Текст книги "Ландшафты мозга. Об удивительных искаженных картах нашего мозга и о том, как они ведут нас по жизни"

Карты каждого из нас

Прослеживая непосредственную связь между локализацией повреждения в мозге и местом расположения слепого пятна, Иноуэ обнаружил первую из известных зрительных карт мозга. Впрочем, утверждение, что в мозге существует зрительная карта (не говоря уже о том, что их несколько), может показаться нам абсурдным. Возможно, это связано с нашим привычным опытом обращения с географическими картами. Мы привыкли к таким зрительным указателям, как туристические планы или схемы линий метро. А эти карты состоят из материи – реальной физической материи, такой как краска на бумажном листе, изготовленном из древесной целлюлозы.

Конечно, сегодня мы часто видим карты на экранах, и это показывает, в какой степени несущественно, из чего сделана карта. Когда мы загружаем на экран компьютера маршрут передвижения, этот маршрут представлен в виде световых волн разной длины, исходящих от экрана. Если мы распечатаем этот план на бумаге, чтобы взять с собой в дорогу, мы воссоздаем его на бумаге, но изображение остается тем же самым. И в этом прелесть отображения: оно позволяет нам обмениваться информацией о сущностях и явлениях без необходимости их воспроизведения. Мне не нужно заново строить пирамиды, чтобы показать вам, как они расположены в Гизе. Мне нужны лишь ручка и лист бумаги, палец и запотевшее стекло или палочка на песчаном пляже. Короче говоря, совсем не важно, из чего сделана карта. Она может быть фактически из любого материала.

Карты мозга не нарисованы на бумаге и не отображены на экране; они сделаны из клеток. В мозге содержится несколько видов клеток, половину из которых составляют нейроны. Нейроны связаны между собой красивыми ветвистыми отростками, переносящими электрические и химические сигналы от одного нейрона к другому. Нейрон может производить электрические импульсы один за другим, и скорость испускания этих импульсов зависит от той информации, которую отображает нейрон.

Когда я говорю о скорости испускания импульсов, называемой скоростью возбуждения, я сразу представляю себе школьный класс, в котором младшие школьники стараются привлечь внимание учителя: “Меня, меня, спросите меня! А меня?!” Чем чаще они выкрикивают, тем настоятельнее звучит их призыв – будь то желание ответить на вопрос учителя или просьба отлучиться в туалет. Выкрики учеников в школьном классе, как импульсы, посланные разными нейронами мозга, могут иметь совершенно разный смысл. Но в любом случае частота испускаемых сигналов отражает срочность или важность сообщения. Когда скорость возбуждения нейрона возрастает и происходит быстрый залп импульсов, значит, в этот момент нейрон хочет передать важную информацию.

Представьте себе, что мы вскрываем чей-то череп и расправляем складки задней части мозга, так что область V1 предстает в плоском виде. Эта плоская поверхность мозга состоит из нейронов, как бумага – из древесной массы. Лист нейронов аналогичен листу бумаги, на которой печатают обычную карту. Но вместо красок разного цвета карты мозга представляют информацию через частоту возбуждения нейронов, из которых они состоят: одни возбуждаются активно, а другие почти совсем не возбуждаются. В техническом аспекте частота возбуждения нейрона – это число электрических сигналов, которые он посылает за определенный промежуток времени. Можно сказать, что в картах мозга электричество и время играют такую же роль, как краска на обычных картах.

Клетки, электричество и время. Это сырье, необходимое мозгу для создания карт.

Возможно, к концепции карт мозга нужно привыкнуть. Они не похожи на обычные карты. Однако карта в области V1 по своей сути не отличается от карты в бардачке автомобиля. Аналогично тому, как мы превращаем карту на экране компьютера в карту, распечатанную на бумаге, мы переносим эту же карту с листа бумаги в область V1, просто глядя на нее. Одна не хуже другой, и все они вполне реальные.

Еще одно отличие карт мозга от обычных географических заключается в том, что первые изменчивы. Географическая карта, начерченная на папирусе или выгравированная на панно, неподвижна и неизменна. И это нормально, поскольку ландшафтные ориентиры неподвижны, а географические изменения происходят медленно. Когда такие изменения случаются, печатные карты устаревают. Они не могут автоматически обновляться, чтобы соответствовать изменениям, происходящим в мире. Так что нам остается только выбросить старые карты и сделать другие.

