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

Содержание сознания

Хотя нам кажется, будто то, что мы видим, слышим и чувствуем, очень реально, есть веские доказательства: наше восприятие – своего рода «контролируемая галлюцинация» – «лучшая догадка» мозга относительно того, что вызывает входящую сенсорную информацию.

Подумайте об этом: мозг заперт внутри костного черепа. У него нет прямого доступа к окружающему миру. У него нет прямого доступа даже к собственному телу. Все, что мозг получает, – это электрические сигналы от разных органов чувств: глаз, ушей и так далее. Эти сигналы зашумлены и противоречивы, но, тем не менее, мозг должен каким-то образом решить, что все это значит.

Еще в XIX веке немецкий физиолог Герман фон Гельмгольц выдвинул гипотезу, что мозг как бы делает предсказание. Он объединяет сенсорную информацию, поступающую из окружающего мира, с предварительными предположениями (или ожиданиями) относительно того, каков этот мир. Это приводит к «лучшей догадке» о том, что вызвало сенсорные сигналы, – вот что мы и воспринимаем сознательно.

Поначалу эту концепцию непросто принять на веру, но ее довольно легко проиллюстрировать с помощью простой зрительной иллюзии – иллюзии с тенью на шахматной доске (иллюзия тени Адельсона) (см. рис. 2.2).

На первый взгляд клетки, обозначенные A и B, выглядят как разные оттенки серого цвета. Однако в действительности они одинаковы. Дело в том, что мозг использует свое прежнее знание о том, что тень, падающая на поверхность, делает эту поверхность темнее. В сочетании с тем фактом, что мы ожидаем, что клетка B будет того же цвета, что и все остальные клетки по диагонали, мозг прогнозирует, что в «реальном мире» клетка B должна быть светло-серой. В результате мозг воспринимает ее как светло-серую, но слегка затемненную тенью. Этот эффект настолько силен, что даже демонстрация иллюзии не меняет восприятия.

Рис. 2.2. Иллюзия с тенью на шахматной доске (иллюзия тени Адельсона)

Подобные воззрения круто меняют наше понимание работы мозга. С этой точки зрения, представление о том, что чувства достоверно записывают происходящее извне и информируют об этом мозг, неверно; на самом деле наиболее тяжелую часть работы по восприятию осуществляют связи, идущие от мозга обратно к сенсорным поверхностям. Другими словами, содержание нашего осознанного восприятия в значительной степени сконструировано мозгом: это своего рода «контролируемая галлюцинация», в которой наши перцептивные гипотезы постоянно корректируются сенсорными сигналами, поступающими из внешнего мира.

Если говорить о физических основах этих процессов, растет число доказательств того, что перцептивные гипотезы и нисходящие связи оказывают большое влияние на сознательное восприятие. Еще в 2001 году нейробиологи Винсент Уолш и Альваро Паскуаль-Леоне попросили испытуемых следить за движущимися точками, в то время как экспериментаторы препятствовали деятельности мозга с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). При воздействии на нисходящие связи (идущие сверху вниз или изнутри наружу) они обнаружили, что испытуемые больше не видели движение точек. Следовательно, чтобы понимать, что происходит во внешнем мире, мозгу нужны его внутренние «предсказания».

Недавно Ларс Мукли и его коллеги из Университета Глазго показали, что функциональную МРТ (измеряет метаболическую активность, или кровоток в мозге) можно использовать, чтобы «декодировать» тип изображения, на которое смотрит человек. Что особенно важно, они смогли декодировать эту информацию даже из области зрительной коры, которая не получала никаких входящих сенсорных данных, а это значит, что информация должна основываться на нисходящих прогнозах, приходящих из других частей мозга.

Другое недавнее исследование связало перцептивные гипотезы с так называемым альфа-ритмом в мозге. Это заметное колебание мозговой активности (мозговая волна) частотой примерно 10 герц (10 колебаний в секунду), особенно выраженное в затылочных отделах мозга, где расположена зрительная кора. Исследование, проведенное в Центре им. Терезы Саклер при Университете Сассекса, показало, что влияние перцептивных предсказаний на восприятие зависит от фазы альфа-цикла: на пике волны влияние больше, чем в ее низшей точке.

