Текст книги "Мозг и сознание. Разгадка величайшей тайны человеческого мозга"

Мозг и сознание. Разгадка величайшей тайны человеческого мозга
(под ред. К. Уилльямс)

Your Conscious Mind. Unravelling the greatest mystery of the human brain

© New Scientist, 2017

© Оформление, ООО «Издательство АСТ», 2019

* * *

Авторы-составители

Редактор: Кэролайн Уилльямс – научный журналист и редактор из Великобритании. Консультант журнала New Scientist и автор книги «Мой продуктивный мозг: Как я проверила на себе лучшие методики саморазвития и что из этого вышло» (Scribe, 2017).

Редактор серии: Элисон Джордж – редактор серии книг Instant Expert журнала New Scientist.

В книгу вошли доклады, прочитанные на мастер-классе по сознанию, организованном журналом New Scientist в 2016 году, а также статьи экспертов, ранее публиковавшиеся в журнале New Scientist.

Авторы научно-популярных статей

Марк Бекофф – почетный профессор экологии и эволюционной биологии Колорадского университета в Боулдере, исследующий поведение и когнитивные функции животных. Он написал раздел в главе 10, в котором утверждает, что животные обладают сознанием и люди должны относиться к ним соответствующим образом.

Патрик Хаггард – профессор когнитивной нейронауки в Университетском колледже Лондона. Его исследования фокусируются на субъективном переживании произвольных действий и на образе тела в мозге. Он написал статью о свободе воли в главе 4.

Николас Хамфри – психолог-теоретик из Кембриджа, который изучает эволюцию интеллекта и сознания. Автор книги «Сознание. Пыльца души» и соавтор раздела «Изобретение сознания» в главе 3.

Дж. Кевин О’Риган – бывший директор Лаборатории психологии восприятия в Университете Париж Декарт, предложивший новый подход к пониманию сознания, автор книги «Почему красный не звучит как колокольчик: Как понять чувство сознания» (Oxford University Press, 2011). Он написал в главе 6 раздел о том, возможно ли создать «чувства» у машин.

Лиз Пол – старший научный сотрудник в Бристольском университете, исследует эмоциональные и познавательные способности животных разных видов. В главе 10 она пишет о сознании животных.

Анил Сет – соруководитель Центра наук о сознании им. Терезы Саклер при Университете Сассекса в Великобритании, автор готовящейся к изданию книги «Приемный зал» (Faber & Faber, 2019). Он исследует понимание биологических основ сознания, о чем пишет в главе 2.

Макс Тегмарк – профессор физики Массачусетского технологического института, специализируется в области космологии. В своей книге «Наша математическая Вселенная» он исследует физику сознания. В главе 3 его авторству принадлежит раздел «Является ли сознание состоянием материи?».

Адам Земан – исследователь в области когнитивной и поведенческой неврологии, включая неврологические расстройства сна, профессор медицинского факультета Университета Эксетера, автор книги «Сознание: Руководство пользователя». В главе 5 он пишет о расстройствах сознания.

Благодарим также следующих журналистов и редакторов:

Анил Анантасвами, Селест Бивер, Майкл Брукс, Линда Геддес, Хэл Ходсон, Валери Джемисон, Дэн Джонс, Кирстин Кидд, Грэм Лоутон, Тиффани О’Каллаган, Шон О’Нилл, Дэвид Робсон, Лора Спинни, Кайт Сукель, Хелен Томсон, Прю Уоллер.

Предисловие

Из всех тайн человеческого существования самыми загадочными, должно быть, являются эти вопросы: «Что такое сознание? Реально ли оно или это просто иллюзия? И в любом случае, как оно работает?»

Люди задумывались над этими вопросами задолго до того, как узнали, что «органом» мышления является мозг. Пока Гиппократ в V веке до н. э. не заметил, что у людей с травмами головного мозга нарушались различные аспекты сознания, никто и не подозревал, что сознание имеет к мозгу какое-то отношение.

Но вопросы на этом не прекратились. Как может мягкая, похожая на тофу ткань мозга дарить нам такое богатство переживаний? Как мы можем утверждать, что мои переживания подобны твоим? Что происходит в бессознательном и как оно влияет на наши представления о свободе воли?

