Текст книги "Что значит быть собакой. И другие открытия в области нейробиологии животных"

Даже на этой ранней стадии эволюции животных заметно, как неразрывно нервная система связана с движением. Для того чтобы всего лишь извиваться в одном направлении, требуется высокая степень координации. Координация настолько важна, что у человека за нее по-прежнему отвечают значительные участки спинного мозга и стволовой области головного – напоминание о нашем бесхребетном прошлом.

Но чтобы разобраться в нескольких ключевых принципах функционирования мозга, нам не нужно восстанавливать весь ход эволюции от червей до современных видов животных. Во-первых, хотя эволюционное развитие и нелинейно, координация левой и правой сторон настолько значима, что это решение, единожды найденное и опробованное, «внедрялось» у всех последующих видов. Во-вторых, как только нервная система обрела функцию контроля над телом, следующей жизненно важной функцией стало принятие решений. Для этого животному потребовался мозг. Таким образом, мы возвращаемся к принципу первому:

Наличие мозга у животных связано с необходимостью выполнять действия.

Эволюция – это единственный основополагающий принцип для всей биологии, однако осознать, как в ходе эволюции появился современный мозг, не так уж просто. В самом строгом смысле, как предполагал Дарвин, эволюцию проходит весь организм целиком. Животное должно дожить до половой зрелости и успеть оставить потомство. Отдельные части организма, например мозг, эволюционируют лишь благодаря изменениям, которые дают животному преимущество либо в борьбе за выживание, либо в размножении. Соответственно, хоть мы и вправе говорить об эволюции мозга, нужно учесть, как изменения в его структурах повышают приспособленность животного к условиям окружающей среды, а не просто проследить, как эти изменения делают мозг все больше похожим на человеческий. Отсюда следующий принцип функционирования мозга:

Мозг нужен животным, чтобы приспосабливать свои действия к условиям окружающей среды.

Другими словами, животные существуют не в вакууме. Они – часть окружающего их мира, и одна из функций мозга заключается в том, чтобы выстраивать связь между окружающей средой и системами принятия решений у животного, а также в конечном итоге его организмом.

После червей животные начали становиться интереснее: у них образовался хребет. Первые позвоночные появились пятьсот миллионов лет назад. Поначалу они не слишком отличались от червей, разве что были чуть крупнее, но именно в силу увеличения в размерах им и потребовалось в качестве внутренней опоры нечто более основательное, чем мягкая ткань. Так возникла хорда – стержневидное утолщение, проходившее у этих животных вдоль всего тела. По мере увеличения животных в размерах необходимость контроля и координирования требовала еще большего усложнения нервной системы, что вело к дальнейшей ее консолидации и централизации.

Современным живым примером таких организмов служат миноги и миксины – придонные бесчелюстные обитатели океана. В зависимости от личного восприятия, они могут показаться вам либо самыми восхитительными, либо самыми страшными из океанских существ. Миксины довольно безобидны и большую часть жизни проводят, извиваясь в донном иле. При угрозе выделяют густую слизь. Миноги же выглядят как персонажи научно-фантастического фильма (собственно, миногами и вдохновлялись художники «Звездных войн» и «Дюны», придумывая песчаных червей). Миноги прикрепляются к более крупным рыбам с помощью большой ротовой присоски, за присоской расположено кольцо зубов, которыми этот хищник вгрызается в плоть жертвы. Поскольку первые миноги появились в океане задолго до рыб, зубы у них, скорее всего, возникли как более позднее приспособление.

У ранних бесчелюстных позвоночных уже имелось то, что можно расценивать как первый выраженный мозг. Выпуклость на головном конце спинного мозга содержала все базовые области, имеющиеся в мозге каждого позвоночного: обонятельную луковицу, примитивную кору для принятия решений, область обработки сенсорной информации и область координации и управления системами жизнеобеспечения.