Какие возможности дает нам сознание чего-либо? Это может показаться очевидным, но когда мы что-то сознаем, мы можем вести себя очень гибко. Если я вижу чашку кофе, я могу игнорировать ее, взять или бросить ее в стену – все, что только захочу. Как утверждает влиятельное направление исследований под названием «теория глобального рабочего пространства», эта гибкость возникает благодаря тому, что все содержание нашего сознания в каждый отдельный момент широко «транслируется» в различные области мозга, позволяя человеку реагировать всеми возможными способами (см. «Модель глобального рабочего пространства сознания»). Фактически многие сторонники этой теории утверждают, что процесс «трансляции» и является самим сознанием.

Для изучения связи между сознательным восприятием и глобальной «трансляцией» можно сравнить активность мозга, вызванную осознанно видимым стимулом (например, буквой «А», четко предъявляемой на экране), с активностью, вызванной тем же стимулом, но не доходящим до сознания. Существует множество способов осуществления этого, например с помощью метода маскировки, при котором целевой стимул предъявляется очень кратко и сразу же сопровождается пустым стимулом. Многие эксперименты, где использовали этот метод, показали, что, когда испытуемые сообщают о сознательном восприятии, большая область коры – так называемая лобно-теменная сеть – активируется. Это свидетельствует в пользу теории глобального рабочего пространства, в которой лобно-теменную сеть связывают с рабочим пространством. Тем не менее, некоторые недавние открытия, в том числе упомянутая ранее «горячая точка» задней коры головного мозга, бросают вызов этой теории.

Модель глобального рабочего пространства сознания

Содержание нашего сознательного опыта постоянно претерпевает изменения. Модель глобального рабочего пространства, которую в 1988 году предложил Бернард Баарс из Института нейронаук в Сан-Диего (Калифорния), пытается описать, как происходят эти изменения.

Баарс предполагает, что неосознаваемые переживания обрабатываются локально в отдельных участках мозга, при этом мозг также отслеживает происходящее в теле и в памяти. Различные аспекты наших постоянно меняющихся переживаний осознаются только тогда, когда эта информация передается в сеть нейронов, распределенных по многим разным областям мозга – «глобальное рабочее пространство». Это отражается в мгновенной скоординированной активности мозга, и наши переживания становятся содержанием сознания.

Рис. 2.3. Транслирующееся сознание: глобальное рабочее пространство предполагает, что сознание рождается из высоко координированной и широко распространенной деятельности мозга

В поддержку этой теории говорят результаты так называемых экспериментов по бинокулярной конкуренции, которые служат хорошим доказательством того, что мозг действительно активно выбирает, какую информацию отправить в наше сознание. Обычно оба глаза видят одну и ту же картину, поэтому мозг легко объединяет два монокулярных изображения в целостную картину. Но если правому и левому глазу предъявить различные изображения, мозг разрешит этот конфликт, позволив вам видеть только одно изображение в один момент времени. Иными словами, вы будете осознавать либо изображение от левого глаза, либо изображение от правого глаза, но не оба изображения одновременно.

Что действительно происходит в мозге, когда мы осознаем нечто, все еще выясняют, и нам предстоит многое узнать. Но кажется все более вероятным, что наше переживание «реальности» на самом деле является своего рода контролируемой галлюцинацией, генерируемой мозгом и обновляемой на лету.

Придержите эту мысль

Похоже, что в случае сознания мозг делает именно это – как бы на время придерживает мысль. Недавние исследования показали, что осознанное восприятие требует устойчивой активности мозга в течение сотен миллисекунд. Эту отличительную характеристику мозговых волн можно использовать, чтобы различать уровни нарушения сознания у людей с черепно-мозговыми травмами.

Нейробиологи считают, что для сознания необходимо, чтобы нейроны возбуждались, продуцируя устойчивый паттерн мозговой активности. Точный характер паттерна зависит от характера сенсорной информации, но, как только информация вошла в обработку, мозг должен сохранять стабильный паттерн в течение короткого периода времени – как будто ему нужно мгновение, чтобы считать информацию.

В 2009 году Аарон Шургер из Федеральной политехнической школы Лозанны проверил эту теорию, просканировав мозг 12 испытуемых методом фМРТ. Испытуемым показывали два изображения одновременно, по одному для каждого глаза. Один глаз видел красную линию на зеленом фоне, а другой – зеленую на красном. В результате этого смешения испытуемые иногда осознанно воспринимали рисунок, а иногда нет.

