Как же устроен мозг?

У нас в голове находится великолепное устройство, которое управляет нашими действиями и каким-то образом дает нам представление об окружающем мире. Правда, как однажды отметил Алан Тьюринг, внешне оно больше всего напоминает миску холодной овсянки! Трудно представить, как столь заурядного вида объект умудряется совершать чудеса, на которые, как мы знаем, он способен. Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что он имеет гораздо более сложное строение и замысловатую организацию (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Мозг человека: вид сверху, сбоку, снизу и в разрезе

Больша́я покрытая извилинами (и более всего похожая на овсянку) часть мозга, расположенная сверху, называется собственно головным (или большим) мозгом. Он четко делится посередине на правое и левое полушария и, более условно, в передне-заднем направлении — на лобную долю и три остальные: височную, теменную и затылочную. Еще дальше и несколько книзу расположен небольшой и округлый мозжечок, чем-то похожий на пару клубков шерсти. Глубоко внутри мозга, как бы укрытый им, находится целый ряд любопытных и сложных на вид структур: варолиев мост и продолговатый мозг, которые вместе с ретикулярной формацией — областью, к которой мы обратимся позднее — составляют ствол мозга, а также таламус, гипоталамус, гиппокамп, мозолистое тело и еще много других, странных как по виду, так и по названиям, частей.

Большой мозг — предмет особой гордости человека и не только потому, что он является самой большой частью человеческого мозга, но и потому, что пропорция между этой частью и мозгом в целом у человека больше, чем у животных. (Мозжечок человека тоже превосходит размерами таковой у большинства других животных.) Головной мозг и мозжечок имеют сравнительно тонкий наружный слой серого вещества, под которым расположено значительно большее по массе белое вещество. Эти области серого вещества называют, соответственно, корой головного мозга и корой мозжечка. Считается, что в сером веществе происходят различные вычислительные действия, а белое вещество, состоящее из длинных нервных волокон, отвечает за передачу сигналов из одной части мозга в другую.

Каждой из различных областей коры головного мозга присущи свои специфические функции. Зрительная кора расположена в затылочной доле, прямо в задней части мозга, и занимается восприятием и распознаванием зрительных образов. Забавно, что природа именно там решила разместить интерпретатор визуальной информации, получаемой зрительными органами, которые (по крайней мере, у человека) находятся прямо спереди! Но природа вытворяет и куда более странные вещи. Так, за левую половину человеческого тела практически полностью отвечает правое полушарие, тогда как за правую — почти исключительно левое, поэтому чуть ли не все нервы, идущие в головной мозг или выходящие из него, по необходимости должны перекрещиваться! При этом в случае зрительной коры правая ее часть связана не с левым глазом, а с левой частью поля зрения обоих глаз. Аналогично, левая часть зрительной коры связана с правой частью поля зрения обоих глаз.

Это означает, что нервы от правой части сетчатки каждого из глаз должны идти к правой половине зрительной коры (вспомните, что изображение на сетчатке перевернуто по отношению к источнику), а нервы от левой части сетчатки — к левой половине коры (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Левая сторона поля зрения обоих глаз отображается на правой половине зрительной коры, а правая, соответственно, на левой (вид снизу; обратите внимание, что предметы на сетчатке отображаются в перевернутом виде)

Таким образом в левой и правой частях зрительной коры формируется четкое отображение правой и левой областей поля зрения, соответственно.

Сигналы от ушей приходят на противоположные части мозга столь же замысловатым образом. Правая слуховая кора (часть правой височной доли) обрабатывает в основном звуки, поступающие слева, а левая слуховая кора — звуки, поступающие справа. Обоняние кажется здесь исключением из общего правила. Правая часть обонятельной коры, которая расположена в передней части большого мозга (в передней доле — что уже само по себе является исключением для сенсорной области), отвечает в основном за правую ноздрю, а левая часть — за левую ноздрю.

Осязание связано с областью затылочной доли мозга, которая носит название соматосенсорной коры. Эта область находится как раз за условной границей, разделяющей лобную и теменную доли. Между различными частями поверхности тела и отдельными участками соматосенсорной коры существует довольно своеобразное соответствие. Иногда оно изображается графически в виде так называемого «соматосенсорного гомункулуса» — искаженной человеческой фигуры, изображаемой лежащей вдоль соматосенсорной коры, как это показано на рис. 9.3.

Рис. 9.3. «Соматосенсорный гомункулус» наглядно иллюстрирует участки коры головного мозга, расположенные сразу за линией, разделяющей лобную и теменную доли и непосредственно связанные с частями тела, откуда поступает осязательная информация

Правая часть соматосенсорной коры принимает осязательные сигналы, идущие от левой стороны тела, а левая — с правой. В лобной доле непосредственно перед границей с теменной долей находится участок коры, известный как двигательная кора. Он приводит в движение различные части нашего тела. И опять мы встречаемся с точно определенным соответствием между мышцами нашего тела и зонами этого участка мозга. Как и в случае с осязанием, эти связи можно графически изобразить в виде «двигательного гомункулуса» (рис. 9.4).

Рис. 9.4. «Двигательный гомункулус» наглядно изображает участки коры головного мозга, примыкающие к линии раздела между лобной и теменной долями, которые непосредственно приводят в движение различные части тела

И снова правая часть двигательной коры отвечает за движение левой стороны тела, а левая — правой.

Все упомянутые выше зоны коры головного мозга (зрительная, слуховая, обонятельная, осязательная и двигательная) называются первичными, поскольку именно они непосредственно осуществляют прием поступающих в мозг и передачу исходящих из него сигналов. Рядом с ними расположены вторичные зоны, предназначенные для более тонкой и сложной обработки сенсорной информации (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Функции большого мозга (грубая схема). Сенсорная информация извне поступает в первичную область восприятия, последовательно обрабатывается до мельчайших деталей во вторичной и третичной сенсорных областях, затем передается в третичную двигательную область, и, в конце концов, в первичных двигательных областях преобразуется в точные инструкции к действию

Сенсорная информация, полученная зрительной, слуховой или соматосенсорной зоной коры головного мозга, обрабатывается соответствующими вторичными областями, после чего вторичная двигательная область вырабатывает план движения, который переводится первичной двигательной областью на язык прямых команд, непосредственно адресованных мышцам. (Мы не будем касаться обонятельного участка коры, поскольку он функционирует иным и малоизученным пока образом.) Остальные участки коры головного мозга относятся к разряду третичных (или ассоциативных). В этих областях в основном и выполняется наиболее сложная и характеризуемая высокой степенью абстрагирования часть умственной деятельности. Именно здесь при определенном участии периферической нервной системы собирается воедино и подвергается всестороннему анализу информация, поступающая от различных сенсорных участков; здесь происходит запоминание, складываются картины внешнего мира, намечаются и оцениваются планы действий, распознается и генерируется речь.

Речь представляет для нас особый интерес, поскольку ее обычно относят к разряду способностей, присущих исключительно человеческому интеллекту. Интересно, что (по крайней мере у подавляющего большинства правшей и большей части левшей) речевые центры находятся в основном в левой половине мозга. К важным участкам относятся зона Брока , расположенная в задней нижней части лобной доли, и зона Вернике , которая располагается внутри и вокруг верхней задней части височной доли (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Зоны Вернике и Брока, расположенные (как правило) полностью в левом полушарии, отвечают за понимание и формирование речи соответственно

Зона Брока отвечает за построение предложений, а зона Вернике — за понимание языка. Повреждение зоны Брока приводит к нарушению речи, но не ее пониманию, тогда как при повреждении зоны Вернике речь остается беглой, но, в основном, бессмысленной. Пучок нервных волокон, который связывает между собой две эти области, называется дуговидным пучком. При его повреждении ни речь, ни ее понимание не нарушаются, но мысль не может быть выражена словами.

Мы теперь можем составить очень приблизительную картину того, что делает головной мозг. Входные данные для мозга представляют собой зрительные, слуховые, осязательные и прочие сигналы, которые сначала регистрируются в первичных областях (главным образом) задних долей (теменной, височной и затылочной). Выходные сигналы мозга, приводящие к различным движениям тела, вырабатываются в основном лобными долями мозга. А где-то между ними происходит обработка информации и принятие решений. В общем, можно сказать, что активность мозга, начавшись в первичных областях задних долей, перемещается затем во вторичные области, где входные данные анализируются, и, далее, в третичные области задних долей, где информация становится полностью осмысленной (как, например, в случае с пониманием речи в зоне Вернике).

Дуговидный пучок — упомянутый выше пучок нервных волокон, но теперь уже с обеих сторон мозга, — переносит эту информацию в лобную долю, где ее третичными областями вырабатывается общий план действий (например, как это происходит при генерации речи в зоне Брока). Эти общие планы действий преобразуются в более конкретные представления о движениях тела во вторичных двигательных областях, откуда активность мозга перемещается в первичную двигательную кору, которая, в конце концов, посылает соответствующие сигналы различным группам мышц тела (и часто нескольким одновременно).