У этих первых позвоночных и тело, и мозг были приспособлены для контроля над действиями в немыслимой для беспозвоночных степени. Однако такое разнообразие населяющих океан животных неизбежно подогревало конкуренцию. Одними рефлексами тут было не обойтись. Выжить в древнем океане могло животное, превосходившее соперников в гибкости принятия решений. Способность варьировать поведение давала виду существенное преимущество перед теми, кого ограничивала намертво вшитая моторная программа. Потребность в гибкости поведения выводит нас на третий принцип функционирования мозга:

Мозг нужен животному, чтобы учиться.

В действительности учиться способны даже животные с простой нервной системой, но степень обучаемости при этом будет соответствующая. Связь стимул – реакция – это тоже форма научения, для которой достаточно нескольких нейронов. Научение, осуществляемое полноценно развитым мозгом, гораздо глубже. Разумное существо может и должно осознавать, что окружающая среда таит в себе как блага, так и опасности – в основном второе. Вероятность выжить и дать потомство зависит во многом от умения выстроить длинную цепочку правильных решений и избежать неправильных, чреватых гибелью. Вторую попытку никто не даст. Как же тогда животное учится на собственном опыте, не расставаясь с жизнью?

Дело в том, что в ходе эволюции мозг достиг большего, чем просто способности воспринимать информацию и соответственно действовать. Высокоразвитый мозг постоянно прокручивает модели возможных действий и их последствий, как мы просчитываем ходы при игре в шахматы. По мере расширения поведенческого репертуара у позвоночных вынужден был усложняться и мозг. Частично это усовершенствование было направлено на то, чтобы угнаться за усложнением действий, но в основном увеличение размеров мозга отражало растущую потребность обыграть соперников в дарвиновской борьбе за выживание. И хотя научение строится на прошлом опыте, необходимость смотреть вперед и прогнозировать вероятные сценарии ведет к четвертому принципу функционирования мозга:

Мозг моделирует возможные действия и будущие последствия, чтобы принять оптимальное решение в конкретной ситуации.

Спустя еще восемьдесят миллионов лет эволюционного развития появились рыбы. Это были хрящевые – класс, в который входят в том числе акулы и скаты. В ходе дарвиновской борьбы за выживание они становились всё крупнее и сильнее, что, в свою очередь, требовало укрепления скелета. Около четырехсот миллионов лет назад среди обитателей океана уже наблюдалось огромное разнообразие как хрящевых, так и костных рыб. Эволюция костяка привела к возникновению более сложных форм тела[24]24
  N. Shubin, Your Inner Fish: A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body (New York: Pantheon, 2008).


[Закрыть]. Увеличивалось количество плавников в разных местах, благодаря чему возрастали скорость и маневренность. И наконец, около трехсот девяноста миллионов лет назад произошел, пожалуй, самый важный скачок в эволюции позвоночных: часть плавников окрепла настолько, чтобы выдерживать вес тела на суше. Так произошли четвероногие.

Сначала они были похожи на тритонов и жили в основном в воде, лишь изредка отваживаясь выползать на берег. А тот, несомненно, изобиловал растительностью, и, когда все это изобилие оказалось в единоличном распоряжении земноводных, неудивительно, что они получили в борьбе за выживание огромное преимущество перед соперниками, не способными покинуть водную среду.

Икру земноводные откладывали в воде, поскольку на суше без защитной оболочки она бы погибла. В итоге образовалась еще одна эволюционная ниша – преимущество для тех четвероногих, которые будут откладывать яйца, способные уцелеть на суше, подальше от океанских любителей ими полакомиться. Такие яйца, с достаточной твердой оболочкой в виде скорлупы, появились около трехсот двадцати миллионов лет назад, и от животных, которые их откладывали (завропсид), произошли впоследствии пресмыкающиеся и птицы. Вскоре завропсиды стали царями планеты. Состав у этого класса был достаточно пестрым и отличался большим видовым разнообразием. Но примерно двести пятьдесят миллионов лет назад их сладкая жизнь внезапно оборвалась – в результате массового вымирания, так называемой пермской катастрофы. Причина ее неизвестна, гипотезы выдвигаются многочисленные – от метеоритных ливней до извержения вулканов и безудержного парникового эффекта. После этой катастрофы жизнь на планете восстанавливалась около десяти миллионов лет.