Когда люди сообщали, что видят рисунок, сканирование в среднем показывало, что их мозговая активность стабильна. Когда же они говорили, что ничего не видят, активность была более вариабельна. Шургер и его коллеги повторили эксперимент, используя электроэнцефалографию и магнитоэнцефалографию, измеряющие электрические и магнитные поля, генерируемые деятельностью мозга. Эти методы обеспечивают более высокое временно́е разрешение, чем фМРТ, что позволило исследователям увидеть, как в течение нескольких миллисекунд в пределах одного мозга изменяется паттерн активности.

Основываясь на предыдущем эксперименте, исследователи ожидали, что активность мозга испытуемых стабилизируется и останется таковой в течение сотен миллисекунд в случае, если они сообщат, что видят рисунок, а иначе будет изменчивой.

Затем ученые опробовали свой метод на 116 пациентах с нарушениями сознания. Пациентам в состоянии минимального сознания, в вегетативном состоянии и только что вышедшим из комы проигрывали звуковой тон, при этом регистрировалась активность их мозга. Оказалось, что чем выше была степень осознанности пациента, тем выше была степень устойчивости их мозговой активности.

Данная работа подтверждает и дополняет теорию нейронного глобального рабочего пространства сознания.

Соединительные детали сознания

Важный ключ к происхождению сознания обнаружили почти столетие назад.

Когда Константин фон Экономо в 1926 году заглянул в объектив своего микроскопа, он увидел группу нейронов, длинных, веретенообразных и намного более крупных, чем окружающие их клетки. Они выглядели настолько неуместно, что сначала он подумал, будто эти клетки – симптом какой-то болезни. Но чем большее количество мозгов он рассматривал, тем больше этих необычных клеток он встречал – и всегда в тех же двух небольших областях мозга, связанных с процессами обработки запахов.

Какое-то время фон Экономо пытался понять, что эти «стержне– и винтообразные клетки», как он их назвал, могли бы делать, но в отсутствие технологий, которые позволили бы углубиться в этот вопрос, вскоре фон Экономо перешел к более перспективным направлениям исследований.

Почти 80 лет спустя Эстер Нимчински и Патрик Хоф, работавшие в то время в Университете Маунт-Синай в Нью-Йорке, так же наткнулись на группы этих странно выглядящих нейронов, и на этот раз технологии позволяли изучить их более подробно. Сейчас, спустя более чем 10 лет функциональной визуализации и патологоанатомических исследований, растет число доказательств того, что эти клетки могут иметь некоторое отношение к богатой внутренней жизни, которую мы называем сознанием.

Эти гигантские клетки мозга, которые теперь известны как веретенообразные нейроны (или нейроны фон Экономо), как минимум на 50 %, а иногда и на 200 %, больше типичных нейронов человека. В то время как большинство нейронов имеют пирамидообразное тело с обильно разветвленным деревом отростков, называемых дендритами, на каждом конце клетки, тело клеток у нейронов фон Экономо более длинное и веретенообразное, с единичным апикальным аксоном на одном конце клетки и единичным дендритом с очень низкой ветвистостью на другом (см. рис. 2.4). Они составляют лишь 1 % нейронов, встречаясь всего в двух небольших областях человеческого мозга: передней поясной коре (ППК) и фронтоинсулярной коре.

Их расположение в этих областях свидетельствует о том, что веретенообразные нейроны могут быть центральной частью механизмов человеческого сознания, ведь и ППК, и фронтоинсулярная кора в значительной степени вовлечены во многие сложные аспекты нашей внутренней жизни. Обе области активируются, когда мы получаем социально значимые сигналы, будь то хмурое лицо, гримаса боли или просто голос любимого человека. Когда мать слышит плач ребенка, обе зоны сильно реагируют. Также они активируются, когда мы испытываем эмоции, например любовь, похоть, гнев и горе.