Создается впечатление, что перед нами предстает картина превосходного вычислительного устройства. Сторонники сильного ИИ (см. главу 1 и далее) рассматривают мозг как великолепный образец алгоритмического компьютера — по сути, машины Тьюринга — в котором есть входные данные (как на ленте слева от машины Тьюринга) и выходные данные (как на ленте справа от машины Тьюринга) и который способен выполнять всевозможные нетривиальные вычисления на промежуточных этапах. Конечно, активность мозга может не прекращаться и в отсутствие внешних раздражителей. Это происходит в тех случаях, когда человек думает, занимается вычислениями или предается воспоминаниям. Приверженцы сильного ИИ отнесли бы это на счет продолжающейся алгоритмической деятельности и предположили бы, что явление «осознания» возникает как раз в те моменты, когда подобная деятельность достигает определенного уровня сложности.

Но, хотя такая логика и напрашивается сама собой, мы не будем торопиться с выводами. Общая картина работы мозга, приведенная выше, довольно груба. Прежде всего, даже зрительное восприятие не происходит по такой простой схеме, как это было мной представлено ранее. В коре, по-видимому, существует несколько различных (хотя и менее значимых) областей, на которые отображаются поля зрения, очевидно, с какими-то другими целями. (Похоже, именно они отвечают за различия в том, как мы осознаем увиденное.) Скорее всего, по коре разбросаны также и другие дополнительные сенсорные и двигательные области (например, движение глаз может быть вызвано сигналами из определенных точек задних долей).

В своем описании мозга я затронул только его кору и ни разу не коснулся вопроса о назначении прочих частей. Какую роль выполняет, например, мозжечок? Ясно, что он отвечает за координацию и контроль движений тела, его равновесие, своевременность и точность действий. Представьте себе артистичность танцора, отточенность движений профессионального игрока в теннис, мгновенную реакцию гонщика, уверенные движения рук музыканта или художника; подумайте о грациозных прыжках газели или крадущейся кошке. Без мозжечка подобная точность движений была бы невозможна, они стали бы неуверенными и неуклюжими. По-видимому, в процессе приобретения новых навыков, будь то ходьба или вождение машины, сначала человеку приходится детально обдумывать каждое свое действие, и за это отвечает кора головного мозга, но когда достигнут определенный уровень мастерства и действия начинают выполняться «автоматически», управление ими передается мозжечку. Более того, хорошо известно, что как только профессионал задумывается о своих действиях, он на время теряет легкость их координации. Думание, по-видимому, сопровождается переходом контроля к коре головного мозга и, хотя при этом, как следствие, появляется гибкость действий, «мозжечковая» плавность и точность движений на время утрачивается. Такое описание, без сомнения, является чересчур упрощенным, но тем не менее позволяет нам в общих чертах понять функцию мозжечка.

При описании функций головного мозга до сих пор вообще не упоминалось о других частях мозга. Например, гиппокамп играет важнейшую роль в формировании долговременной (постоянной) памяти, хотя сама память располагается где-то в коре головного мозга, возможно, во многих местах одновременно. Мозг способен также сохранять образы различными способами с помощью кратковременной памяти в течение нескольких минут или даже часов (просто, что называется, «держа их в голове»). Но для того, чтобы человек мог вспомнить эти образы после того, как его внимание с них переключилось, необходимо сохранить их в долговременной памяти, и здесь уже не обойтись без гиппокампа. (Повреждение этого участка мозга приводит к ужасному состоянию, когда человек не способен запомнить ничего нового и все сразу забывается, как только его внимание переключается на другой объект.) Мозолистое тело — это область, ответственная за связь между двумя полушариями мозга. (Далее мы увидим, к каким поразительным явлениям приводит рассечение мозолистого тела.) Гипоталамус представляет собой эмоциональный центр, в котором гнездятся удовольствие, ненависть, страх, отчаяние, голод, и который служит посредником между эмоциями и их ментальными и физическими проявлениями. Между гипоталамусом и различными частями мозга идет постоянный обмен сигналами. Таламус функционирует как важный обрабатывающий центр и переключающий узел, который передает значительную часть импульсов, поступающих извне, в кору головного мозга. Ретикулярная формация отвечает за общее состояние готовности мозга и его отдельных частей к осознанному восприятию. Все эти и многие другие жизненно важные части мозга соединены многочисленными нервами.

Вышеприведенное описание дает только общее представление о некоторых наиболее значимых частях мозга. Мне кажется целесообразным в завершение этого раздела привести некоторые сведения о строении мозга в целом. Его различные части группируются в три отдела, которые, если двигаться от позвоночника, называются по порядку задним (rhombencephalon), средним (mesencephalon) и передним (prosencephalon) мозгом. На ранних стадиях развития эмбриона эти отделы, в том же порядке, видны как три вздутия на конце позвоночного столба. Самое дальнее — развивающееся в передний мозг — имеет два выроста в виде пузырей, по одному с каждой стороны, которые становятся большими полушариями головного мозга. Полностью развитый передний мозг включает в себя многие важные части всего мозга — не только большой головной, но и мозолистое тело, таламус, гипоталамус, гиппокамп и многие другие. Мозжечок является частью заднего мозга. Ретикулярная формация расположена частью в среднем мозге, а частью в заднем. Передний мозг является «новейшим» отделом с точки зрения эволюционного развития, а задний — наиболее «древним».

Я надеюсь, что это краткое описание, во многом неточное, даст читателю некоторое представление о том, на что похож мозг человека и как он функционирует. До сих пор я лишь вскользь упомянул то, что служит центральной темой нашей дискуссии — сознание . Теперь перейдем к этому вопросу вплотную.

 

Где обитает сознание?

Существует множество различных точек зрения на соотношение между состоянием мозга и феноменом сознания. Насколько очевидна важность этого явления, настолько же велико и расхождение во взглядах на него. Однако ясно, что не все части мозга в равной степени участвуют в формировании сознания. Например, как следует из вышесказанного, мозжечок по роду своей деятельности гораздо ближе к «автоматическому устройству», чем кора головного мозга. Действия, контролируемые мозжечком, происходят как будто сами собой и не требуют «обдумывания». Когда мы сознательно решаем пройти от одного места до другого, то вряд ли имеем перед собой тщательно разработанный план мышечных сокращений, который был бы необходим для управляемого движения. То же самое можно сказать и о бессознательных рефлекторных действиях, как, например, отдергивание руки от горячей печи, которое может быть опосредовано не головным мозгом, а верхней частью спинного мозга. Таким образом, напрашивается вывод о том, что феномен сознания, вероятнее всего, связан с активностью головного мозга, а не мозжечка или спинного мозга.

С другой стороны, совершенно не очевидно, что активность коры головного мозга всегда определяет осознанность наших действий. Например, как я уже указывал, в норме при ходьбе человек не контролирует детальные движения конечностей и работу мышц — управление этими действиями осуществляет, в основном, мозжечок (с помощью других частей головного мозга и спинного мозга), — однако первичные двигательные области головного мозга тоже вовлекаются в этот процесс. Более того, то же можно сказать и о первичных сенсорных областях: мы можем совершенно не осознавать меняющееся при ходьбе давление на подошвы ног, тем не менее соответствующие участки соматосенсорной коры постоянно активируются.

Уайлдер Пенфилд, выдающийся американо-канадский нейрохирург (среди заслуг которого — составление в 1940-х и 1950-х годах детальных карт двигательных и сенсорных областей мозга человека), считал, что сознание не связано просто с активностью коры головного мозга. На основании опыта проведения многочисленных операций на мозге пациентов, находившихся в сознании, он предположил, что область, которую он называл верхней частью ствола мозга, включающая, в основном, таламус и средний мозг (см. Пенфилд, Джаспер [1947]), хотя он имел в виду главным образом ретикулярную формацию, в некотором смысле может быть названа «центром сознания». Верхняя часть ствола мозга связана с корой головного мозга, и, согласно Пенфилду, «акт осознания» или «осознанное действие» происходит каждый раз, когда эта область ствола мозга непосредственно обменивается сигналами с определенным участком коры, отвечающим именно за те чувства, мысли, воспоминания или действия, которые в данный момент осознанно воспринимаются или совершаются. Он указывал, что можно, например, стимулировать определенный участок двигательной коры мозга, который отвечает за движение правой руки (и правая рука на самом деле будет двигаться), но это не вызовет у подопытного желания двигать правой рукой. (Более того: он может даже постараться остановить ее движение левой рукой — совсем как доктор Стрэнджлав из популярного фильма!) Пенфилд предполагал, что желание совершить действие связано скорее с таламусом, нежели с корой головного мозга. Согласно его представлениям сознание — это проявление активности верхней части ствола мозга, однако, поскольку должно еще быть что-то, что осознается, то эта активность не ограничивается стволом мозга, но включает в себя еще и те участки коры, с которыми у верхней части ствола мозга в этот момент существует активная связь и которые представляют собой субъект (чувственное восприятие или воспоминание) или объект (волевое действие) сознания.