Но некоторые карты могут обновляться. Представьте себе карту на приборном экране автомобиля или мобильного телефона. Компьютерные карты могут обновляться и включать в себя информацию о новых торговых центрах или закрытых на ремонт съездах с шоссе. В этих картах используется технология GPS, определяющая наше теперешнее положение в пространстве. Таким образом, наша динамическая компьютерная карта обновляется по мере передвижения. Когда мы движемся к северу, карта на экране тоже движется на север, и мы всегда видим ориентиры, находящиеся в непосредственной близости от нас. Такая карта полностью сбивала бы с толку вне контекста нашего путешествия и в отрыве от знакомой и важнейшей реперной точки – нас самих. Но хотя совмещенный с GPS экран постоянно изменяется или обновляется по мере передвижения, он по-прежнему остается картой. И поскольку на нем есть точка отсчета (наше теперешнее положение в пространстве), мы без труда понимаем эту динамическую карту.

Карта области V1 тоже динамическая. Когда мы перемещаемся из одной точки в другую, обводим глазами пространство или когда движутся окружающие нас предметы, информация на карте обновляется. Но, как и в случае с экраном навигатора, изменение информации, отображаемое в зоне V1, не дезориентирует нас, поскольку оно тоже привязано к знакомой и важной точке отсчета: положению нашего тела и направлению взгляда.

Каким бы странным это ни казалось, карты могут быть сделаны из клеток мозга и могут обновляться и изменяться. Но понять концепцию карт мозга непросто еще вот почему. Даже карту, нарисованную на запотевшем стекле или прочерченную на песке, можно увидеть. Но карта V1 не подсвечивается синим светом, когда мы любуемся океаном, и не разделяется на темные квадраты, когда мы смотрим на шахматную доску. Разве карта не должна быть такой, чтобы мы могли ее видеть?

Ответ на этот вопрос отрицательный. Чтобы понять, почему это так, давайте рассмотрим один короткий мысленный эксперимент из истории разведки. Хотя мы привыкли думать, что шифры и шпионские сообщения являются современным изобретением, невидимые чернила применяются для передачи секретной информации уже на протяжении сотен лет. Во время американской революции Джордж Вашингтон и его шпионы использовали невидимые чернила, изготовленные по специальному рецепту; такие чернила можно было увидеть только при контрастном окрашивании[3]3
  Washington and his spies / Nagy J.A. George Washington’s Secret Spy War: The Making of America’s First Spymaster. New York: St. Martin’s Press, 2016.


[Закрыть]. Написанные ими разведывательные данные, а также планы и, вполне возможно, карты, начерченные невидимыми чернилами, передавались незамеченными и изменили ход войны.

Представьте себе, что один из шпионов Вашингтона использовал такие чернила для зарисовки плана оккупированного Нью-Йорка, отметив места сосредоточения британских войск. Была ли такая невидимая карта настоящей картой? Конечно, да. И Джордж Вашингтон смог бы подтвердить это, обработав бумагу контрастной краской, чтобы чернила стали видимыми. Информация на карте при нанесении красителя не изменилась. Карта отражала план города Нью-Йорка до и после того, как стала видимой невооруженным глазом.

Эта сказка о невидимых чернилах Вашингтона вызывает интересный вопрос: нельзя ли нанести на карту V1 контрастную краску и сделать ее видимой? В 1988 году группа специалистов, занимающихся зрением, проделала именно это и продемонстрировала карту области V1 макаки[4]4
  Tootell R. et al. Functional Anatomy of Macaque Striate Cortex: II. Retinotopic Organization. Journal of Neuroscience. 8 (1988): 153–68.


[Закрыть]. Как человек и другие приматы, макаки в значительной степени ориентируются с помощью зрения и имеют карты V1, аналогичные нашим картам.

В этом эксперименте обезьяны смотрели на изображение, вспыхивающее на мониторе компьютера, а им в кровь в это время вводили похожее на сахар вещество, но только с радиоактивной меткой. Наиболее активные нейроны в области V1 захватывали радиоактивное вещество (по той причине, что активно возбуждающиеся нейроны требуют больше энергии). Далее обезьян усыпляли, так что у них переставало биться сердце, и после этого ученые вводили в ткани мозга консерванты, вынимали мозг из черепа и отделяли зрительную кору от остальных частей мозга. Они разравнивали V1, так что она превращалась в плоский лист, замораживали ее и делали срезы с помощью замороженного лезвия. Затем они клали на замороженные срезы рентгеновскую пленку и оставляли на срок от двух недель до трех месяцев, до проявления. Ученые обнаружили удивительные изображения того, что видели обезьяны за несколько недель или месяцев до смерти. Один пример показан на рис. 3: слева изображено то, на что смотрела обезьяна, а справа – картина активности на карте V1, которую удалось визуализировать на срезе мозга животного.