Из класса завропсид уцелели крокодилы и динозавры. У последних бум видообразования случился двести миллионов лет назад, когда большинство их соперников погибло в очередном массовом вымирании (триасово-юрском). Оставшиеся сухопутные, не принадлежащие к динозаврам, вынуждены были мельчать и умнеть, чтобы превзойти гигантов изворотливостью. Именно от них затем произошли млекопитающие.

Древнейшие предки млекопитающих, цинодонты, откладывали яйца, как пресмыкающиеся и птицы[25]25
  M. Ruta, J. Botha-Brink, S. A. Mitchell, and M. J. Benton, “The Radiation of Cynodonts and the Ground Plan of Mammalian Morphological Diversity,” Proceedings of the Royal Society of London B 280 (2013): 20131865.


[Закрыть]. Цинодонты обитали на Земле со времен пермской катастрофы и выглядели как помесь крысы и ящерицы. Конечности у них были прямее, чем у рептилий, и это повышало их мобильность. Не исключено, что у цинодонтов имелись даже примитивные механизмы терморегуляции. В этом случае их можно считать первыми теплокровными. Если самым крупным из цинодонтов хватало массы тела, чтобы сохранять тепло, то более мелких в холода, вероятно, согревала шерсть. Дальнейшая эволюция привела к появлению новой репродуктивной стратегии, позволявшей яйцу развиваться внутри организма, что уберегало зародыш от гибели в зубах хищника. Эта ветвь млекопитающих – терии, или настоящие звери, – рождала детенышей живыми, и именно от них ведут свою историю все ныне живущие млекопитающие.

Динозавры, возможно, обитали бы на Земле по сей день, если бы не астероид, столкнувшийся с нашей планетой шестьдесят шесть миллионов лет назад и погубивший всех динозавров, кроме птиц. Мел-третичная катастрофа стала пятой и самой недавней в череде массовых вымираний, и, хотя потери понесли все виды, во время восстановительного периода млекопитающие получили заметное преимущество. После исчезновения динозавров они стремительно расширили видовое разнообразие, заполнив пустующие экологические ниши.

А еще млекопитающие выросли в размерах – и тут мы снова возвращаемся к разговору о мозге.

Чем крупнее тело, тем крупнее мозг. Вроде бы очевидно, однако споры о предпосылках и последствиях этого факта не утихают уже более ста лет[26]26
  G. von Bonin, “Brain-Weight and Body-Weight of Mammals,” Journal of General Psychology 16 (1937): 379–389; K. S. Lashley, “Persistent Problems in the Evolution of Mind,” Quarterly Review of Biology 24 (1949): 28–42; L. Chittka and J. Niven, “Are Bigger Brains Better?” Current Biology 19 (2009): R995 – R1008.


[Закрыть]. Чтобы рассмотреть сознание животного с биологической точки зрения, сперва нужно объяснить различия в размерах мозга и понять, что дает – и дает ли – крупным животным вся эта дополнительная нервная ткань.

В 1973 году психолог Гарри Джерисон выдвинул гипотезу – простое правило, объясняющее межвидовую разницу в размерах мозга. Он писал: «Масса нервной ткани, отвечающей за определенную функцию, соответствует количеству обрабатываемой информации, требуемой для выполнения этой функции»[27]27
  H. J. Jerison, Evolution of the Brain and Intelligence (New York: Academic, 1973).


[Закрыть]. Он назвал это «принципом надлежащей массы». Поскольку биологической системе требуется постоянный источник энергии, рассуждал Джерисон, та или иная область мозга способна развиться лишь до тех размеров, которые необходимы для выполнения возложенных на нее задач. Дальнейшее увеличение – это уже расточительство. В таком случае должно быть верно и обратное: размер той или иной структуры мозга позволяет судить об относительном (в сравнении с другими отделами мозга) объеме выполняемой ею работы.

По логике Джерисона, более крупный мозг должен в таком случае обрабатывать больше информации, чем уступающий ему в размерах. Но чем это обусловлено?