Другие нейрофизиологи тоже высказывали предположение о том, что ретикулярную формацию можно было бы назвать «местонахождением» сознания, если таковое на самом деле существует. Ведь, как бы там ни было, эта область отвечает за пребывание мозга в активном состоянии. Ее повреждение приводит к потере сознания. Всегда, когда мозг находится в бодрствующем сознательном состоянии, активна и ретикулярная формация, и наоборот. На самом деле существует явная связь между активностью ретикулярной формации и тем состоянием человека, которое мы традиционно называем «сознательным». Однако ситуация осложняется тем, что во сне, когда мы на самом деле «сознаем», что мы спим, активные в норме участки ретикулярной формации активности не проявляют. И еще один факт мешает ученым признать за ретикулярной формацией столь почетный статус: с точки зрения эволюции, эта часть мозга является очень древней. Если все, что нужно для обладания сознанием — активность ретикулярной формации, то им должны быть наделены лягушки, ящерицы и даже треска!

Лично я не расцениваю последний довод как достаточно весомый. Разве у нас есть неоспоримые свидетельства того, что ящерицы и треска не обладают неким зачаточным сознанием? Какое право мы имеем утверждать, как это некоторые делают, что человеческие существа — единственные обитатели нашей планеты, наделенные свыше настоящим «сознанием»? Неужели на Земле мы единственные, кому дозволено «осознавать»? Позвольте усомниться в этом. Конечно, лягушки, ящерицы и уж тем более треска не вызывают у меня ощущения, что «кто-то в них» взирает на меня, когда я рассматриваю эти создания, но я очень явственно ощущаю присутствие «сознания», когда смотрю в глаза кошке, собаке или, особенно, когда на меня смотрят обезьяны или мартышки в зоопарке. Я не требую, ни чтобы они чувствовали то же, что и я, ни даже какой-либо сложности испытываемых ими чувств. Им совершенно не обязательно «сознавать себя» в каком-то строгом смысле этого слова (хотя наличие некоторого элемента самосознания у них я не исключаю). Достаточно будет, чтобы они просто чувствовали ! Что касается состояния сна, то я бы признал, что определенная форма сознания при этом присутствует, хотя, по всей видимости, на довольно низком уровне. Если за функционирование сознания каким-то образом отвечают только участки ретикулярной формации, то они должны сохранять активность (хотя бы невысокую) и во время сна.

Другая точка зрения (О’Кифи [1985]) состоит в том, что сознание в большей мере связано с функционированием гиппокампа. Как я уже отмечал, гиппокамп определяет способность к долговременному запоминанию. Принимая в качестве гипотезы, что постоянная память связана с сознанием, мы должны рассматривать гиппокамп как главное действующее лицо в феномене осознанного восприятия.

Есть и другое мнение, согласно которому сознание является результатом деятельности самой коры головного мозга. Раз уж большой головной мозг служит предметом особой гордости человека (хотя у дельфинов он никак не меньше!), и умственная деятельность, понимаемая как интеллект, связана как раз с этой частью мозга, то именно в ней и должна обитать душа человека! Таким, по-видимому, мог бы быть вывод, например, сторонников сильного ИИ. Если «осознание» — не более, чем следствие сложности алгоритма — или, возможно, его «глубины» или некой «степени изощренности», — тогда, в соответствии с представлениями сильного ИИ, сложные алгоритмы, выполняемые корой головного мозга, дали бы ей преимущественное право претендовать на способность к проявлению сознания.

Многие философы и психологи склонны считать язык непременным атрибутом человеческого сознания. Соответственно, именно способность изъясняться при помощи слов позволяет достичь той тонкости мышления, которая служит отличительной чертой человека и выражением самой его сути. Именно язык, в соответствии с этой точкой зрения, отличает нас от других животных и дает нам возможность лишать их свободы и вести на бойню, как только в этом возникает потребность. Именно язык позволяет нам философствовать и описывать наши ощущения, так что мы можем убедить остальных, что мы осознаем окружающий мир и самих себя. С этой точки зрения владение языком является необходимым и достаточным условием наличия сознания.

А теперь мы должны вспомнить о том, что языковые центры находятся (у большинства людей) в левой половине мозга (зоны Брока и Вернике). Из вышеизложенной точки зрения должно было бы следовать, что сознание — это что-то, что связанное только с левой половиной коры головного мозга! И таково, на самом деле, мнение целого ряда нейрофизиологов (в частности, Джон Экклз [1973]), которое я, как сторонний наблюдатель, считаю весьма странным по причинам, изложенным ниже.

 

Эксперименты при разделенных больших полушариях мозга

В связи со сказанным выше я должен упомянуть целый ряд замечательных наблюдений над людьми (и животными) при полном рассечении у них мозолистого тела, которое делало взаимодействие левого и правого полушарий головного мозга невозможным. У людей операция по рассечению мозолистого тела применялась как эффективное средство лечения в случаях особо тяжелых форм эпилепсии. Роджер Сперри с сотрудниками подвергал таких пациентов, спустя некоторое время после операции, многочисленным психологическим тестам. При этом в левом и правом полях зрения испытуемых помещались никак не связанные друг с другом предметы, так что левое полушарие получало информацию только о том, что располагалось с правой стороны, а правое полушарие — с левой. Если справа предъявлялось изображение карандаша, а слева — чашки, то тестируемый произносил: «Это карандаш», поскольку именно карандаш, а не чашку, воспринимала та половина мозга, которая явно отвечает за речевые способности. Однако левой рукой испытуемый выбирал блюдце, а не лист бумаги, считая его ассоциативно более подходящим к чашке. Левая рука находилась «в подчинении» у правого полушария, которое, хотя и не могло оперировать словами, все же было способно производить определенные, довольно сложные и типичные для человека действия. Было высказанно предположение о том, что за «геометрическое мышление» (особенно пространственное воображение) и музыкальное восприятие ответственно, в основном, правое полушарие, а за речевые и аналитические способности — левое. Правое полушарие мозга может понимать общеупотребительные существительные и элементарные предложения, а также выполнять простейшие арифметические действия.

Самое поразительное, что при разделении полушарий они ведут себя как две практически независимые индивидуальности, с каждой из которых экспериментатор может общаться по отдельности, хотя общение с правым полушарием носит более примитивный характер и значительно затруднено по сравнению с левым из-за отсутствия речевых способностей. Каждая половина головного мозга может поддерживать связь с другой половиной косвенным путем, например, наблюдая за движениями руки, контролируемыми другой стороной, или слыша звуковые «подсказки» (такие, как стук блюдца). Но в хорошо контролируемых лабораторных условиях даже эта примитивная связь может быть устранена. Однако от одной половины к другой все же могут передаваться неясные эмоциональные ощущения, предположительно потому, что нерассеченные структуры мозга, такие как гипоталамус, по-прежнему связаны с обоими полушариями.

Возникает искушение задать вопрос: неужели перед нами — два различных индивидуума, обладающих сознанием и пребывающих в одном теле? Этот вопрос вызвал бурную полемику. Одни без сомнений отвечали на этот вопрос утвердительно, другие считали, что ни одна из сторон не должна рассматриваться как полноценная личность. Некоторые утверждали, что общность эмоциональных ощущений может служить доказательством существования только одной личности. Еще одна точка зрения состоит в том, что сознательного индивидуума представляет только левое полушарие, а правое — просто автомат. Этой точки зрения придерживаются те, кто считает речевые способности обязательной составляющей сознания. Само собой, только левое полушарие может убедительно заявить «Да!» в ответ на вопрос: «Обладаешь ли ты сознанием?». Правому полушарию, подобно кошке, собаке или шимпанзе, может быть трудно даже понять отдельные слова этого вопроса, не говоря уже о том, чтобы правильно ответить на него.

И все же пока вопрос остается открытым. В недавних экспериментах, проведенных Дональдом Вильсоном и его коллегами (Вильсон идр. [1977], Газзанига и др. [1977]), при наблюдениях за пациентом с разделенным мозгом (назовем его «P.S. »), были получены весьма интересные результаты. После операции по разделению полушарий только левое полушарие обладало речью, но понимали речь оба полушария, а позднее правое полушарие научилось и воспроизводить речь! Несомненно, что оба полушария были наделены сознанием. Более того, это были два отдельных сознания, поскольку их желания и пристрастия были совершенно различны. Например, левое полушарие выражало желание стать чертежником, а правое — гонщиком!

Лично я не верю в справедливость широко распространенного убеждения в том, что обычный человеческий язык необходим для мышления или сознания. (В следующей главе я приведу некоторые доводы в пользу своей точки зрения.) Поэтому я отношусь к тем, кто верит, что, в принципе, обе половины мозга после разделения обладают сознанием независимо друг от друга. Пример с P.S. может служить весомым подтверждением тому, что, по крайней мере в этом частном случае, это так и есть. По-моему мнению, единственное действительное различие между P.S. и всеми другими случаями заключается в том, что сознание его правого полушария на самом деле смогло убедить окружающих в своем существовании!