Пока у нас нет всех ответов, и эти вопросы продолжат обеспечивать работой ученых и философов в течение еще нескольких веков.

Что у нас есть, так это некоторые увлекательные гипотезы, многие из которых кажутся невероятнее вымысла. Для навигации в глубинах философии и нейронауки мы собрали представления величайших исследователей сознания и объединили их с опытом авторов New Scientist. Мы признаем, что следующие страницы не содержат всех разгадок тайн нашего разума, но они точно вызовут новые захватывающие вопросы. Они даже могут заставить вас переосмыслить все, что, как вы думали, вы знаете о реальности.

Кэролайн Уилльямс, редактор

Глава 1. Введение в трудную проблему сознания

В мире существует множество сложных проблем, но лишь одна из них заработала право называться той самой «трудной проблемой». И это проблема сознания – каким образом приблизительно килограмм нервных клеток порождает непрерывный калейдоскоп ощущений, мыслей, воспоминаний и эмоций, заполняющих каждую секунду бодрствования.

Загадка сознания

Спросите себя: ощущаете ли вы сознание? Сам факт, что вы даже способны рассматривать такие вопросы, предполагает ответ «да». Наше собственное сознание кажется такой очевидной деталью нашей жизни, что бо́льшую часть времени мы даже и не задумываемся об этом.

А теперь взгляните в глаза ближайшего к вам человека. В сознании ли он? На этот раз будет гораздо труднее ответить на вопрос с уверенностью. Неважно, смотрите ли вы в глаза своего любимого или совершенного незнакомца; нет никакого способа достоверно узнать, в сознании ли они. И даже если так, невозможно узнать, отличается ли их переживание сознания от вашего. Начните задаваться подобными вопросами о животных и даже машинах, и все еще больше усложнится.

Постижение базовых аспектов сознания веками заставляло философов ломать головы. Еще в XVII веке Рене Декарт задал тон современным обсуждениям проблемы, провозгласив, что тело и сознание сделаны из разного теста. С точки зрения Декарта, тело и мозг созданы из материи, как и любой другой физический объект: столы и стулья, камни и растения. Сознание же, с нашими мыслями, убеждениями, воспоминаниями и всей внутренней жизнью, нематериально – его невозможно увидеть, потрогать или непосредственно пронаблюдать. С тех пор это замечание определяло тон большинства дискуссий о сознании.

Трудная проблема

В 1995 году философ Дэвид Чалмерс из Нью-Йоркского университета модифицировал точку зрения Декарта, дав ей название «трудной проблемы». Чалмерс утверждал, что понимание работы мозга ничего не говорит нам о сознании, поскольку, в то время как мозг существует физически, содержание пребывающего в сознании ума нельзя наблюдать или измерить.

С точки зрения Чалмерса, понимание мозга – «легкая проблема». Например, мы можем сказать, что мозг состоит примерно из килограмма связанных между собой нейронов, некоторые из которых созданы для выполнения определенных функций. Мы также можем сказать, что сообщения между нейронами передаются с помощью электричества и химии. Но, хотя мы можем объяснить, например, каким образом наши глаза передают мозгу информацию о длине волны света, которая относится к цвету, это ничего не говорит нам о том, каково это – видеть красный цвет. С этой точки зрения, даже понимание каждой детали функционирования мозга не поможет узнать природу сознания, потому что оно ничего не говорит о том, как люди переживают красный цвет. Или, как сформулировал Томас Нагель в 1970-х годах, вы могли бы узнать каждую деталь физических аспектов работы мозга летучей мыши, но все равно не поняли бы, каково это – быть летучей мышью (см. «Квалиа»).

Другой пример. Расположите эту книгу перед вашими глазами. Прямо сейчас вы испытываете сознательное переживание видения бумаги (или экрана), слов и изображений. То, как вы видите эту страницу, индивидуально для вас, и никто не сможет точно узнать, как вы это переживаете. Именно так и определяется сознание: это ваши собственные, личные и глубоко субъективные переживания, и нет никакого способа объяснить кому-то другому, каково это для вас.