Рис. 3. Соответствие между изображением в правой части поля зрения (слева) и отображением этой информации в виде активности левой половины зоны V1 зрительной карты мозга (фотография среза мозга справа). Источник: The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Подобно тому, как генерал Вашингтон использовал контрастный краситель, чтобы сделать видимыми полученные им письма и планы, ученые смогли сделать видимой карту V1 путем обработки, развертывания, замораживания и проявки мозга. Иными словами, да, мы можем открыть мозг и увидеть карту в области V1, но это сложно. Новые технологии дали нам более простые способы визуализации карт мозга. Вообще говоря, для этого подходит любой метод, который может превратить возбуждение нейронов в свет в видимом диапазоне длин волн.

Даже беглый взгляд на эти изображения позволяет выявить очевидное несоответствие: картинка в мозге достаточно сильно отличается от изображения на экране. И это не ошибка. Активность нейронов в области V1 мозга обезьяны не является некачественным отображением того, что видела обезьяна перед смертью. Карта области V1 очень сильно искажена. Маркерные точки на рис. 4 показывают, как именно. Вертикальная прямая линия в левой части исходного рисунка в мозге растягивается в широкую С-образную полосу, тогда как ровный полукруг в правой части исходного рисунка уплощается и даже слегка инвертируется. Рисунок переворачивается, так что верхняя часть экрана оказывается в нижней части карты V1. Но это еще не все: что-то не так с отображением концентрических окружностей, так что самый маленький полукруг занимает слишком много места. Именно эти аномалии обнаружил Иноуэ более ста лет назад.

Рис. 4. Маркерные точки на видимом изображении (слева) и на соответствующей карте активности в зрительной области V1 в мозге обезьяны (справа) показывают, каким образом инвертировано и искривлено изображение на карте V1. Источник: Paul Kim, The Journal of Neuroscience, vol. 8, no. 5. (с модификациями). Copyright © 1988 by the Society for Neuroscience.

Благодаря работам Иноуэ и нескольких других ученых до и после него было обнаружено неизвестное ранее место, где происходит зрительное восприятие. Этот участок спрятан в складках задней части нашего мозга. Он содержит нейронную карту, которая отображает зрительную информацию при помощи электричества и времени. На рис. 5 показано, где спрятана область V1 и как выглядит на ней зрительное изображение. Именно эту карту продырявили пули у пациентов Иноуэ, оставив прорехи в поле зрения, хотя оба глаза у них функционировали нормально.

Существование такой карты в нашем мозге может показаться странным и неправдоподобным. Однако такие карты, как V1, являются не исключением, а правилом. Мозг больших и маленьких существ переполнен подобными картами. В последующих главах мы поговорим об их замечательном разнообразии и о том, как их особенности и искривления формируют наши мысли и опыт. Но сначала нужно ответить на важнейший вопрос: зачем мозгу столько карт? Ответ можно найти в устройстве электронных приборов и в эволюции, и связан он со столь разными темами, как голодный мозг и фантастическая способность примитивного пустынного муравья ориентироваться в пространстве. Вы увидите, что на самом деле невероятной является наша способность вообще что-либо видеть. Такие зрительные карты, как в области V1, являются решением проблемы, о существовании которой вы никогда даже не подозревали. Они уникальным образом обеспечивают нас зрением и другими чувствами в мире голода, дефицита и хищничества.

Рис. 5. Отображение зрительной информации в левой и правой частях зрительной карты V1 у человека. Художник Пол Ким.

2
Тирания чисел: зачем нужны карты мозга?

Инженеров из Лаборатории Белла не интересовал мозг. Их интересовало создание полезных устройств. Однако в конце 1950-х годов Лаборатория Белла и зарождавшаяся электронная промышленность столкнулись с той же проблемой, которая на миллионы лет затормозила эволюцию мозга и сделала карты мозга биологическим императивом.