Если мы допускаем, что P.S. действительно имеет два независимых разума, то возникает довольно пикантная ситуация. Есть все основания полагать, что до операции разделения полушарий у каждого пациента было только одно сознание. Однако после операции их уже два! В некотором смысле, изначально единственное сознание раздвоилось. Мы можем в связи с этим вспомнить гипотетического путешественника из главы 1 «„Железо“ и „софт“», который воспользовался телепортационной машиной и в какой-то момент (неумышленно) был поставлен перед фактом, что будто бы «настоящее» его «я» благополучно прибыло на Венеру. В этом случае раздвоение сознания приводит к кажущемуся парадоксу. Ведь мы можем задать резонный вопрос: «А какой, собственно, маршрут выбрал поток его сознания „на самом деле“?» Если бы вы были этим путешественником, то какое бы из двух сознаний вы, в конце концов, назвали бы «собой»? Устройство для телепортации относится к области научной фантастики, однако в случае с P.S. мы имеем в чем-то аналогичную ситуацию и притом совершенно реальную! Какое из сознаний P.S. было бы правомерно «отождествить» с P.S. до операции? Нет сомнений, что многие философы сочли бы этот вопрос бессмысленным, ибо его решение при помощи операционалистских методов кажется невозможным. Каждое полушарие сохраняет память о «дооперационных» временах, и, естественно, каждое будет идентифицировать себя с той — еще целостной — личностью. Но все же подобная ситуация, примечательная в качестве своего рода головоломки и способная поставить в тупик, сама по себе еще не является парадоксальной.

Эта головоломка еще усложнится, если предположить, что в дальнейшем оба сознания можно было бы каким-то образом опять свести воедино. Повторное соединение разрезанных нервных волокон мозолистого тела на сегодняшнем этапе развития медицины исключается, но можно представить себе некий способ разделения полушарий, более мягкий, чем реальное разрезание нервных волокон. Например, нервные волокна могли бы быть временно заморожены или парализованы при помощи лекарственных средств. Пока я не слышал о подобных опытах, но думаю, что появление технических возможностей для их осуществления — это вопрос обозримого будущего. Тогда можно допустить, что после приведения мозолистого тела в работоспособное состояние, мы вновь получим одно сознание! Представьте, что это сознание ваше. Как бы вы себя чувствовали после того, как в течение какого-то времени были двумя независимыми личностями с отдельными «я»?

 

«Зрение вслепую»

Эксперименты по разделению полушарий мозга, помимо прочего, ясно показали, что наличие единственного «места для сознания» вовсе не обязательно. Но были проведены и другие опыты, результаты которых дают основание полагать, что некоторые участки коры головного мозга в большей степени связаны с сознанием, нежели прочие. Среди подобных опытов — изучение явления слепоты. Повреждение тех или иных участков зрительной коры может привести к слепоте в соответствующем секторе поля зрения. Человек не видит предмет, помещенный в этот сектор — у него появляется частичная слепота, связанная с этой конкретной зоной его поля зрения.

Однако, кое-какие любопытные изыскания (см. Вайскранц [1987]) позволяют говорить о том, что дела здесь обстоят совсем не так просто, как кажется. У пациента, называемого здесь и далее «D.В. », необходимо было удалить часть зрительной коры головного мозга, и после операции у него наступила частичная слепота в описанном выше смысле. Однако, когда что-либо (как правило, изображение крестика, кружочка или наклонного отрезка прямой) помещали в «слепую зону» и просили D.В. угадать, что это такое, он обнаружил, что может делать это с практически стопроцентной точностью! Эта способность к «угадыванию» оказалась неожиданной и для самого D.В. , который при этом продолжал утверждать, что в этой зоне он вообще ничего не видит.

Изображения, формируемые на сетчатке, в свою очередь тоже обрабатываются не только зрительной корой, но и другими участками мозга, при этом один из наиболее загадочных из них находится в нижней части височной доли. Вполне возможно, что D.В. строил свои «догадки» на основе информации, полученной как раз этим участком нижней части височной доли. При активации этих областей не возникало никаких осознанных ощущений, однако информация в них, бесспорно, содержалась, проявляя себя только в точности «догадок» D.В. На самом деле, после соответствующей тренировки D.В. научился до некоторой степени осознавать информацию, относящуюся к этим областям мозга.

Все это, по-видимому, указывает на то, что отдельные зоны коры головного мозга (как, например, зрительная кора) имеют большее отношение к сознательному восприятию, чем другие, но некоторые из этих менее важных зон, очевидно, могут быть путем тренировок открыты для непосредственного доступа сознания.

 

Обработка информации в зрительной коре

Именно в зрительной коре процессы обработки информации изучены гораздо лучше, чем в других частях мозга. Для их описания был предложен целый ряд разнообразных моделей. На самом деле, до того , как визуальная информация попадает в зрительную кору, ее частичная обработка проходит еще в сетчатке. (Вообще говоря, сетчатка считается частью мозга!) Одни из первых экспериментов по исследованию процессов обработки информации в зрительной коре были проведены Давидом Хьюбелом и Торстеном Визелем и в 1981 году принесли им Нобелевскую премию. В ходе этих экспериментов удалось показать, что определенные клетки зрительной коры кошки воспринимают в поле зрения линии, имеющие вполне определенный угол наклона. При этом соседние клетки были восприимчивы к линиям, расположенным под несколько иным углом. Часто не имело значения, что именно характеризуется таким углом наклона. Это могла быть граница между темной и светлой областью или просто темная черта на светлом фоне. Изучаемые клетки оказались способны абстрагироваться от конкретной природы объекта, имеющего свойство «угол наклона». Другие клетки были чувствительны к определенным цветам или к различиям между изображениями, регистрируемыми каждым глазом, что позволяет воспринимать объемные изображения. Продвигаясь далее от первичных областей восприятия, мы обнаруживаем клетки, которые чувствительны ко все более тонким аспектам восприятия того, что мы видим. Например, при взгляде на рис. 9.7 мы различаем очертания белого треугольника, однако линии, образующие сам треугольник, большей частью не изображены, но домыслены .

Рис. 9.7. Видите ли вы белый треугольник, лежащий поверх другого треугольника и прикрепленный к нему кольцом? Стороны этого белого треугольника нигде не нарисованы до конца, однако, в мозге есть клетки, ответственные за восприятие этих невидимых линий

Клетки, способные фиксировать эти «подразумеваемые» линии, действительно были обнаружены в зрительной коре (той, что называется вторичной зрительной корой)!

В начале 1970-х годов в литературе появились заявления об открытии в зрительной коре мозга мартышек клеток, которые активируются только тогда, когда на сетчатку проецируется изображение лица . На основании этой информации была сформулирована «гипотеза бабушкиной клетки», согласно которой в мозге человека должны существовать определенные клетки, реагирующие только в тех случаях, когда в комнату входит его/ее бабушка! Недавние исследования показали, что есть клетки, реагирующие на определенные слова. Может быть, это шаг на пути к доказательству справед ливости гипотезы бабушкиной клетки?

Ясно, что нам предстоит еще очень много узнать о деталях процессов обработки информации в мозге. До сих пор очень мало известно о функционировании высших отделов мозга. Мы пока оставим эти вопросы и обратимся к самим клеткам мозга, которые позволяют ему осуществлять эту удивительную деятельность.

 

Как работают нервные импульсы?

Обработка информации в головном мозге (равно как и в спинном мозге и сетчатке) осуществляется уникальными по своему разнообразию клетками, которые называются нейронами. Попробуем разобраться, как же устроен нейрон. Я схематично изобразил его на рис. 9.8.

Рис. 9.8. Нейрон (часто гораздо более удлиненный, чем на рисунке). Различные типы нейронов могут существенно отличаться по внешнему виду

Его утолщенная центральная часть, немного похожая на звезду и часто имеющая форму редиски, называется телом (сомой) нейрона и содержит в себе клеточное ядро. С одной стороны от тела нейрона отходит сильно вытянутое нервное волокно, называемое аксоном. Аксон иногда достигает действительно огромной длины (у человека — часто до нескольких сантиметров), если учесть, что речь идет всего лишь об одной микроскопической клетке.

Аксон служит «проводом», по которому передается исходящий из клетки нервный сигнал. От аксона в стороны могут отходить более мелкие ветви и, кроме того, аксон может несколько раз разветвляться. На концах каждого из этих нервных волокон находятся нервные окончания (терминали). По другую сторону сомы, а часто и отходя от нее во всех направлениях, располагаются короткие сильно ветвящиеся отростки — дендриты, по которым в клетку поступают входные данные. (Иногда и на концах дендритов встречаются терминали, образующие так называемые дендро-дендритные синапсы между дендритами. В дальнейшем я не буду их учитывать, поскольку связанное с ними усложнение общей картины несущественно.)

Клетка как целое отделена от окружения клеточной мембраной, которая охватывает сому, аксон, нервные окончания, дендриты и все остальное. Для того, чтобы сигналы передавались от одного нейрона к другому, надо каким-то образом обеспечить им возможность «перехода через барьер» между нейронами. Это достигается с помощью межклеточного соединения, называемого синапсом, в котором терминаль одного нейрона соединена с какой-либо точкой на соме или на одном из дендритов другого нейрона (рис. 9.9).

Рис. 9.9. Синапсы обеспечивают контакт одного нейрона с другим

На самом деле, между терминалью одного нейрона и сомой или дендритом другого остается очень узкий зазор, который называется синаптической щелью (рис. 9.10).