Квалиа

В философских терминах наш опыт – «каково это» – называют квалиа. Это субъективные, личные свойства чувственного опыта: прохладность воды, краснота красного цвета, чувство счастья. Сторонники трудной проблемы утверждают, что никакое понимание физиологии мозга не будет правильно описывать квалиа, потому что вариантов квалиа столько же, сколько людей в мире, и нет никакого способа их сравнить. Более того, есть предположения, что в рамках нашего текущего понимания законов физики постичь квалиа в принципе невозможно.

Итак, если сознание не физический объект, что же оно такое? Радикальная версия заключается в том, что сознание является фундаментальной составляющей Вселенной, существуя наряду с материей и обладая свойствами, которые нельзя объяснить при нашем нынешнем уровне понимания физики. Если довести до крайности, утверждает Чалмерс, эта идея может привести к панпсихизму, представлению о том, что всякая материя – даже неодушевленные предметы, такие как камни, – в некоторой степени наполнена сознанием.

Зомби

Другая проблема заключается в том, что невозможно узнать, переживает ли другое существо квалиа вообще. Вполне возможно, все остальные люди – «зомби». «Зомби» не как в фильмах ужасов, а в том смысле, что встречается в философских мысленных экспериментах. Это люди, которые ведут себя почти так же, как и все остальные, за исключением одного принципиального отличия: они не обладают сознанием. Уколите такого зомби булавкой, и он воскликнет «Ой!» и отпрянет. Но это всего лишь рефлекс – он не чувствует боли. На самом деле у этого зомби нет вообще субъективных чувственных переживаний, или квалиа. Никто пока еще не нашел способ убедиться наверняка, что люди вокруг нас не зомби.

Не такая уж трудная проблема

На другом полюсе шкалы такие «материалисты», как философ Дэниел Деннет из Университета Тафтса в Медфорде (Массачусетс), настаивают, что не существует никакой трудной проблемы, и в конечном итоге мы сможем понять сознание. Может быть, мы даже найдем способы измерить квалиа и распознавать зомби – когда узнаем достаточно о том, как работает мозг.

Для Деннетта нет никакого таинственного процесса, необходимого, чтобы способности мозга к обработке информации перешли в сознание. По сути, он называет идеи Декарта «одной из величайших ошибок в истории мышления».

Деннетт утверждает, что сознание является непосредственным продуктом работы мозга. С этой точки зрения, мозг – это своего рода машина для создания гипотез, постоянно выдвигающая все новые «гипотезы» относительно того, что происходит в мире, и совершенствующая их на ходу. В таком случае сознание не является неким загадочным внетелесным опытом, а представляет собой побочный продукт информационных потоков в теле и мозге. Иными словами, это очень убедительная иллюзия.

Более того, мозг создает не только иллюзию сознания, но и ощущение того, что существует отдельное нематериальное «я», обладающее сознательным опытом. Его также можно рассматривать как загадочное «другое» состояние, не поддающееся объяснению, или как еще одну иллюзию, сотканную из нашего жизненного опыта и наших отношений с другими.

Хотя простых ответов на любой из трудных вопросов сознания не существует, с научной точки зрения материалистическая теория имеет два преимущества.

Во-первых, нет никакой необходимости объяснять непонятные взаимодействия между материальными и нематериальными явлениями, поскольку с материалистической точки зрения то, что кажется нематериальным, не более чем мыльный пузырь. И, во-вторых, такой подход устраняет трудную проблему и замещает ее стремлением объяснить, как мозг этот мыльный пузырь создает.

В последние два десятилетия эту проблему стали изучать в рамках нейробиологии. В следующих главах вы узнаете, чему эта линия исследований научила нас.

Глава 2. Биологические основы сознания

Нейробиологи добились невероятного прогресса в понимании биологических основ сознания и благодаря технологическим достижениям могут даже наблюдать за тем, как оно действует в мозге.