Тогдашний вице-президент Лаборатории Белла дал проблеме название: тирания чисел[5]5
  Gertner J. The Idea Factory: Bell Labs and the Great Age of American Innovation. New York: Penguin, 2012; Thackaray A., Brock D.C., Jones R. Moore’s Law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley’s Quiet Revolutionary. New York: Basic Books, 2015; Malone M.S. The Intel Trinity: How Robert Noyce, Gordon Moore, and Andy Grove Built the World’s Most Important Company. New York: HarperCollins, 2014.


[Закрыть]. Электрические устройства функционируют благодаря внутренним электрическим компонентам, которые обеспечивают их главные функции. Потребители хотели иметь более мощные и многофункциональные устройства, чтобы один и тот же аппарат мог выполнять несколько функций. И поэтому инженеры пытались создавать новые устройства, состоящие из огромного количества деталей. Непросто придумать, как упаковать миллион деталей внутри устройства разумного размера. Но добавление деталей влечет за собой и еще более сложную проблему: при присоединении каждого нового элемента инженер должен встроить массу новых проводов, соединяющих его с другими элементами устройства. Эту проблему и назвали тиранией чисел. Повышение мощности и функциональности устройства требовало дополнительных элементов, но чем больше элементов, тем больше проводов, а это повышало стоимость производства и увеличивало размер устройства.

Результат? Неуклюжие машины из чудовищного набора деталей.

Решение проблемы тирании чисел пришло из другой сферы. Его предложил Джек Килби из компании “Тексас инструментс”: он придумал интегральную схему, позволявшую инженерам включить множество элементов в единственную деталь из германия, что очень сильно сократило количество проводов. Роберт Нойс из компании “Фэйрчайлд семикондактор” в Маунтин-Вью в Калифорнии изобрел кремниевую версию интегральной схемы, которая заложила основы и дала название Силиконовой долине в том виде, в котором мы знаем ее сегодня. Интегральные схемы позволили включать в устройство больше элементов. Эти инновации положили начало современной эре электроники и позволили создавать мощные многофункциональные мобильные устройства, определяющие нашу современную жизнь.

Однако тирания чисел не исчезла полностью. Перенеситесь в сегодняшний день и подумайте о мобильном телефоне, который наверняка сопровождает вас повсюду. Многие мобильные телефоны являются многофункциональными: это одновременно телефон, фотокамера и плейер, на нем можно слушать музыку, смотреть фильмы и играть в видеоигры. Чипы современных мобильных телефонов содержат миллиарды транзисторов и многочисленные элементы, позволяющие им осуществлять столь разные функции. Но при этом мобильные телефоны должны быть легкими и достаточно компактными, чтобы помещаться в карман или сумочку. Эти конфликтующие факторы – больше функций в меньшем объеме – будут оставаться источником головной боли (и рабочих мест) для инженеров еще долгое время.

Многие аспекты процесса создания современных мобильных телефонов связаны с вопросами, в равной степени относящимися и к головному мозгу. Какими свойствами должен обладать конечный продукт, чтобы быть функциональным, обрабатывать большие объемы информации и быстро решать задачи? Для чего служит каждая деталь устройства и как эти детали должны быть связаны друг с другом? Сколько будет стоить создание такого аппарата? Насколько компактным и легким должен быть конечный продукт?

В отличие от устройств, тщательно разработанных инженерами, структура мозга и его функции формировались на протяжении многих поколений за счет естественного отбора. Никто сознательно не подбирал критерии для построения мозга; на протяжении многих поколений генетические мутации, воспроизведение и смерть совместными усилиями оптимизировали структуру мозга живых существ методом проб и ошибок. И все же проще понять компромиссы в эволюции мозга, если рассматривать этот процесс как инженерную задачу. Что нужно, чтобы сконструировать мозг? Ответ зависит от того, что этот мозг должен уметь делать.

Когда люди рассуждают о способностях мозга (о способности обрабатывать информацию и поддерживать разумное поведение), они обычно делают это в терминах плохо и хорошо. В целом считается, что любого человека и любое существо можно расположить на определенной ступени интеллектуальной лестницы, так что простенькие оказываются у земли, а превосходные – в поднебесье. Однако более детальное и менее предвзятое исследование способностей животных показывает, насколько ошибочна такая позиция.

Рассмотрим в качестве примера пустынного муравья, который постоянно перемещается по суровой Сахаре в поисках чего-нибудь съедобного. По отношению к собственному размеру эти муравьи за день проделывают путь, который для нас составлял бы несколько километров, а затем находят дорогу домой по совершенно безликой пустыне точно в то место, где живет их колония. Другой пример – киты-убийцы, которые держатся группами (стадами) и общаются на диалекте, уникальном для каждого конкретного стада[6]6
  Filatova O. et al. Cultural Evolution of Killer Whale Calls: Background, Mechanisms, and Consequences. Behaviour. 152 (2015): 2001–38.