Рис. 9.10. Схема строения химического синапса. Через синаптическую щель сигнал передается с помощью нейромедиатора

При передаче от одного нейрона к другому сигнал должен преодолеть этот зазор.

В какой форме сигналы передаются по нервным волокнам и через синаптические щели? Что заставляет следующий нейрон передавать сигнал дальше? Для непосвященного, вроде меня, механизмы, которые используются здесь природой, кажутся удивительными и совершенно зачаровывающими!

Можно было бы думать, что эти сигналы распространяются точно так же, как электрический ток по проводам, но в действительности все гораздо сложнее.

Нервное волокно представляет собой цилиндрическую трубку, заполненную раствором обычной соли (хлорида натрия), смешанной с хлоридом калия (с преобладанием последнего), так что внутри трубки находится смесь из ионов натрия, калия и хлора (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое изображение нервного волокна. В состоянии покоя внутри волокна ионов хлора больше, чем ионов калия и натрия, что обеспечивает отрицательный суммарный заряд; снаружи ситуация противоположная, и, соответственно, имеется положительный заряд. Калиево-натриевый баланс внутри трубки отличается от баланса снаружи: внутри больше ионов калия, а снаружи — натрия

Снаружи волокна находятся те же ионы, но в других соотношениях: ионов натрия больше, чем ионов калия. В состоянии покоя содержимое трубки имеет суммарный отрицательный заряд (т. е. ионов хлора там больше, чем ионов калия и натрия вместе; напомним, что ионы калия и натрия заряжены положительно, тогда как ионы хлора — отрицательно). Клеточная мембрана, образующая поверхность цилиндра, имеет «утечки», поэтому ионы перемещаются через мембрану таким образом, чтобы нейтрализовать избыточный заряд. Компенсацию утечек и поддержание избыточного отрицательного заряда внутри трубки осуществляет «ионный насос», который очень медленно откачивает ионы натрия через мембрану наружу. Отчасти это же помогает поддерживать избыток ионов калия по сравнению с ионами натрия во внутреннем растворе. Существует также ионный насос, который (более медленно) переносит ионы калия из наружной среды внутрь трубки (что, правда, не способствует поддержанию разности зарядов).

Сигнал, распространяющийся по нервному волокну, представляет собой область с обратным распределением зарядов (т. е. положительный заряд внутри и отрицательный снаружи), которая перемещается вдоль волокна (рис. 9.12).

Рис. 9.12. Нервный импульс — зто область с обратным (по отношению к состоянию покоя) распределением заряда, перемещающаяся вдоль волокна. При ее приближении открываются натриевые каналы, пропускающие поток ионов натрия внутрь; сразу после ее прохождения открываются калиевые каналы, обеспечивающие отток ионов калия наружу. Работа ионных насосов восстанавливает исходное состояние

Вообразите, что вы находитесь на нервном волокне как раз перед такой областью с обратным распределением зарядов. По мере того, как эта область приближается, электрическое поле открывает в мембране маленькие «дверцы», называемые натриевыми каналами. Это позволяет ионам натрия перемещаться с наружной стороны мембраны обратно внутрь трубки (в результате совместного действия электрических сил и давления, обусловленного разностью концентраций, т. е. «осмоса»). Это приводит к тому, что заряд снаружи становится отрицательным, а внутри — положительным. Когда это происходит, мы знаем, что область обратного распределения заряда, которая и является сигналом, достигла нас. При этом позади нее открываются крошечные «дверцы» другого типа (калиевые каналы), которые выпускают ионы калия наружу, тем самым восстанавливая избыточный отрицательный заряд внутри. Теперь сигнал прошел! Наконец, когда сигнал уже достаточно удалился, медленно, но верно работающие ионные насосы постепенно выкачивают ионы натрия из трубки наружу, закачивая внутрь ионы калия. Таким образом волокно возвращается в состояние покоя и готово к передаче очередного сигнала.

Обратите внимание, что сигнал представляет собой просто область обратного распределения заряда, движущуюся вдоль волокна. Вещество как таковое (т. е. ионы) перемещается при этом совсем немного — только внутрь и наружу через клеточную мембрану!

Этот странный, экзотической механизм действует на поверку очень эффективно. Он универсален и используется как у позвоночных, так и у беспозвоночных. Но у позвоночных он был усовершенствован за счет изоляции нервных волокон при помощи беловатого жироподобного вещества, называемого миелином . (Именно миелиновым покрытием объясняется цвет «белого вещества» мозга.) Такая изоляция позволяет нервным импульсам распространяться без потерь (от одной «ретрансляционной станции» к другой) и с очень приличной скоростью — до 120 метров в секунду.

Когда сигнал достигает терминали, из нее выделяется химическое соединение, называемое нейромедиатором. Это соединение пересекает синаптическую щель и достигает другого нейрона — поверхности дендрита или сомы. При этом у одних нейронов терминаль выделяет нейромедиатор, облегчающий возбуждение следующего нейрона, т. е. посылку нового сигнала вдоль своего аксона. Эти синапсы называются возбуждающими. У других нейронов терминали выделяют нейромедиатор, затрудняющий другому нейрону генерацию собственного импульса, и поэтому называются тормозящими. На каждом нейроне действие активных в данный момент возбуждающих синапсов суммируется, из результата вычитается суммарное действие тормозящих синапсов, и если полученная разность превышает определенное критическое значение, то нейрон действительно возбуждается. (Возбуждающие синапсы создают положительную разность потенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны следующего нейрона, а тормозящие — отрицательную. Эти разности потенциалов складываются. Нейрон возбудится только в том случае, если результирующая разность потенциалов на мембране в начале его аксона достигнет определенной критической величины, при которой ионы калия не успевают выходить наружу достаточно быстро, чтобы восстановить равновесие.)

 

Компьютерные модели

Важным свойством нервной системы является то, что сигналы, используемые для передачи информации, относятся (большей частью) к классу явлений «все или ничего». Сила сигнала не изменяется: он или есть, или его нет. Это придает деятельности нервной системы некоторое сходство с работой цифрового компьютера. На самом деле, между работой огромного количества взаимосвязанных нейронов и процессами внутри компьютера со всеми его проводниками и логическими элементами (подробнее об этом чуть позже) есть много общего. В принципе, было бы не так уж трудно создать компьютерную модель подобной системы нейронов. Но возникает вполне естественный вопрос: не означает ли это, что какой бы ни была детальная схема соединений нейронов в мозге, всегда можно построить его компьютерную модель?

Чтобы сделать это сравнение более наглядным, я должен объяснить, что такое логический элемент. В компьютере мы также сталкиваемся с ситуацией типа «все или ничего»: либо в проводнике есть импульс тока, либо его нет, причем когда импульс есть, его величина всегда одна и та же. Поскольку все в компьютере строго синхронизовано, то отсутствие импульса было бы определенным сигналом, который может быть «замечен» компьютером. Вообще говоря, когда мы пользуемся термином «логический элемент», мы неявно подразумеваем, что наличие или отсутствие импульса обозначает «истину» или «ложь», соответственно. Конечно же, к реальной истине или лжи это никакого отношения не имеет и используется только как общепринятая терминология. Мы будем также обозначать «истину» (наличие импульса) цифрой «1 » и «ложь» (отсутствие импульса) цифрой «0 ». Помимо этого, как и в главе 4, мы будем обозначать знаком «& » логическое «и» (которое является «утверждением» об «истинности» обоих аргументов, т. е. принимает значение 1 тогда и только тогда, когда оба они равны 1 ); «V » — логическое «или» (которое «означает», что либо один из аргументов, либо оба они «истинны», т. е. выражение становится равным 0 тогда и только тогда, когда оба аргумента имеют значение 0 ); знаком «=>» — «следует» (т. е. А => В означает утверждение «если истинно А , то истинно В », что эквивалентно утверждению «либо А ложно, либо В истинно»); «<=>» — «тогда и только тогда» (выражение истинно, если оба аргумента «истинны» или же оба «ложны» одновременно); и использовать знак «~» для логического «не» (выражение «истинно», если аргумент «ложен», и «ложно», если аргумент «истинен»). Результаты применения различных логических операций можно описать при помощи так называемых «таблиц истинности»:

в каждой из которых А обозначает строки (т. е. А = 0 дает первую строку, а А = 1 — вторую), а В — столбцы. Например, если А = 0 и В = 1 , что во всех таблицах отвечает правому верхнему углу, то выражение А => В согласно третьей таблице примет значение 1 . (Соответствующий словесный пример из области традиционной логики: утверждение «если я сплю, то я счастлив», очевидно, остается истинным в частном случае, когда я бодрствую и счастлив.) И, наконец, действие логического элемента «не» может быть записано просто как:

— 0 = 1 и ~ 1 = 0 .

Это — основные типы логических элементов. Есть еще ряд других, но все они могут быть построены из только что описанных.