Рис. 2.4. Нейроны фон Экономо могут играть важную роль в нашем самосознании

Похоже, что ППК и фронтоинсулярная кора играют ключевую роль и в сети «значимости», которая неосознанно регистрирует происходящее вокруг нас и направляет наше внимание на самые актуальные события, а также контролирует телесные ощущения, чтобы распознать любые изменения. Помимо этого, обе области активируются, когда человек распознает свое отражение в зеркале, что позволяет предположить, что эти части мозга лежат в основе нашего самосознания, чувства собственного «я» – ключевого элемента сознания.

В совокупности это можно приравнять к постоянно обновляемому чувству «как я себя ощущаю сейчас»: ППК и фронтоинсулярная кора соединяют телесные ощущения с социальными сигналами, мыслями и эмоциями, чтобы быстро и эффективно изменять наше поведение.

Сенсомоторная теория сознания

Одна из теорий, касающихся биологических основ сознания, концентрируется не на мозге, а на том, как мы телесно взаимодействуем со средой. По мнению Кевина О’Ригана из Университета Париж Декарт, наше переживание, квалиа, не генерируется каким-то особым мозговым механизмом, а скорее просто состоит из всего того, что мы делаем, когда взаимодействуем с миром посредством наших чувств.

Когда мы ощущаем шершавую поверхность, точная природа ощущения состоит из всех вещей, которые происходят, когда наши пальцы двигаются по поверхности: например, специфическим образом меняется вибрация на кончиках пальцев, когда мы двигаем пальцами быстро или медленно, когда сильно или легко нажимаем ими на поверхность. Чувство шероховатости состоит именно из всех этих возможных паттернов взаимодействия.

Глядя на поверхность, мы можем представить себе ее шероховатость, но это представление не будет обладать таким же качеством реальности, поскольку в действительности мы не взаимодействуем с поверхностью физически. Помимо этого, О’Риган утверждает, что недостаточно просто взаимодействовать с миром, нам также необходимо обращать внимание на стимулы и обрабатывать содержащуюся в них информацию. В противном случае, хотя поверхность и красная, и шероховатая, мы никогда не осознаем, что ощутили это. Подробнее об этом читайте в главе 6.

Чувство собственного «я»

Оно здесь, когда мы просыпаемся, ускользает, когда мы засыпаем, и, возможно, возвращается в наших снах. Это чувство, что мы привязаны к телу, которым обладаем, управляем и изнутри которого воспринимаем окружающий мир. Это чувство личностной идентичности, которое простирается во времени от наших первых воспоминаний, через здесь и сейчас, к воображаемому будущему. Самосознание – это особое переживание бытия самим собой, и оно существует в различных ипостасях.

Мы можем думать о себе как о трех составляющих:

– физическое «я» (которое возникает из нашего чувства телесности);

– психологическое «я» (которое включает нашу субъективную внутреннюю позицию, наши автобиографические воспоминания и способность различать себя и других);

– и высший уровень – чувство субъектности, которое приписывает действия физического «я» психологическому «я» (см. подробнее в главе 4).

Пытаясь понять, каким образом все это складывается в единое «я», как и при описании многих других свойств сознания, современная нейронаука склоняется к следующему объяснению: это иллюзия, возникающая из-за других, более универсальных процессов. Иными словами, наше переживание интегрированного «я» также является лучшей догадкой мозга о причинах сигналов, которые поступают из нашего тела, окружающей среды и общества.

В пользу этого находят доказательства в различных источниках. Например, в знаменитой иллюзии резиновой руки (см. также главу 11) экспериментатор поглаживает кисточками руку испытуемого (скрытую из вида) и расположенную перед ним видимую резиновую руку. Экспериментатор водит кисточками по обеим рукам с одинаковой скоростью, дотрагиваясь одновременно до одних и тех же мест. Через несколько минут большинство людей сообщают, что чувствуют прикосновения кисточки к резиновой руке, как будто она принадлежит им. Это говорит о том, что наше чувство собственного «я» достаточно гибко, чтобы добавить к понятию «себя» что-то совершенно инородное. Наше «я» постоянно обновляется на основе лучших догадок мозга об источнике поступающих сигналов.

Чувство физического «я»

Описанный выше эффект в дальнейшем изучали в усовершенствованных версиях эксперимента с использованием виртуальной реальности. Одно из исследований показало, что испытуемый с большей вероятностью ощущал виртуальную руку как свою собственную, когда она мигала в такт с биением его сердца, чем когда она мигала асинхронно. Это показывает, что чувство физического «я» зависит не только от сигналов, поступающих снаружи (ощущение поглаживания), но и от внутренних измерений «я», таких как ритм нашего сердца.

