и играют с кубиками, они не просто исследуют мир, но тренируют свою зрительную систему. Запертый в темноте, их мозг узнает, каким образом действия в отношении окружающего мира (повернуть голову, потянуть за это, отпустить то) изменяют сенсорные сигналы, которые он получает в ответ. В результате этих разнообразных экспериментов тренируется зрение.

Мы ошибаемся, считая, что зрение не требует усилий

Зрение кажется таким естественным, что нам трудно осознать, какие усилия прилагает мозг для его обеспечения. Чтобы приоткрыть завесу тайны над этим процессом, я полетел в город Ирвайн, штат Калифорния. Мне захотелось увидеть, что происходит с моей зрительной системой, когда она не получает ожидаемых сигналов.

Доктор Алисса Брюэр из Калифорнийского университета исследует степень адаптируемости мозга. Она снабжает участников эксперимента призматическими очками, которые меняют местами левую и правую сторону окружающего мира, и изучает, как справляется с этой ситуацией зрительная система.

Ясным весенним днем я надел призматические очки. Мир перевернулся – предметы, которые находились от меня справа, теперь казались расположенными слева, и наоборот. Когда я пытался определить, где стоит Алисса, зрительная система говорила мне одно, а слух – другое. Мои ощущения не совпадали. Когда я протягивал руку, чтобы взять какой-то предмет, изображение руки не совпадало с положением, на которое указывали мышцы. После двух минут в очках я взмок от пота и почувствовал тошноту.

Призматические очки переворачивают окружающий мир, так что становится чрезвычайно трудно выполнить простые действия, например налить воду в чашку, взять предмет или пройти в дверь, не стукнувшись о косяк.

Мои глаза функционировали и передавали информацию об окружающем мире, но поток визуальных данных не согласовывался с другими потоками данных. Это стало огромной нагрузкой для мозга. Словно я заново учился видеть.

Я знал, что трудности, связанные с ношением очков, – явление временное. Другой участник эксперимента, Брайан Бартон, не снимал призматические очки уже неделю. И похоже, его не мучила тошнота. Чтобы сравнить наши уровни адаптации, я вызвал его на кулинарный поединок. Мы должны были разбить яйца в миску, высыпать туда смесь для кексов, размешать тесто, разлить по формочкам и поставить в духовку.

Поединок вышел неравным: кексы Брайана, извлеченные из духовки, были абсолютно нормальными, а бо́льшая часть моего теста засохла на столе или размазалась по противню. Брайан без особого труда ориентировался в окружающем мире, тогда как я оставался практически беспомощным. Мне приходилось сознательно управлять каждым движением.

Очки позволили мне почувствовать необходимые для обработки зрительной информации усилия, которые мы обычно не замечаем. Утром, до того как я надел очки, мой мозг мог воспользоваться многолетним опытом взаимодействия с окружающим миром. Но после простого переворачивания сенсорного сигнала прошлый опыт оказался бесполезным.

Я знал: чтобы сравняться в ловкости с Брайаном, мне понадобится еще несколько дней взаимодействия с окружающим миром – протягивать руку и брать предметы, следить за тем, откуда доносятся звуки, обращать внимание на положение рук и ног. Попрактиковавшись, мой мозг привыкнет к противоречивым сигналам от органов чувств точно так же, как за семь дней привык мозг Брайана. Мои нейронные сети научатся понимать, как разные потоки данных, поступающие в мозг, соотносятся с другими потоками данных.

Брюэр сообщает, что через несколько дней, проведенных в очках, у людей развивается внутреннее чувство, позволяющее отличить новые «лево» и «право» от старых. Через неделю испытуемые уже нормально двигаются, как Брайан, и забывают о новых и старых «лево» и «право». Их пространственная карта мира меняется. Через две недели они могут без труда читать и писать, ходят и берут предметы так же ловко, как и люди без очков. За такой короткий промежуток времени они справляются с перевернутым потоком информации.

Мозгу безразличны подробности ввода данных; он просто стремится определить, как наиболее эффективно ориентироваться в окружающем мире и получать то, что ему нужно. Вся тяжелая нагрузка по обработке сигналов низкого уровня приходится на его долю. Если вы наденете призматические очки, вам придется выполнять эту работу самому, и тогда вы поймете, сколько энергии тратит мозг, чтобы зрение казалось естественным и не требующим усилий.