Итак, можем ли мы, в принципе, построить компьютер, используя соединенные между собой нейроны? Я собираюсь показать, что это возможно даже при самых примитивных представлениях о функциях нейрона. Посмотрим, как можно было бы, в принципе, построить логические элементы на основе соединенных между собой нейронов. Нам потребуется новый способ записи цифр, поскольку в отсутствие сигнала ничего не происходит. Будем считать (совершенно произвольно), что двойной импульс обозначает 1 (или «истину»), а одиночный — 0 (или «ложь»). Примем также упрощенную схему, в которой нейрон возбуждается только при получении двух возбуждающих импульсов (т. е. двойного импульса) одновременно. Тогда нетрудно сконструировать элемент «и» (т. е. «&»). Как показано на рис. 9.13, для этого достаточно, чтобы с выходным нейроном образовывали входные синапсы два нервных окончания.

Рис. 9.13. Логический элемент «и». В «нейронной модели» (справа) нейрон возбуждается только в том случае, когда на его вход поступают одновременно два импульса

(Тогда, если по обоим окончаниям приходят двойные импульсы, то и первый, и второй импульс превысят заданный двухимпульсный порог срабатывания; а если хотя бы на один входной синапс приходит одиночный импульс, то превысит порог лишь одна пара возбуждающих импульсов. Я предполагаю, что все импульсы хорошо согласованы по времени, и что в случае двойного импульса, для определенности, синхронизация осуществляется по первой паре импульсов.)

Конструкция элемента «не» (т. е. «~») значительно сложнее. Один из способов его построения приведен на рис. 9.14.

Рис. 9.14. Логический элемент «не». В «нейронной модели», как и ранее, для срабатывания нейрона требуется одновременное воздействие двух (по крайней мере) одиночных импульсов

Входной сигнал поступает по аксону, разделяющемуся на две ветви. Одна из ветвей имеет увеличенную длину, такую, чтобы сигнал при движении по ней запаздывал ровно на время, равное промежутку между импульсами в паре. Затем обе ветви снова разделяются, и одно из ответвлений каждой ветви отходит к тормозящему нейрону, причем аксон от ветви с задержкой предварительно разделяется снова, образуя прямую ветвь и ветвь с задержкой. На выходе тормозящего нейрона не будет ничего при одиночном импульсе на его входе, и двойной импульс (с задержкой), если на его входе также был двойной импульс. Аксон тормозящего нейрона разделяется на три ветви, каждая из которых образует тормозящий синапс на оконечном нейроне. Оставшиеся два ответвления исходного аксона снова разделяются, так что к конечному нейрону подходят уже четыре терминали, образующие возбуждающие синапсы. При желании читатель может проверить, что выходной сигнал этого конечного нейрона соответствует сигналу элемента «не» (т. е. пара импульсов, если на входе был одиночный, и наоборот). (Такая конструкция кажется абсурдно усложненной, но это наилучшее из того, что пришло мне в голову!) В качестве развлечения читатель может составить подобные «нейронные» схемы и для остальных описанных выше логических элементов.

Естественно, эти конкретные примеры не могут служить серьезными моделями того, что происходит в мозге на самом деле. С их помощью я только старался показать, что описанная выше модель возбуждения нейрона по сути логически эквивалентна конструкции электронного компьютера. Легко видеть, что с помощью компьютера можно воспроизвести любую модель соединения нейронов между собой. В то же время, подробно рассмотренные выше конструкции указывают на то, что и, наоборот, системы нейронов могут быть моделями компьютера и, следовательно, могут действовать как (универсальная) машина Тьюринга. Хотя при обсуждении машин Тьюринга во второй главе мы не использовали понятие логических элементов и, в действительности, для построения модели машины Тьюринга в общем случае помимо логических элементов нам понадобилось бы еще многое другое, в этом нет ничего принципиально нового, если только мы допускаем возможность аппроксимации используемой в машине Тьюринга бесконечной ленты огромным, но конечным множеством нейронов. А это уже, как кажется, подводит нас к выводу о том, что мозг по своей сути эквивалентен компьютеру!

Но прежде, чем делать такие поспешные выводы, нам следует рассмотреть некоторые различия между деятельностью мозга и работой современных компьютеров, которые могут оказаться достаточно важными. Во-первых, я слишком упростил описание возбуждения нейрона, отнеся его к явлениям типа «все или ничего». Это справедливо для одиночного импульса, распространяющегося по аксону. На самом деле, когда нейрон возбуждается, он генерирует целую последовательность импульсов, быстро следующих друг за другом. Даже в состоянии покоя нейрон генерирует импульсы, но с гораздо меньшей частотой. Именно многократное увеличение частоты импульсов характеризует переход нейрона в возбужденное состояние. Кроме того, есть еще и вероятностный аспект срабатывания нейрона. Один и тот же стимул может приводит к различным результатам. Более того, в мозге нет точной синхронизации с помощью постоянной тактовой частоты, которая необходима для работы современных компьютеров. Кроме того, следует отметить, что максимальная частота срабатывания нейрона, составляющая около 1000 импульсов в секунду, гораздо меньше, чем у современных электронных устройств, у которых она более чем в 1  млн раз выше. К тому же, по сравнению с очень высокой точностью соединений в электронном компьютере, действительные соединения между нейронами кажутся в большой степени случайными и избыточными — правда, сегодня мы знаем, что в мозге (при рождении) эти соединения установлены с гораздо большей точностью, чем считалось полвека назад.

Может показаться, что большая часть из сказанного выше характеризует мозг с невыгодной стороны по сравнению с компьютером. Но есть и другие факторы, говорящие в пользу мозга. У логических элементов может быть лишь очень ограниченное количество входов и выходов (скажем, три-четыре, не больше), тогда как нейроны могут иметь гигантское число синапсов. (Предельным случаем можно считать нейроны мозжечка, известные как клетки Пуркинье, у которых количество возбуждающих синапсов достигает 80 000 .) Помимо этого, общее число нейронов в мозге также превышает максимальное количество транзисторов, входящих в состав самой большой в мире вычислительной машины — примерно 10 11 в мозге и «всего лишь» 10 9 у компьютера. Однако последнее число в будущем, скорее всего, возрастет. Более того, большое число клеток мозга в значительной степени обусловлено огромным количеством мелких клеток-зерен в мозжечке, которых насчитывается около тридцати миллиардов (3 х 10 10 ). Если считать, что осознанным восприятием, в отличие от современных компьютеров, мы обладаем просто благодаря большому числу нейронов, то нам придется найти какое-то дополнительное объяснение тому, что деятельность мозжечка полностью бессознательна и в то же время сознание может быть связано с головным мозгом, в котором нейронов всего в два раза больше (около 7 х 10 10 ) при значительно меньшей плотности.

 

Пластичность мозга

Между деятельностью мозга и работой компьютера существуют и другие различия, на мой взгляд даже более важные, чем до сих пор упоминавшиеся, и связанные с явлением, которое называется пластичностью мозга. В действительности, неправомерно рассматривать мозг как фиксированную совокупность связанных друг с другом нейронов. Взаимосвязи нейронов на самом деле не постоянны, как это было бы в рассмотренной выше компьютерной модели, но все время меняются. Это не значит, что изменяются положения аксонов или дендритов. Многие из их сложных взаимосвязей в общих чертах формируются еще при рождении. Я имею в виду синаптические контакты, которые в действительности и обеспечивают связь между нейронами. На дендритах они часто формируются на небольших выростах, называемых шипиками , к которым подходят терминали других нейронов (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Синаптические контакты, образуемый шипиками дендритов. Эффективность такого соединения легко изменяется при росте или уменьшении шипика

Здесь «контакт» означает не соприкосновение, а узкий зазор (синаптическую щель) заданной ширины — около одной сорокатысячной доли миллиметра. При определенных условиях шипики дендритов могут исчезать, тем самым нарушая контакт, или вырастать (могут образовываться и новые) и формировать новую связь. Таким образом, если мы представим себе, что совокупность соединенных друг с другом нейронов в мозгу действительно образует компьютер, то это компьютер, способный непрерывно изменяться!

Согласно одной из ведущих теорий долговременная память обусловлена именно такими изменениями синаптических контактов. Именно они обеспечивают возможность сохранения необходимой информации. Если это так, то пластичность предстает перед нами уже не просто как несущественное усложнение деятельности мозга, но как ее важнейшее свойство.

Каков механизм этих непрекращающихся изменений? Как быстро они могут происходить? Однозначный ответ на второй вопросов вряд ли существует, хотя представители по крайней мере одной из научных школ утверждают, что такие изменения могут происходить за несколько секунд. Этого можно было ожидать, если такие изменения ответственны за долговременное запоминание, поскольку оно происходит за характерное время около одной секунды (Кандел [1976]). Это имело бы для нас весьма существенное значение в дальнейшем. Я вернусь к этому важному вопросу в следующей главе.