Первичный материал сознания

Мозговые основы сознания загадочны, но это, по крайней мере, доступная загадка. Как недавно заметил Марк Хэддон, первичный материал сознания не находится в другой части Вселенной, не произошел 14 миллиардов лет назад, и он не спрятан где-то глубоко внутри атома. Он расположен прямо здесь, внутри вашей головы.

Фактически, если отбросить философский вопрос о том, почему сознание вообще существует, мы можем начать исследовать мозг с точки зрения физических и электрических паттернов его активности – так называемых нейронных коррелятов сознания.

К сожалению, мозг не уж так просто открывает свои секреты. По последним подсчетам он содержит около 90 миллиардов нейронов с таким количеством связей между ними, что если бы вы стали подсчитывать их со скоростью одна связь в секунду, на полное их перечисление вам потребовалось бы три миллиона лет. Но даже это не отражает всю сложность мозга. В действительности поражает не столько его структура, сколько пронизывающие ее паттерны взаимосвязей, которые каким-то образом лежат в основе всего, что делает вас – вами.

Как эти паттерны взаимосвязей в итоге складываются в сознание – огромный вопрос. Так с чего же мы должны начать в наших попытках понять, как все это работает? Один из подходов состоит в том, чтобы разбить проблему на поддающиеся решению фрагменты и исследовать биологические основы различных аспектов сознания по отдельности.

Так, мы можем дифференцировать уровень сознания (различие между отчетливым состоянием бодрствования и осознанности и состоянием под общей анестезией), содержание сознания (то, что мы чувствуем и на что реагируем) и чувство собственного «я» (таинственное, но в то же время совершенно знакомое ощущение, что все переживается целостным «мной»).

Уровень сознания

Что в мозге обуславливает наличие или отсутствие сознания? На самом примитивном уровне в мозге есть, по крайней мере, один переключатель «вкл./выкл.» – интраламинарные ядра таламуса, часть таламуса, расположенного в самом центре головного мозга над его стволом. При повреждении этой части мозга сознание полностью отключается. По-видимому, важную роль в том, находимся ли мы в сознании или же бодрствуем, но без сознания, также играет ограда (клауструм), тонкая пластинка серого вещества глубоко внутри мозга (см. далее).

Зона наилучшего восприятия для сознания?

В какой-то момент вы в сознании, а в следующий – уже нет. Может ли в реальности существовать такой переключатель сознания в мозге? Похоже, так оно и есть. В 2014 году исследователи смогли включить и выключить сознание женщины, стимулируя одну небольшую область ее мозга.

Пациентке, которой проводилась эксплоративная операция с целью локализации источника эпилептических припадков, ввели электрод рядом со скрытой глубоко внутри мозга тонкой пластинкой серого вещества, называемой оградой. Данную область мозга никогда ранее не стимулировали.

Когда исследователи стали стимулировать эту область высокочастотными электрическими импульсами, женщина потеряла сознание. Она перестала читать и безучастно смотрела в пространство, не отвечала на слуховые или зрительные команды, а ее дыхание замедлилось. Как только стимуляция прекратилась, она сразу же пришла в сознание без малейшего воспоминания о произошедшем.

Несмотря на то что эксперимент пока был проведен только на одном человеке, это открытие свидетельствует, что ограда играет важную роль в поддержании уровня сознания. Сторонник этой гипотезы Кристоф Кох из Института по изучению мозга им. Пола Аллена в Сиэтле считает, что ограда работает как своего рода проводник сознания, объединяя информацию, поступающую в разное время из разных областей мозга. В 2017 году эта теория получила дальнейшее подтверждение: в мозге мыши были открыты три длинных нейрона, тела которых расположены в ограде, а дендриты опутывают почти весь мозг, пронизывая на своем пути множество важных областей.

Рис. 2.1. Ограда расположена глубоко в мозге и может связывать наши ощущения в единое целое

Однако все согласны, что для сознания характерно нечто большее, чем простое различие между включением и выключением. Мы знаем, например, что человек может спать, переживая состояние, аналогичное нормальному бодрствованию. С другой стороны, человек в постоянном вегетативном состоянии может физически бодрствовать без каких бы то ни было признаков сознания.