Первые подсказки нам дает геометрия тела животных и математическая зависимость между весом тела и мозга. У мелких птиц соотношение веса мозга и тела составляет 1:10, у собак и кошек – примерно 1:100, у слона – около 1:500, у синего кита – приблизительно 1:14 000. Так что хотя у больших животных мозг действительно крупный, увеличивается он не строго пропорционально размерам тела. Его вес пропорционален весу тела примерно в степени 2/3[28]28
  G. Roth and U. Dicke, “Evolution of the Brain and Intelligence,” Trends in Cognitive Sciences 9 (2005): 250–257.


[Закрыть].

Данный показатель степени важен нам, потому что согласно фундаментальным геометрическим законам площадь поверхности объекта пропорциональна его объему в степени 2/3[29]29
  Например, площадь сферы пропорциональна r², где r – радиус, тогда как объем пропорционален r³. Соответственно, площадь будет пропорциональна объему в степени 2/3.


[Закрыть]. Эта математическая зависимость обусловлена вовсе не тем, что у более крупного животного больше мышц, а значит, больше объектов для контроля. У насекомых, например, количество мышц примерно совпадает с нашим. Дело не в этом, а в том, что, как проницательно подметил Джерисон, с увеличением площади поверхности увеличивается объем поступающих от кожи сенсорных данных, которые мозгу нужно обрабатывать.

Ученые любят объяснять биологические явления с помощью математических правил, однако лучше все же воспринимать эти правила как ориентиры, а не как непреложные законы. У таких правил всегда бывают исключения (и в данном случае исключение довольно примечательное – человек)[30]30
  T. W. Deacon, “Rethinking Mammalian Brain Evolution,” American Zoologist 30 (1990): 629–705.


[Закрыть]. Наш мозг гораздо крупнее, чем следовало бы предполагать, исходя из правила площади поверхности. Более того, это объяснение не принимает в расчет другие сенсорные системы, в частности зрительную, роль которой сильно различается у разных видов.

В результате появилась новая мера – коэффициент энцефализации, EQ, который выводится из соотношения объемов мозга и организма в целом. Соответственно, несмотря на то что абсолютный размер мозга у слона огромен, EQ покажет, действительно ли он велик в пропорции к гигантскому слоновьему телу. Джерисон определил средний EQ для млекопитающих равным единице. Если у того или иного вида EQ выше единицы, значит, мозг у него достаточно крупный относительно тела, и, наоборот, при EQ меньше единицы мозг для тела таких габаритов мелковат. У кошек показатель составляет ту самую среднюю единицу, у собак чуть выше – 1,2. У обычных обезьян, шимпанзе и слонов EQ равен примерно 2, а вот у дельфина афалины достигает 4. Человек занимает верхнюю ступень этой иерархии с EQ равным 7.

Напрашивается вывод: чем выше EQ, тем умнее животное, однако это верно лишь в грубом приближении. Если расценивать интеллект как владение речью и способность оперировать отвлеченными понятиями, то человек, разумеется, и тут окажется впереди всех, и проще простого объяснить это тем, что наш мозг имеет размер выше среднего. Но, даже если сравнивать между собой только людей, зависимость интеллекта от EQ не выдерживает критики. Возьмем двух человек с одинаковым размером мозга. Предположим, один весит 70 кг, а второй – 110 кг, и тогда у первого EQ будет равен 7, а у второго – 5. Но вроде бы никем пока не доказано, что, похудев, человек становится умнее[31]31
  Несмотря на убедительные свидетельства положительного воздействия диеты и физических упражнений на когнитивные функции, скорее всего, это объясняется не изменением массы тела, а активизацией фактора роста нейронов.


[Закрыть].

В последнее время EQ вызывает все больше сомнений, поскольку его расчеты основаны на том, что вещество мозга у всех животных одинаково, а это, возможно, не так. Бразильский нейрофизиолог Сюзана Эркулано-Хузель с 2006 года разрабатывает способ измерения числа нейронов в мозге[32]32
  S. Herculano-Houzel, The Human Advantage: A New Understanding of How Our Brain Became Remarkable (Cambridge, MA: MIT Press, 2016).