А что же можно сказать о механизмах пластичности мозга? Согласно оригинальной теории, предложенной в 1954 году Дональдом Хеббом, существуют определенные синапсы (впоследствии получившие название «синапсов Хебба»), обладающие тем свойством, что связь между нейронами А и В, обусловленная синапсом Хебба, усиливается каждый раз, когда за возбуждением А следует возбуждение В, и ослабляется, если В не возбуждается. Изменение эффективности связи между нейронами не зависит от степени участия самого синапса Хебба в возбуждении нейрона В. Это делает возможной некоторую форму «обучения». На основе этой теории был предложен целый ряд математических моделей обучения и решения задач. Они получили название нейронных сетей . По-видимому, нейронные сети действительно способны к какому-то элементарному обучению, но им пока еще далеко до реальных моделей мозга. В любом случае, механизмы, управляющие изменениями синаптических контактов, скорее всего более сложны, чем рассмотренные выше. Очевидно, что необходимы дальнейшие исследования.

С пластичностью связан и другой аспект выделения нейромедиаторов терминалями. Иногда нейромедиаторы выделяются вовсе не в синаптические щели, а в окружающую межклеточную жидкость, возможно, для воздействия на другие, расположенные на большом удалении нейроны. По-видимому, многие нейрохимические вещества выделяются подобным образом. Существуют различные теории памяти, в которых используются разнообразные сочетания таких веществ, участвующих в процессе запоминания. Конечно, состояние мозга зависит от наличия в нем химических соединений (например, гормонов), выделяемых различными его частями. Проблемы нейрохимии в целом весьма сложны, и пока непонятно, как можно подойти к созданию правдоподобной и полной компьютерной модели мозга.

 

Параллельные компьютеры и «единственность» сознания

Многие считают, что развитие параллельных компьютеров содержит в себе ключ к построению машин, обладающих возможностями человеческого мозга. Далее мы кратко рассмотрим эту популярную сегодня идею.

Параллельный компьютер, в противоположность последовательному, может выполнять одновременно и независимо друг от друга огромное число отдельных операций, и результаты этих автономных операций время от времени объединяются, давая вклад в общий вычислительный процесс. Толчком к созданию такого типа компьютерной архитектуры послужили попытки моделирования нервной системы, поскольку, согласно современным представлениям, разные части мозга выполняют практически автономные вычислительные функции (например, при обработке визуальной ин4юрмации в зрительной коре).

Здесь необходимо сделать два замечания. Во-первых, между параллельным и последовательным компьютерами не существует принципиальной разницы. По сути, оба являются машинами Тьюринга (ср. главу 2 «Тезис Черча — Тьюринга»). Отличие может проявляться только лишь в эффективности, или скорости, вычислений в целом. Для некоторых типов вычислительных процессов параллельная организация, действительно, более эффективна, но это далеко не всегда так. Во-вторых, по крайней мере с моей точки зрения, крайне маловероятно, что классические параллельные вычисления дают ключ к тому, что происходит при сознательном мышлении. Характерным свойством сознательной мысли (по крайней мере в нормальном психологическом состоянии и не после операции по разделению полушарий мозга!) является ее «единственность» — в противоположность множественности выполняемых одновременно и независимо друг от друга операций.

Фразы типа: «Я же не могу думать обо всем сразу?!» можно услышать на каждом шагу. Можно ли вообще думать о нескольких вещах одновременно? Вероятно, кто-то может удерживать в голове несколько мыслей в одно и то же время, но это, скорее всего, будет похоже на постоянное перескакивание от одной мысли к другой и обратно, нежели на действительно одновременное, сознательное и независимое их обдумывание. Если бы кто-то мог думать о двух вещах совершенно независимо, то это было бы более похоже на обладание двумя раздельными сознаниями, пусть даже и на короткий промежуток времени, тогда как повседневный опыт (по крайней мере нормальных людей) свидетельствует о наличии единственного сознания, которое может иметь смутное представление о ряде вещей, но которое сконцентрировано в каждый момент времени только на одной из них.

Конечно, то, что мы подразумеваем здесь под «одной вещью», не совсем ясно. В следующей главе мы познакомимся с совершенно удивительными примерами «отдельных мыслей», появлявшихся в минуты вдохновения у Пуанкаре и Моцарта. Но нам вовсе не обязательно забираться так далеко, чтобы понять, что мысль человека в каждый конкретный момент времени может неявно быть очень сложной. Представьте себе, например, процесс обдумывания обеденного меню. Одна такая мысль может включать в себя такое количество разнообразной информации, что ее полное словесное описание было бы очень долгим.

«Единственность» осознанного восприятия представляется мне идущей вразрез с концепцией параллельного компьютера. С другой стороны, эта концепция может оказаться более подходящей в качестве модели бессознательной деятельности мозга. Различные независимые действия (ходьба, застегивание пуговиц, дыхание и даже разговор) могут выполняться человеком одновременно и более менее автономно, причем он может не осознавать ни одно из них!

С другой стороны, мне кажется, что эта «единственностью» сознания может иметь что-то общее с квантовым параллелизмом. Вспомним, что, согласно квантовой теории, на квантовом уровне различные альтернативы могут сосуществовать в линейной суперпозиции! Отсюда следует, что одиночное квантовое состояние могло бы, в принципе, состоять из большого числа различных событий, происходящих одновременно. Именно это и подразумевается под квантовым параллелизмом. Мы скоро рассмотрим теоретическую концепцию «квантового компьютера», в котором, в принципе, квантовый параллелизм мог бы быть использован для выполнения большого числа одновременных операций. Если «состояние ума», соответствующее рассудочной деятельности, имеет какое-то сходство с квантовым состоянием, то некая форма «единственности», или глобальности, мысли соответствует ему в большей степени, чем в случае обычного параллельного компьютера. У этой идеи есть несколько привлекательных аспектов, к которым я вернусь в следующей главе. Но прежде, чем рассматривать эту идею всерьез, мы должны ответить на вопрос, могут ли квантовые эффекты иметь какое-либо отношение к деятельности мозга.

 

Имеет ли квантовая механика отношение к работе мозга?

Все предыдущее обсуждение нервной деятельности проводилось целиком в рамках классических представлений, за исключением тех случаев, когда мы затрагивали физические явления, неявные причины которых отчасти обусловлены квантово-механическими эффектами (например, ионы, несущие единичные электрические заряды; натриевые и калиевые каналы; определенные химические потенциалы, определяющие триггерный характер генерации нервного импульса; химия нейромедиаторов). Но нет ли таких ключевых процессов в мозге, которые бы непосредственно определялись квантово-механическими эффектами? Для того чтобы рассуждения, описанные в конце предыдущей главы, имели какой-то смысл, такие процессы, по-видимому, должны существовать.

В действительности, можно указать, по крайней мере, одно место, где чисто квантовые явления имеют принципиальное значение для нервной деятельности, — это сетчатая оболочка глаза. (Вспомним, что сетчатка фактически входит в состав мозга!) Эксперименты с жабами показали, что в подходящих условиях адаптированная к темноте сетчатка вырабатывает макроскопический нервный импульс при попадании на нее единичного фотона (Бэйлор и др. [1979]). То же, как выясняется, справедливо и для человека (Хехт и др. [1941]), хотя в этом случае существует дополнительный механизм, который подавляет подобные слабые сигналы, тем самым очищая воспринимаемое изображение от лишнего визуального «шума». Необходимо суммарное воздействие примерно семи фотонов, чтобы адаптировавшийся к темноте испытуемый мог его ощутить. Тем не менее, в нашей сетчатке, по-видимому, все-таки есть клетки, чувствительные к попаданию только одного фотона.

Поскольку в теле человека существуют нейроны, способные срабатывать под воздействием единичного квантового события, то вполне обоснован вопрос о наличии таких клеток где-нибудь в основных отделах мозга. Насколько мне известно, это предположение не подтвердилось. У клеток всех изученных типов есть определенный порог срабатывания и требуется очень большое число квантов, чтобы перевести клетку в возбужденное состояние. Однако можно было бы допустить, что где-то глубоко внутри мозга должны быть клетки, чувствительные к одиночным квантам. Если это окажется верным, то квантовая механика должна играть существенную роль в деятельности мозга.

Но даже при таком положении вещей роль квантовой механики оказалась бы чисто номинальной, поскольку квант используется просто как возбудитель сигнала. Никаких интерференционных эффектов, характерных для квантовых явлений, пока обнаружить не удалось. Похоже, что в лучшем случае все, что мы можем получить от квантовой механики, это неопределенность момента срабатывания нейрона. Трудно представить, как это может пригодится нам на практике.