[Закрыть]. Когда стадо рассеивается и члены группы оказываются в нескольких километрах друг от друга, они должны “настроиться” на сигналы других китов, общающихся на этом диалекте, и игнорировать сообщения всех остальных. Это позволяет им отслеживать месторасположение собратьев и вновь объединяться. А птица, называемая щелкунчиком Кларка, каждую осень собирает сосновые семена и закапывает их в небольших норках[7]7
  Pearce J.M. Animal Learning and Cognition: An Introduction, 3rd ed. East Sussex, UK: Psychology Press, 2008.


[Закрыть]. Птица запоминает более трех тысяч таких тайников и проверяет их за зиму и весну, добывая пропитание для себя и своих птенцов.

Эти животные обладают мозгом с массой от 0,001 грамма (муравей) примерно до 3650 граммов (кит-убийца)[8]8
  The brains of these animals / Roth G., Dicke U. Evolution of the Brain and Intelligence. Trends in Cognitive Sciences. 9 (2005): 250–57.


[Закрыть], но способны на такие когнитивные подвиги, которые трудны или вовсе невозможны для нас с нашим мозгом массой около 1500 граммов. На удивление, многих живых существ можно назвать разумными, но они разумны только в каких-то определенных аспектах, необходимых для преодоления специфических трудностей. Разнообразие способностей, обеспечиваемых мозгом, у обитателей нашей планеты чрезвычайно велико, и поэтому этих существ нельзя сравнивать по какому-то одному показателю.

Разнообразие способностей мозга у разных видов и родов возникло при участии естественного отбора. Генетические вариации вызывают изменения в структуре мозга, что, в свою очередь, создает основу для появления новых способностей или поведения. Мозг существ может различаться по целому ряду параметров. Конечно, он бывает большим или маленьким. Но он также может иметь разное количество нейронов и разную плотность их упаковки[9]9
  Herculano-Houzel S. The Remarkable, Yet Not Extraordinary, Human Brain as a Scaled-up Primate Brain and Its Associated Cost. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (2012): 10661–68.


[Закрыть] – количество нейронов в единице объема. Например, слоны и киты имеют гигантский мозг с крупными, свободно упакованными нейронами, тогда как у человекообразных обезьян мозг меньшего размера с плотно упакованными более мелкими нейронами. Размер мозга и плотность упаковки нейронов определяют общее количество нейронов в мозге. Корова и шимпанзе имеют мозг примерно одинакового размера, но в мозге шимпанзе нейроны упакованы плотнее, так что общее количество нейронов у шимпанзе, по-видимому, намного больше. Это важно по той причине, что количество нейронов в мозге животного является ключевым фактором для выживания. Слишком много или слишком мало для реализации нужд организма – это вопрос жизни и смерти.

Снабжение мозга дополнительными нейронами имеет очевидные преимущества. Поскольку нейроны – это ячейки обработки информации, увеличение их числа повышает производительность мозга. Значительная часть мозга большинства животных отводится на обработку информации, поставляемой органами чувств: в нашем случае это зрение, слух, тактильные стимулы и т. д. Недостаточно иметь пару функциональных глаз, чтобы видеть; необходимо иметь в мозге такие области, как V1, которые отражают и обрабатывают поток собранной глазами информации. Чем больше нейронов, тем лучше мозг обеспечивает восприятие, усиливая способность организма обнаруживать пищу или хищника. Кроме того, дополнительные нейроны способствуют выполнению более сложных или точных движений, что также позволяет эффективнее добывать пищу или скрываться от хищников. Нейроны поддерживают и другие способности, такие как ориентирование, память, самоконтроль, планирование или рассудительность, – и каждая из них благоприятствует выживанию организма.

Но дополнительные нейроны достаются дорогой ценой. Прежде всего, нейроны активно потребляют энергию. В частности, головной мозг является третьим по счету человеческим органом, потребляющим максимальное количество энергии на единицу массы – после непрерывно бьющегося сердца и неутомимых почек. Но поскольку наш мозг крупнее и тяжелее этих органов, он потребляет максимальное количество энергии во всем теле. Этот комок ткани составляет лишь 2 % массы тела взрослого человека, но расходует около 22 % получаемой нами энергии[10]10
  Kuzawa C. et al. Metabolic Costs and Evolutionary Implications of Human Brain Development. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (2014): 13010– 15.