Складывается картина, что несмотря на наличие некоторых важных областей мозга и типов клеток, вовлеченных в работу сознания, общее состояние зависит от того, как согласовывается деятельность всего мозга в пространственных и временны́х координатах.

Итак, как же количественно измерить уровень сознания? Одно очень перспективное решение предложил Марчелло Массимини из Миланского университета. Он и его коллеги разработали метод, при котором мозг стимулируют электромагнитным импульсом (с использованием так называемой транскраниальной магнитной стимуляции, или ТМС), а затем измеряют, как волны активности распространяются по мозгу. Это делают с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) – измерения электрической активности мозга, регистрируемой электродами на поверхности кожи головы. Импульс действует как удар в колокол, и нейроны по всему мозгу продолжают «звенеть» с определенным волновым паттерном, который зависит от активности связей между отдельными клетками мозга.

Проанализировав сложность этих волновых паттернов реакции мозга, Массимини и его команда предложили число от нуля до единицы, которое они назвали индексом сложности пертурбаций (ИСП). У людей в вегетативном состоянии, которые не реагируют на импульс и, вероятно, не находятся в сознании, показатель ИСП близок к нулю. По данным одного исследования, уровень ИСП = 0,3 является порогом, по-видимому, отделяющим состояния наличия сознания от его отсутствия.

В последующих исследованиях использовали только измерение ЭЭГ – без электромагнитной стимуляции – чтобы понять, можно ли отдельно применять показатели сложности для определения уровня сознания. Если упростить, эти показатели количественно измеряют, насколько импульсы мозга разнообразны, или непредсказуемы. Как оказалось, показатель спонтанной сложности также последовательно снижается от уровня, наблюдаемого при бодрствующем отдыхе, через мягкую седацию и до полной общей анестезии. Схожим образом исследования пациентов с электродами, имплантированными в мозг для локализации источника эпилептических припадков, показали общее снижение сложности при засыпании. Интересно, что во время быстрого сна (или фазы быстрого движения глаз – БГД), когда люди видят сны, сложность динамики работы их мозга соответствует таковой при нормальном сознательном бодрствовании – а значит, эти показатели сложности отражают именно специфические уровни сознания, а не просто физиологические изменения в работе мозга.

Что касается «высших» состояний сознания, то в некоторых недавних исследованиях с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ – измеряет магнитные поля, возникающие во время активности мозга) изучали динамику работы мозга при употреблении психоактивных веществ, таких как ЛСД, псилоцибин и кетамин. В сравнении с исходным состоянием эти вещества, по-видимому, действуют как полная противоположность анестезии или засыпанию. Похоже, что они повышают уровень сложности мозговой активности – такое наблюдается впервые. Может ли это быть признаком достижения некоторой «вершины» сознания? Повышенного уровня сознания? Говорить об этом с уверенностью слишком рано, однако это многообещающая область для будущих исследований.

Все эти способы измерения уровня сознания связаны с набирающей популярность теорией сознания, называемой теорией интегрированной информации, или ТИИ, которую разработал нейробиолог Джулио Тонони из Висконсинского университета (см. «Интеграция порождает осознанность?»). Однако существующие сегодня методы, подобные вышеупомянутым, дают лишь грубые приближения к теории. А для любой реальной системы измерение интегрированной информации во всей ее полноте пока что практически невозможно.

Интеграция порождает осознанность?

Наши переживания, связанные с восприятием цвета, формы и звука, существуют не по отдельности, а как полностью интегрированное целое. Джулио Тонони, нейробиолог из Висконсинского университета в Мэдисоне, выдвинул теорию, описывающую этот процесс. Он утверждает: для того, чтобы система обладала сознанием, она должна интегрировать информацию таким образом, чтобы целое несло в себе большее количество информации, чем сумма его частей. Для сознания интегрированная информация не может быть редуцирована до более мелких составляющих. Когда вы воспринимаете красный треугольник, мозг не может запечатлеть этот объект как бесцветный треугольник в совокупности с бесформенным пятном красного цвета.