[Закрыть]. Прежде надежного способа не существовало, все сводилось к исследованию случайных образцов разных участков мозга, а затем результаты распространялись на весь остальной мозг. Эркулано-Хузель придумала, как превратить целый мозг в «бульон», из которого затем можно отфильтровать нейроны. И, подсчитав число нейронов в мозге разных животных, она обнаружила, что показатели у человека не такие уж и выдающиеся. Хотя нейронов у человека и вправду много – около восьмидесяти шести миллиардов, количество это вполне соответствует размерам нашего тела в сравнении с другими приматами. А вот между приматами и всеми остальными млекопитающими разрыв действительно большой. Нейроны у приматов мельче и благодаря своей микроскопичности укладываются в мозге заданного объема более плотно. Эркулано-Хузель доказывает, что интеллект определяется именно числом нейронов, особенно в коре мозга, а вовсе не коэффициентом энцефализации.

Однако и объем мозга, и число нейронов – это лишь общие параметры, сообщающие нам ненамного больше, чем сообщает о человеке его рост или вес. Чтобы понять субъективные ощущения животного, нужно проникнуть глубже в устройство его мозга.

Поскольку общие размеры мозга мало что объясняют, придется обратиться к другим переменным, и следующая такая переменная – это размер определенных его частей. Отдельные области мозга все равно должны подчиняться принципу надлежащей массы, то есть более обширные зоны обрабатывают больше данных, и на этом основании можно судить о внутренних ощущениях животного. А поскольку обслуживание нейронов требует от организма крупных затрат, размер области мозга может рассказать и о том, насколько выполняемая ею функция важна для животного.

Но, прежде чем углубиться в изучение отдельных областей мозга, нам нужно уточнить один момент, касающийся размеров. Измерять можно тремя способами. Первый, самый прямолинейный, – вычислить абсолютный размер области, то есть ее объем. Второй – вычислить пропорциональный размер области, то есть ее долю в общем объеме мозга. Этот показатель довольно интересен, поскольку у каждого отдела соотношение с общим размером мозга индивидуально. Так, например, по мере увеличения объема мозга все больше и больше становилась доля коры. Другие отделы, такие как мозжечок и стволовая часть, тоже росли, но менее стремительными темпами, чем кора. Пропорциональные размеры коры, мозжечка и стволовой части отличаются у разных видов удивительным постоянством, особенно у млекопитающих, – на этот счет существует теория, утверждающая, что главные отделы мозга развивались согласованно[33]33
  B. L. Finlay and R. B. Darlington, “Linked Regularities in the Development and Evolution of Mammalian Brains,” Science 268 (1995): 1578–1584.


[Закрыть]. Логика в этом есть. Поскольку в мозге все взаимосвязано, то происходящее с одним отделом отражается и на других.

Но, если отделы мозга развивались согласованно, как же тогда в ходе эволюции расширялись или сокращались те или иные функции? Ведь эта дифференциация и лежит в основе того, что отличает мозг кошки от мозга собаки или мозг человека от мозга шимпанзе. Данный парадокс приводит нас к третьему способу определения размера отдельных областей мозга.

Если пропорциональный размер – это отношение отдела мозга к общему объему, то относительный размер – это соотношение отделов между собой. У собак большие обонятельные луковицы, но что значит в данном случае «большие»? На долю обонятельной луковицы у собаки приходится около 0,3 % общего объема мозга. Если мы добавим прилегающую нервную ткань (обонятельные пути и обонятельную полоску), доля вырастет до 2 % от общего объема. У человека эта доля составляет 0,01 и 0,03 % соответственно, однако пропорциональный размер может быть небольшим, поскольку значительную долю объема забрали остальные отделы коры. Поэтому нам нужно определить объем обонятельной системы по отношению к другим сенсорным системам, например зрительной. Только тогда можно будет сравнивать обоняние собаки с человеческим. Если в ходе эволюции менялись относительные размеры областей мозга, может быть, мозг развивался как мозаика, каждый элемент которой подвергался индивидуальному эволюционному воздействию[34]34
  R. A. Barton and P. H. Harvey, “Mosaic Evolution of Brain Structure in Mammals,” Nature Neuroscience 405 (2000): 1055–1058


[Закрыть].