[Закрыть]. У других видов другое соотношение, но во всем царстве животных нейроны являются активными потребителями энергии. Количество потребляемой нейронами энергии велико по той причине, что для производства каждого импульса они в буквальном смысле втягивают в себя одни молекулы и выделяют другие. Это перекачивание происходит постоянно во всех нейронах мозга. Чем больше у существа нейронов, тем больше ему нужно миниатюрных насосов, работающих день и ночь и нуждающихся в большом количестве топлива.

Поскольку нейроны обходятся так дорого, мозгу с большим количеством нейронов требуется больше калорий. Для удовлетворения этой потребности существо либо больше ест, либо ест более качественную пищу с более высоким содержанием калорий. Получить доступ к высококалорийной пище в современном индустриальном мире не трудно. Во многих развитых странах полки продовольственных магазинов забиты недорогими готовыми продуктами. Но это современное достижение – буквально один миг на шкале человеческой эволюции. Большую часть времени, пока наши предки бродили по земле, они сталкивались с суровой реальностью, с которой сегодня сталкиваются дикие животные. Не так уж много вокруг съедобных и питательных продуктов. Каждую калорию приходится добывать тяжким трудом. И если ваше тело и мозг требуют больше энергии, чем вы можете отыскать, добыть на охоте или украсть, вам недолго придется жить. Привет и прощай.

Кроме того, нейронам нужно много места. Каждый нейрон должен сообщаться с другими нейронами, и делают они это с помощью отростков, называемых дендритами и аксонами. Эти выросты, напоминающие щупальца, служат проводами, передающими информацию в форме электрических импульсов от одной клетки к другой. Эти провода выполняют специализированные функции. Дендриты нейронов принимают входные сигналы, а более длинные аксоны отправляют сигналы от нейронов дендритам других клеток. Можно сказать, что дендриты – уши нейрона, а аксон – его голос.

Увеличение количества нейронов в мозге повышает его способность думать, воспринимать и действовать, но лишь в том случае, если нейроны соединены друг с другом для передачи информации. Эту функцию поддерживает, главным образом, аксон, похожий на провод. Аксоны могут передавать сообщения либо между соседними нейронами, либо переносить импульсы через весь мозг. Чувствительные рецепторные клетки, такие как тактильные рецепторы нашей кожи, тоже представляют собой вид нейронов и имеют собственные аксоны, с помощью которых передают сигналы в мозг. Некоторые аксоны протянуты даже на длину всего тела; они передают тактильную информацию от пальцев ног до мозга, позволяя нам испытывать удовольствие от массажа стоп или боль от ушибленного пальца.

Аксоны играют важнейшую роль в осуществлении мозгом его многочисленных функций. Но они занимают уйму места. На самом деле, когда эволюция стала добавлять в мозг нейроны, новые связи, по сути, заняли больше места, чем сами новые нейроны[11]11
  Zhang K., Sejnowski T. 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): 5621–26.


[Закрыть]. Длинные провода занимают больший объем, чем короткие, и для их поддержания требуется больше усилий. Несколько десятилетий назад инженеры из Лаборатории Белла столкнулись с этой же проблемой: добавление к устройству новых элементов требует добавления многочисленных громоздких и дорогих проводов. То, что инженеры называли тиранией чисел, мы можем назвать тиранией нейронов. И если вам это не кажется серьезной проблемой, думайте дальше.

Нейроны бывают самых разных видов и имеют разные свойства, но каждый конкретный нейрон для выполнения своей функции должен быть напрямую связан с сотнями других нейронов мозга. Без разумного решения этой инженерной задачи дорогостоящие провода займут в мозге место и отнимут энергию, так что существо будет с трудом удерживать непомерно большую голову и удовлетворять потребности в калориях, и, следовательно, будет голодать. В человеческом мозге около 86 миллиардов нейронов. Если бы каждый из них соединялся со всеми остальными случайным образом, такой орган имел бы протяженность более 20 километров[12]12
  Nelson M., Bower J. Brain Maps and Parallel Computers. Trends in Neurosciences. 13 (1990): 403–8.