Показатель способности системы интегрировать информацию Тонони назвал Фи. Согласно его теории, эта способность является ключевой характеристикой сознания. Цифровая камера обладает потрясающим объемом памяти, но все миллионы ее пикселей никогда не «видят» фотографию, в то время как ваше сознание способно «увидеть», поскольку ваш мозг активно интегрирует информацию, чтобы придать смысл полученным данным.

Один из способов вычислить Фи – разделить систему на две части и сравнить, как отличаются прогнозы будущего состояния у частей и целой системы. Наиболее радикальное деление будет давать две наиболее независимые части. Если эти части будут полностью независимыми, так что «целое» не превысит их суммы, тогда Фи будет равняться нулю, и система не будет обладать сознанием. Чем выше же созависимость частей при наиболее радикальном делении, тем бо́льшим будет значение Фи и, соответственно, уровень сознания системы.

Подход Тонони позволяет объяснить некоторые любопытные аспекты сознания. Почему мы утрачиваем сознание, когда ложимся спать? Тонони ответил бы, что во время сна информация из специализированных сетей мозга не интегрируется. Почему эпилептические припадки связаны с потерей сознания? Возможно, потому что припадки перегружают сеть, блокируя сложный процесс обмена информацией.

В контексте конкретных областей мозга, участвующих в поддержании уровня сознания, в последнее время внимание было приковано к «горячей точке» задней коры, расположенной в теменной и затылочной долях коры больших полушарий головного мозга. По всей видимости, активность в этой области является очень надежным отличительным признаком наличия и отсутствия сознания, что было показано в исследовании Франчески Сиклари и ее коллег из Висконсинского университета в Мэдисоне. Вместо того чтобы сравнивать бодрствование со сном – сравнение, которое включает в себя, помимо потери сознания, еще множество изменений в мозге и теле, – исследователи наблюдали за мозгом только во время сна. Они будили испытуемых много раз в течение каждой ночи и спрашивали их, видели ли те сны. Это позволило им сравнить активность мозга при сновидениях и отсутствии каких бы то ни было сознательных переживаний. В данном случае общее состояние мозга и тела было одинаковым, так что любые найденные различия должны были быть связаны именно с сознанием. Как оказалось, задняя «горячая точка» играет настолько заметную роль в работе сознания, что исследователи смогли предсказывать, сообщит ли испытуемый о сновидениях еще до его пробуждения, основываясь только на активности этой зоны.

Есть ли сознание у младенцев?

У взрослых осознание того, что они что-то ощутили, увидели или услышали, связано с двухэтапным характером деятельности мозга. Так, сразу же после предъявления визуального стимула активируются области зрительной коры, а спустя приблизительно 200–300 миллисекунд активируются и другие области, включая префронтальную кору, которая отвечает за когнитивную деятельность более высокого уровня. Некоторые исследователи полагают, что осознание появляется только после того, как активность нейронов на втором этапе достигает определенного порога.

Исследовать этот процесс у взрослых достаточно просто, потому что они способны сообщить, когда осознают что-то. Но задать те же самые вопросы младенцам, чтобы узнать, осознают ли они что-либо происходящее в окружающей среде, и если да, то как осознают, невозможно.

Сид Куидэ и его коллеги из Высшей нормальной школы в Париже решили эту проблему так. Они надели шапочки для ЭЭГ на группы младенцев в возрасте 5, 12 и 15 месяцев и фиксировали активность их мозга в ответ на предъявляемую серию быстро меняющихся изображений. Как и взрослые, все младенцы реагировали на человеческое лицо, демонстрируя ожидаемый двухэтапный паттерн. Но на втором этапе – этапе деятельности, связанной с осознанием, – ответ был намного медленнее.

Самая медленная и наименее выраженная реакция была зарегистрирована у пятимесячных младенцев: задержка перед началом второго этапа составила более секунды. У 12-месячных младенцев второй этап регистрировали в период от 800 до 900 миллисекунд после предъявления изображения. 15-месячная группа показала очень схожий результат.

По-видимому, младенцы обладают тем же механизмом сознательной регистрации происходящего в окружающем их мире. Им просто требуется для этого немного больше времени.