На вопрос о том, где же расположено «я», ответить сложно. Есть некоторые манящие указания на то, что отдельные типы нейронов могут хорошо соответствовать требованиям молниеносной интеграции, которая лежит в основе самосознания (см. выше «Соединительные детали сознания»), однако пока эти идеи остаются спекулятивными. В целом вопрос местонахождения «я» выглядит как неблагодарная задача связывания «я» с какой-либо одной единственной частью мозга.

Более того, «я» постоянно меняется. Каждый раз, когда мы вспоминаем какой-нибудь эпизод из нашего прошлого, мы вспоминаем детали немного по-разному и тем самым изменяем нашу личную историю. Ваше сегодняшнее собственное «я» может казаться прочным и устойчивым, но оно построено на зыбучих песках.

В целом в том, как мозг и тело порождают внутреннюю вселенную каждого из нас, по-прежнему много загадок.

Биологические основы сознания остаются одной из величайших тайн мироздания, разгадывать которую придется следующему поколению ученых. Эти знания не только помогли бы нам понять, каково это быть человеком, но и пролили бы свет на природу психических расстройств и способов их коррекции, что в свою очередь протянуло бы спасательный круг тем, кто страдает от тяжелых нарушений сознания.

В одной только Великобритании десятки тысяч людей находятся в коме, вегетативном состоянии или минимальном сознании. Недавние открытия, касающиеся мозговых механизмов сознания, не только приближают нас к пониманию, в каких случаях пациент обладает хотя бы мимолетными проявлениями сознания, но также открывают возможность общения с ними. И если есть хоть одна вещь, которая делает человеческую жизнь достойной того, чтобы жить, – то это способность выражать ваши сознательные переживания и быть понятым.

Проливая свет на природу сознания: хронология

1641

Французский философ Рене Декарт разделяет материальное «я» (тело) и нематериальное «я» (сознание).

1690

Философ Джон Локк определяет сознание как «восприятие человеком того, что происходит в его собственном уме», задав тон дальнейшим исследованиям.

1838

Чарльз Дарвин наблюдает за самкой орангутанга, которая смотрит на себя в зеркало, и размышляет о том, есть ли у нее самосознание. Позднее это вдохновило на создание «зеркального теста» на самосознание.

1890

Философ Уильям Джеймс публикует «Принципы психологии».

1915

Зигмунд Фрейд заявляет, что бессознательное является движущей силой человеческого поведения.

1924

Изобретение электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая измеряет электрическую активность мозга в реальном времени, открывая окно в наше сознание.

1950

Алан Тьюринг создает тест Тьюринга в качестве стандарта для машинного сознания.

1960-е

Роджер Сперри проводит первые исследования пациентов с «расщепленным мозгом» и описывает необычные нарушения самосознания и восприятия.

1968

Открытие четырех стадий сна, в которых мы движемся через разные уровни бессознательного.

1970

Гордон Гэллап-младший разрабатывает зеркальный тест на самоузнавание.

1974

Томас Нагель публикует эссе «Что значит быть летучей мышью?», поднимая проблему субъективности в понимании сознательного опыта.

1977

Первая магнитно-резонансная томография (МРТ) человека. Позднее метод произвел революцию в прижизненном изучении мозга.

1985

Изобретение транскраниальной магнитной стимуляции, которая позволяет «выключать» на время определенные области мозга для исследования их функции.

1991

Даниэль Деннет публикует книгу «Объясненное сознание», в которой излагает свою материалистическую теорию сознания.

1995

Дэвид Чалмерс дает определение «трудной проблеме» понимания сознания.

1998

Иллюзия резиновой руки доказывает, что наше чувство собственного «Я» более гибкое, чем мы думали ранее.

2011

Адриан Оуэн использует ЭЭГ, чтобы создать для пациентов, которые, как считалось, находились в вегетативном состоянии, возможность реагировать на стимулы.

2014

Кристоф Кох выдвигает гипотезу, что сознание является фундаментальным свойством сетей.

2014

Искусственный интеллект проходит тест Тьюринга.