[Закрыть], хотя каждый аксон тоньше человеческого волоса. К счастью, каждый отдельный нейрон не должен быть связан со всеми остальными; он работает во взаимодействии лишь с небольшим количеством из этих 86 миллиардов нейронов мозга.

Но даже при этом любой мозг со случайным соединением нейронов был бы непомерно велик.

Электронные устройства показывают, как это работает. Конструкторы размещают как можно ближе друг к другу те элементы устройства, которые должны работать сообща и обмениваться информацией. Это позволяет экономить пространство за счет сокращения длины (и, следовательно, объема) проводов, соединяющих эти элементы. Такой же принцип реализуется в мозге. Если два нейрона совместно выполняют какую-то работу, они должны быть связаны между собой. И поэтому, если такие нейроны располагаются в мозге рядом друг с другом, это экономит энергию и позволяет использовать короткие провода.

Каждый нейрон в мозге должен переговариваться с другими нейронами. Но с какими? Вспомните о фрагментарной природе наших тактильных ощущений, которые начинаются как мозаика тактильных сигналов, воспринимаемых отдельными чувствительными рецепторами в коже. Я сравнила тактильный рецептор, спрятанный в коже вашего правого колена, с необщительным землевладельцем, интересующимся исключительно своим небольшим участком на поверхности земли (колена). Эта территория составляет его рецептивное поле. Если что-то касается кожи на этом участке, рецептор подает сигнал тревоги, создавая быстрый залп импульсов возбуждения. “На моей территории что-то происходит!” Эти сигналы отправляются в мозг к нейронам, у которых тоже есть рецептивные поля. В мозге есть нейроны, активность которых отражает давление на правое колено, хотя никакого реального колена в мозге нет. И с кем нейрон правого колена должен общаться в первую очередь? С другими нейронами, отражающими прикосновение к правому колену. А с кем еще? С нейронами, которые отражают прикосновение к верхней части правой голени или нижней части правого бедра. В целом нейроны в первую очередь должны сообщаться с теми клетками, которые отображают состояние тех же самых или соседних участков тела.

Есть причина, почему нейроны должны в большей степени общаться со своими партнерами-единомышленниками, и у этой причины есть название: локальная обработка. Локальная обработка, по сути, заключается в сравнении ситуации в одной точке пространства с ситуацией в другой точке. Это могут быть точки в пространстве нашего тела в случае прикосновения или в нашем поле зрения в случае зрения. Важно, что локальная обработка связана с поисками ответа на следующие вопросы: происходит ли здесь что-то, что не происходит там? там, но не тут? где-то еще? или нигде? Такие специфические сравнения кажутся банальными, но они чрезвычайно важны. Они дают информацию о том, где именно что-то происходит, например, болезненное ощущение в области колена. Эти сравнения также обеспечивают важный контекст для обработки других сенсорных сигналов. В частности, поступление информации о боли в одном участке колена может помочь другим нейронам, отображающим состояние других участков кожи, также обнаружить боль. Этот тип коммуникации играет наиболее важную роль для нейронов, имеющих соседние рецептивные поля. На уровне нейронов, как и в нашей каждодневной жизни, те события, которые происходят по соседству, с большей вероятностью связаны с нашей текущей ситуацией. Если горит соседний дом, хорошо бы нам об этом знать. А если горит дом в другой точке планеты? Это не так важно. Часто сравнение нашей ситуации с ситуацией у соседей также доставляет важную информацию о том, какова наша собственная ситуация. Например, представьте себе, что в вашем доме или квартире отключилось электричество. Если это случилось только у вас, вам нужно вызвать электрика для наладки или проверить, оплатили ли вы последние счета. Но если у соседей тоже нет электричества, возможно, источник проблемы находится на расстоянии нескольких километров, и вам ничего другого не остается, как ждать городскую службу или представителей энергетической компании. И такая же ситуация с нейроном, отображающим прикосновение к правому колену. На колено действует давление, если на вас слишком узкие брюки или вы заснули на животе. Но в обоих случаях давление оказывается на многие части тела. Нет необходимости осознавать ощущение именно в колене. Однако сравните это ощущение с прикосновением к вашему колену чьей-то руки или с ударом о него мяча. Это давление действует только на колено и означает, что происходит нечто особенное, связанное только с коленом. Бросьте все и обратите внимание на колено! Если маленький коленный нейрон собирается помочь нам распознать разницу между этими событиями, он должен сообщаться с нейронами, отображающими давление на кожу выше коленной чашечки, под ней и с обеих сторон от нее.