Однако некоторые вопросы, имеющие к этому отношение, не так тривиальны. Для их рассмотрения обратимся вновь к сетчатой оболочке глаза. Предположим, что фотон попадает на сетчатку, предварительно отразившись от полупрозрачного зеркала. Состояние фотона тогда будет представлять собой сложную линейную суперпозицию состояний, когда он попадает в клетку сетчатки и когда он проходит мимо клетки и вместо этого, скажем, улетает через окно в космос (см. рис. 6.17) В тот момент, когда он мог бы попасть в клетку сетчатки, до тех пор, пока выполняется линейная процедура U (т. е детерминированная эволюция вектора состояния по уравнению Шредингера, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»), мы получим сложную линейную суперпозицию наличия и отсутствия нервного сигнала. Когда это доходит до сознания наблюдателя, воспринимается только одна из этих двух альтернатив, и должна использоваться другая квантовая R-процедура (редукция вектора состояния, см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»). (Говоря так, я сознательно обхожу стороной теорию множественности миров, которая имеет множество своих собственных проблем!) В соответствии с рассуждениями, приведенными в конце предыдущей главы, нам следует задать вопрос, достаточное ли количество материи вовлекается в прохождение сигнала, чтобы удовлетворялся одногравитонный критерий (см. главу 8)? Хотя при преобразовании энергии фотона в энергию движения массы при выработке сигнала в сетчатке достигается действительно гигантское усиление, возможно, до 10 20 раз, эта масса все же значительно меньше величины планковской массы m Рl (примерно в 10 8 раз). Однако нервный сигнал создает регистрируемое изменяющееся электрическое поле в окружающей среде (тороидальное поле с осью, совпадающей с нервным волокном, по которому оно перемещается). Это поле может вносить в окружающую среду значительное возмушение, за счет чего одногравитонный критерий будет легко удовлетворен. Таким образом, в соответствии с изложенной мной точкой зрения, R-процедура могла бы выполняться задолго до того, как мы увидим или, может случиться, не увидим вспышку света. К тому же, для редукции вектора состояния наше сознание не требуется!

 

Квантовые компьютеры

Если мы все-таки предположим, что чувствительные к одиночным квантам нейроны играют важную роль где-то в глубине нашего мозга, то возникает вопрос, какие следствия это могло бы иметь. Для начала я изложу концепцию квантового компьютера, предложенную Дойчем (см. также главу 4 «Сложность и вычислимость в физических объектах»), а затем мы выясним, можно ли ее рассматривать как имеющую отношение к теме нашей дискуссии.

Как было указано выше, главная идея состоит в использовании квантового параллелизма, в соответствии с которым два совершенно различных процесса должны рассматриваться как происходящие одновременно в виде квантовой линейной суперпозиции, например, фотон одновременно отражается от полупрозрачного зеркала и проходит через него или один и тот же фотон проходит через каждую из двух щелей. В случае квантового компьютера этими двумя различными наложенными друг на друга процессами будут два различных вычисления. При этом предполагается, что нас интересуют результаты не обоих вычислений, а некий результат, основанный на частичной информации, полученной из суперпозиции этих процессов. Наконец, когда оба вычисления завершены, над этой парой процессов должно быть проведено соответствующее «наблюдение», позволяющее получить искомый ответ. Таким образом, это устройство могло бы сэкономить время за счет выполнения двух вычислений одновременно! До сих пор не видно никакого значительного преимущества от использования такого подхода, поскольку было бы гораздо проще непосредственно использовать два классических компьютера параллельно (или один классический параллельный компьютер), чем один квантовый. Однако реальные преимущества квантового компьютера могли бы проявиться при необходимости выполнить очень большое, возможно, неограниченно большое, количество параллельных вычислений, когда нас интересуют не их результаты сами по себе, а только подходящая комбинация результатов всех вычислений.

Принципиальное устройство квантового компьютера предполагает использование квантовой разновидности логических элементов, у которых выходной сигнал является результатом «унитарной операции» над входным сигналом — операции типа U, — и вся работа компьютера состояла бы в выполнении операции U до самого конца вычислений, пока конечный «акт наблюдения» не приведет к выполнению операции R.

Согласно выводам Дойча квантовые компьютеры не предназначены для выполнения неалгоритмических операций (т. е. действий, выходящих за пределы возможностей машины Тьюринга), но способны в некоторых, очень специфических случаях, достигать более высокого быстродействия (в смысле теории сложности, см. Главу 4. «Сложность и вычислимость в физических объектах»), чем обычная машина Тьюринга. Для такой блестящей идеи эти выводы представляются довольно неутешительными, но будем помнить о том, что пока мы стоим у самых истоков.

Какое отношение все это может иметь к работе мозга, содержащего значительное число нейронов, чувствительных к единичным квантам? Провести аналогию здесь мешает в первую очередь то, что квантовые эффекты быстро теряются в «шуме» — мозг слишком «горяч», чтобы квантовая когерентность (поведение, которое удобно описывать как непрерывное действие U) сохранялась в нем сколько-нибудь продолжительное время. В моей терминологии это означало бы, что постоянно удовлетворяется одногравитонный критерий, так что операция R выполняется все время, изредка прерываясь операцией U.

Таким образом, пока у нас нет повода слишком надеяться на то, что квантовая механика откроет нам нечто новое о мозге. Возможно, мы все обречены быть просто компьютерами! Лично я в это не верю, но для окончательного выяснения вопроса нам необходимо идти дальше в наших исследованиях.

 

За пределами квантовой теории?

Я хочу вновь обратиться к вопросу, который проходит красной нитью через большую часть этой книги: действительно ли наши представления об окружающем мире, управляемом законами классической и квантовой физики в их современном понимании, адекватны для описания мозга и разума? «Обычное» квантовое описание нашего мозга определенно заходит в тупик, поскольку акт «наблюдения» считается важной составляющей правильной интерпретации общепринятой квантовой теории. Следует ли считать, что мозг «наблюдает сам себя» каждый раз при осознанном восприятии или возникновении мысли? Общепринятая теория не дает нам никаких указаний на то, каким образом квантовая механика могла бы принять это в расчет и, тем самым, как применить ее к мозгу в целом. Я попытался сформулировать вполне независимый от сознания критерий включения операции R («одногравитонный критерий»), и если нечто подобное удалось бы развить до полностью согласованной теории, то появилась бы возможность построения более ясного квантового описания мозга, чем существующее ныне.

Однако я считаю, что эти фундаментальные проблемы возникают не только при наших попытках описать деятельность мозга. Работа самих цифровых компьютеров существенно зависит от квантовых эффектов, пониманию которых, по-моему мнению, мешают трудности, внутренне присущие квантовой теории. Что это за «существенная» квантовая зависимость? Чтобы понять роль квантовой механики в цифровых вычислительных машинах, мы, прежде всего, должны выяснить, как можно заставить полностью классический объект вести себя подобно цифровому компьютеру. В главе 5 мы рассматривали классический «компьютер из биллиардных шаров» Фредкина — Тоффоли (см. Глава 5. «Вычислима ли жизнь в бильярдном мире?»); но, как мы видели, в этом теоретическом «устройстве» были использованы идеализации, позволяющие обойти проблему существенной нестабильности, внутренне присущей классическим системам. Эта проблема нестабильности, как указано выше (рис. 5.14), проявляется в эффективном увеличении фазового объема эволюционирующей системы, которое почти неизбежно приводит к непрерывной потере точности операций, выполняемых классическим устройством. Именно квантовая механика позволяет в конце концов остановить это снижение точности. В современных электронных компьютерах необходимо существование дискретных состояний (скажем, для записи цифр 0 и 1 ), всегда позволяющих однозначно установить, когда компьютер находится в одном, а когда в другом состоянии. Это выражает саму суть «цифровой» природы компьютерных операций. Эта дискретность, в конечном счете, достигается за счет квантовой механики. (Мы можем вспомнить здесь квантовую дискретность энергетических состояний, спектральных частот, значений спина и т. д., см. главу 6.) Даже старые механические вычислительные машины зависели от прочности различных своих частей, каковая, в свою очередь, непосредственно вытекает из дискретности квантовой теории.

Но квантовая дискретность не является только следствием операции U. Пожалуй, уравнение Шредингера в еще меньшей степени способно предотвратить нежелательное расплывание фазового объема и «потерю точности», чем уравнения классической физики! Согласно U, волновая функция изолированной частицы, изначально локализованная в пространстве, будет все больше и больше расплываться с течением времени (см. Глава 6. «Эволюционные процедуры U и R»). Если бы не действие R время от времени, более сложные системы тоже были бы подвержены такой беспричинной делокализации (вспомним кошку Шредингера). (Дискретные состояния атома, например, характеризуются определенными значениями энергии, импульса и полного момента импульса. Общее состояние, которое как раз «расплывается», представляет собой суперпозицию таких дискретных состояний. Именно процедура R на некотором этапе заставляет атом на самом деле «быть» в одном из этих дискретных состояний.)

Мне представляется, что ни классическая, ни квантовая механика — если только в последнюю не будут внесены дальнейшие фундаментальные изменения, которые превратили бы R в «реальный» процесс, — никогда не смогут объяснить механизм мышления. Возможно, что даже работа цифровых компьютеров требует более глубокого понимания взаимосвязи действий U и R. В случае с компьютерами, мы, по крайней мере, знаем, что цифровые вычисления являются алгоритмическими (по самой конструкции!), и мы не пытаемся «обуздать» предполагаемую неалгоритмичность физических законов. Но я утверждаю, что в случае с мозгом и разумом ситуация совершенно иная. Вполне допустимо, что в процессе (сознательного) мышления участвует некая существенная неалгоритмическая составляющая. В следующей главе я попытаюсь подробно изложить причины, заставляющие меня верить в существование этой составляющей, а также выскажу предположения о том, какими удивительными реальными физическими эффектами обусловлено «сознание», влияющее на работу мозга.