Еще одним примером мозаичной эволюции может служить относительность роли слуховой и зрительной информации. В процессе слушания звуковые волны улавливаются ушной раковиной и преображаются в колебания мельчайших косточек внутреннего уха. Волоски особых нейронов внутреннего уха трансформируют эти колебания в электрические импульсы, которые передаются по слуховому нерву в ствол головного мозга. По дороге к мозгу слуховые сигналы проходят через ряд структур, самая заметная из которых носит название «нижнее двухолмие». Левый и правый «холмики» образуют пару выпуклостей на задней поверхности среднего мозга. Как вы, наверное, догадываетесь, если есть нижнее двухолмие, должно быть и верхнее – оно действительно имеется, расположено выше нижнего и представляет собой аналогичную структуру, но для приема зрительной информации. Анатомы давно поняли, что относительные размеры нижнего и верхнего двухолмий соответствуют относительной важности слуховой и зрительной информации для животного. У летучих мышей и дельфинов, пользующихся эхолокацией, нижнее двухолмие крупнее верхнего, тогда как у животных, больше полагающихся на зрение, в том числе у многих приматов, крупнее верхнее двухолмие.

Один из самых убедительных примеров взаимосвязи между относительным размером и функцией того или иного отдела дает нам птичий мозг, а точнее, структура под названием гиппокамп, находящаяся между корой и стволом. У млекопитающих она образует восходящую дугу с внутренней части височной доли. У птиц – скобку в верхушечной части больших полушарий[35]35
  H. J. Karten, “Vertebrate Brains and Evolutionary Connectomics: On the Origins of the Mammalian ‘Neocortex,’” Proceedings of the Royal Society of London B 370 (2015): 20150060.


[Закрыть]. В одном из классических исследований Джон Кребс, зоолог из Оксфордского университета, измерил относительный размер гиппокампа у птиц, которые запасают еду (например, ворон), и не запасающих (таких, как зяблики). Сравнив в том числе размер тела и общий объем мозга, Кребс обнаружил, что у запасающих гиппокамп крупнее, чем у не запасающих[36]36
  J. R. Krebs, D. F. Sherry, S. D. Healy, V. H. Perry, and A. L. Vaccarino, “Hippocampal Specialization of Food-Storing Birds,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 86 (1989): 1388–1392.


[Закрыть].

Гиппокамп уже достаточно давно известен как одна из ключевых структур, отвечающих за формирование памяти. В 1950-х годах некому Генри Молисону, страдавшему эпилепсией, удалили обе части гиппокампа в надежде тем самым избавить его от заболевания. В этом смысле операция увенчалась успехом. Но Генри Молисона (точнее, пациента Г. M., как его до самой кончины называли во всех научных работах) ждал и другой «успех» – слава самого знаменитого больного в истории неврологии, поскольку после операции он лишился способности формировать новые воспоминания. У животных гиппокамп важен, прежде всего, для пространственной памяти – помнить, где что расположено. Поэтому вполне логично, что в мозге птиц, запасающих еду впрок, ему должно быть отведено больше места.

В поддержку теории мозаичной эволюции мозга эти примеры приводят чаще всего. Примеры убедительные и хорошо иллюстрируют основополагающую взаимосвязь между относительным размером отделов мозга и их функцией. Однако в большинстве остальных случаев доказательство получается не особенно убедительным. Вариации в размерах других отделов мозга в основном соотносятся с общим его размером. Животные становились крупнее, а значит, рос и мозг вместе со всеми его составляющими.

Но, как и повсюду в жизни, размер – это не главное. Главное – связи.

Хотя нейронам достается львиная доля внимания исследователей, толщина серого вещества коры головного мозга, в котором находятся клеточные тела нейронов, составляет ничтожные три миллиметра. Бóльшая часть мозга состоит вообще из другого – из глиальных клеток, служащих нейронам опорой и метаболическим проводником. Спинномозговая жидкость (ликвор) создает что-то вроде подушки безопасности, поддерживая мозг на плаву. Далее идет белое вещество, которое тоже занимает существенную часть объема. Белый цвет ему придает похожая на воск субстанция под названием миелин, выполняющая роль электроизолирующей оболочки у аксонов. Синапсы, где происходит передача информации между нейронами, расположены в сером веществе, однако наличие белого вещества позволяет сообщаться и нейронам, находящимся на значительном расстоянии друг от друга – в разных отделах мозга или в головном и спинном мозге. Длина аксонов в белом веществе спинного мозга может достигать метра.

Джерисон изучал серое вещество, потому что именно там располагаются нейроны. До недавнего времени мало кто из нейробиологов интересовался белым веществом, поэтому обнаруженная Кэчэнем Чжаном и Терренсом Сейновски (специалистами из Института биологических исследований Солка) значимая связь между белым и серым веществом оказалась для всех полной неожиданностью[37]37
  K. Zhang and T. J. Sejnowski, “A Universal Scaling Law Between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97 (2000): 5621–5626.


[Закрыть]. Чжан и Сейновски измерили объем серого и белого вещества в мозге пятидесяти девяти разных млекопитающих – от крохотной малой бурозубки до слона и дельфина гринды. Отраженные на логарифмической шкале результаты измерений выстроились в прямую линию. На таком типе графиков крутизна кривой дает показатель степени для пересчета – в данном случае объем белого вещества оказался равен объему серого в степени 1,23.

Эта величина представляет интерес по двум причинам.

Во-первых, степень больше единицы, то есть объем белого вещества увеличивается быстрее, чем объем серого. По мере увеличения мозга белое вещество занимает все больше места. Вполне закономерно, ведь чем больше в мозге нейронов, тем больше связей друг с другом им требуется. Поверхность коры в основном покрыта полотном нейронов, поэтому чем крупнее становится мозг, тем обширнее площадь этого полотна. Если бы все нейроны были связаны между собой, прирост числа соединений должен был бы составлять квадрат от количества нейронов. Но это не так.

Соответственно, во-вторых: степень меньше квадрата, то есть белое вещество увеличивается быстрее серого, но не настолько, чтобы все нейроны оставались связаны между собой. Неспособность обеспечить полную связь означает, что более крупный мозг распадается на обособленные отделы. Иными словами:

Увеличение мозга ведет к увеличению его модульности.

Чжан и Сейновски пришли к выводу, что взаимосвязь между объемом серого и белого вещества можно объяснить простым принципом, согласно которому мозг минимизирует количество дальних связей. Если волокно тянется на дальнее расстояние, оно занимает много места и грозит замедлением проводимости. Тракты в белом веществе похожи на автострады, по которым гонят дальнобойные фуры, – полезная штука, но очень дорогая в обслуживании. Представьте, что вам нужно разослать некое количество товаров по всей стране. Можно отправлять каждый отдельно из центрального отделения, а можно накапливать на местных складах и рассылать по окрестностям. Расходы на дальнюю пересылку минимизируются за счет объединения отправок на местные склады.

В математической зависимости, ничего нам не говорящей при других обстоятельствах, скрывалась труднопостижимая истина, касающаяся организации мозга. До Чжана и Сейновски ученые спорили о том, почему у разных животных отличается внешнее устройство мозга. Согласно принципу надлежащей массы, размер того или иного отдела связывали с объемом выполняемой работы – либо пропорционально, либо относительно. Чжан и Сейновски доказали, что размер связан, кроме того, с определенными затратами. По мере увеличения отделов объем тех областей мозга, которые отвечают за сообщение между этими отделами, увеличивался еще быстрее. В результате возник парадокс. Эволюция стремилась к централизации управления организмом, но по мере увеличения животных в размерах мозг становился все более дискретным. Современный большой мозг представляет собой уже не единое целое, а совокупность полуавтономных модулей.

Но, хотя взаимосвязь между объемами белого и серого вещества имеет основополагающее значение для понимания принципов устройства мозга, она все же относится лишь к размеру. Она не объясняет, почему мозг собаки не похож на мозг обезьяны резуса, хотя и тот и другой весят по сто граммов. Чтобы разобраться, за счет чего собачий мозг делает собаку собакой, а не обезьяной, нам нужно проникнуть в его устройство еще глубже и посмотреть, как распределены в нем белое и серое вещество. Нам нужна подробная карта взаимосвязей между разными частями.

Анализировать, как связаны между собой части мозга, – это примерно как вычислять принципы устройства экономики той или иной страны, глядя из космоса. Представьте, что вы находитесь на орбитальной Международной космической станции в двухстах пятидесяти милях от поверхности Земли. Как вы будете изучать Соединенные Штаты? Наверное, для начала присмотритесь к самым заметным элементам ландшафта – океанам, горам, рекам, городам. Они подскажут вам, где сосредоточена наибольшая активность, но и только. Если у вас острый глаз, возможно, вы разглядите магистрали, по которым осуществляется сообщение между центрами активности. Постепенно у вас сложится представление о том, как функционирует эта страна.

В конце XX века нейронаука занималась, прежде всего, «заметными элементами» – размером разных отделов мозга и предпосылками их активности. В XXI веке парадигма сместилась в сторону построения карты магистралей, и нейробиологи этого поколения уклонились в картографию. Эта область исследований называется коннектомикой[38]38
  S. Seung, Connectome: How the Brain’s Wiring Makes Us Who We Are (New York: Houghton Mifflin Harcourt, 2012).


[Закрыть].

Коннектомика, которая, разумеется, не сводится к простому построению карт, имела неплохие перспективы проникнуть, наконец, в разум животных. Связи между нейронами в разных отделах мозга выполняют важную функцию. Они координируют активность, и только благодаря этим связям животное воспринимает окружающую среду и осознает собственные действия. Соответственно, карта этих связей будет для нас чем-то вроде атласа, в котором можно наметить путь к разуму. Точно так же, как отличаются дорожные атласы Соединенных Штатов и Канады, будут отличаться эти карты у собаки и обезьяны. И чтобы понять, каково это – быть собакой, нам нужно взглянуть на ее «атлас автодорог».

Соединения в мозге настолько тесно связаны с психическими состояниями, что расстройства, вызванные их сбоями, в медицине описываются как «синдром разъединения». Когда связь между отделами мозга нарушается, они начинают функционировать обособленно, что приводит к возникновению ряда неврологических заболеваний. Так, например, левое и правое полушарие вполне тянут на два отдельных мозга. Эксперименты по разделению полушарий в 1950-х годах показали, что каждое из них способно обрабатывать информацию и управлять противоположной стороной тела. Однако без сплетения нервных волокон под названием «мозолистое тело», соединяющего полушария, человек уже не может объяснить, почему одна его рука делает одно, а другая – другое. При разъединении снижается осознанность. И если разделение полушарий – это результат хирургического вмешательства, то другие расстройства часто возникают из-за инсульта или травмы. Так, например, поражение пучка волокон, связывающего область восприятия речи с областью, отвечающей за порождение речи, ведет к синдрому разъединения, называемому проводниковой афазией. Больные, страдающие этим расстройством, говорят свободно, однако в силу отключения области, отвечающей за обработку услышанного, не отслеживают сказанное, поэтому речь их представляет бессвязный поток сознания.

Черепно-мозговая травма, например в результате резкого торможения при автомобильной аварии, приводит к обширному повреждению белого вещества. Если повреждение достаточно сильное, может нарушиться связь между корой и стволом. А поскольку в стволе находятся скопления клеток, ответственных за бодрствование, разрыв этой связи заканчивается для человека комой. Через какое-то время пострадавший может от таких повреждений оправиться, однако процесс восстановления идет неравномерно. Какие-то связи уже функционируют, а другие по-прежнему разорваны. И когда такое происходит, даже крошечная сенсорная стимуляция способна вызвать шквал активности в коре. Эта активность, в свою очередь, может проявляться буйством, воплями, бесцельной беготней. Больной зачастую не отдает себе отчета в своих действиях. В прошлом такое поведение купировали сильными успокоительными, теперь же, благодаря открытиям коннектомики, врачи научились минимизировать сенсорное раздражение для больных, выходящих из комы, а не глушить их транквилизаторами, и восстановление при таком подходе продвигается быстрее.