Чтобы понять уникальность мозга Леонардо, поговорим сначала о нашем собственном. Человеческий мозг относится к числу последних бастионов, не сдающих свои секреты под натиском экспериментального метода. В то время, когда ученые расширяли горизонты астрономии, вычисляли валентность в химии, определяли силы в физике, предмет особой гордости Homo sapiens и его самое загадочное проявление — человеческое сознание — сопротивлялось непрекращающимся попыткам научного изучения.

От общего объема тела мозг составляет только 2 %, но при этом потребляет 20 % всей энергии организма. Жемчужно-серая желеобразная вселенная весом около полутора килограмм, этот уникальный орган способен определять расстояния до звезд и составлять карты далеких галактик, размеры которых исчисляются квинтиллионами километров. Мозг проделывает этот фокус, даже не покидая своей заколдованной яйцевидной черепной коробки. С помощью электрических токов низкой мощности, проходящих и отражающихся внутри него, мозг способен воссоздать подробную картину возникновения земли миллиарды лет назад. От него может исходить столь прекрасная поэзия, что читатели рыдают, или такая лютая ненависть, что вроде бы разумные люди начинают наслаждаться мучениями других, или такая безбрежная любовь, что, сливаясь друг с другом, люди теряют ощущение своих физических границ.

В отличие от других существ, человек с его ощущением времени способен мысленно перемещаться между прошлым, настоящим и будущим и даже к моменту Большого взрыва 14 миллиардов лет назад. Несмотря на удивительную смышленость собак, кошек, тюленей, дельфинов, слонов и шимпанзе, никто, кроме человека, не способен освоить умение приходить в назначенное время в определенное место. Ни одно животное не может хранить в сознании одновременно прошлое и будущее — а человек может.

Другая замечательная способность двуногих приматов — свободное исследование пространства. Все иные сложные животные остаются крепко привязанными невидимой инстинктивной веревкой, удерживающей их на определенной территории, пролетном пути или маршруте миграции. А человеческий мозг, по-видимому, имеет внутреннюю нейронную систему навигации в пространстве, позволяющую ему свободно блуждать по всей планете. Хотя некоторые животные обладают страстью к путешествиям, никто не может сравниться с человеком в готовности исследовать удаленные или опасные территории. Более того, нет другого существа, способного проникать на дно океана или за пределы земной атмосферы, путешествуя в холодном космическом пространстве.

Первые ученые, пытаясь понять, как устроен человеческий мозг, в конечном счете сталкивались с проблемой «черного ящика»: исследовательский аппарат, необходимый для изучения объекта, и был самим объектом.

Современная нейробиология берет свое начало из античности, когда благодаря изучению людей, имеющих внутричерепные нарушения, начала накапливаться информация о работе мозга. Но сначала нужно было отказаться от ошибочного представления, будто сознание возникает в сердце, а не в мозге. Учитывая, что сердце энергично стучит в грудной клетке, а мозг кажется просто желеобразным веществом, которое вроде бы ничего не делает, неудивительно, что первые врачи заблуждались. Истину установил грек Гиппократ, живший в IV веке до нашей эры, отец всей медицины. Не используя никаких инструментов, кроме собственной проницательности, он правильно определил, что сознание, выполняющее роль дирижера в нашем организме, расположено за лобной костью, а не в грудной клетке.

К сожалению, в те времена вскрытие трупов было табуировано. И только в эпоху Возрождения некоторым наиболее бесстрашным исследователям хватило любопытства преодолеть брезгливость и религиозные запреты. Благодаря вскрытиям врач мог сопоставить клинические симптомы, наблюдавшиеся при жизни человека, и явные повреждения в разных областях головного мозга, видимые после смерти.

Этот метод имел тот очевидный недостаток, что заинтересованной стороне приходилось терпеливо ждать смерти субъекта, прежде чем можно будет вскрыть череп покойного и выяснить, какое физическое нарушение там скрывалось. Потом врач должен был начать сложное сопоставление выявленных патологий в головном мозге с теми неврологическими расстройствами, которые наблюдались при жизни пациента. Учитывая, насколько сложен мозг любого человека и как сильно один мозг отличается от другого, сочетать косвенные наблюдения с дедуктивными умозаключениями было очень непросто.

Кроме того, мозг быстро разлагается после смерти, поэтому у древнего патологоанатома для работы был очень короткий промежуток времени. Эта проблема сохранялась даже после того, как благодаря появлению фиксирующих веществ, формальдегида и микроскопа уровень исследований вырос. Изучение среза мертвой ткани под микроскопом или фрагментов мертвого мозга, зафиксированного в формальдегиде, не может заменить наблюдения в режиме реального времени за живым органом, в котором интенсивно бегают электрические импульсы и циркулируют нейромедиаторы.

Мы долго не могли понять, как внутри мозга располагается его «операционная система», еще из-за одной ошибочной концепции. Философ XVII века Рене Декарт авторитетно заявлял: «По моим наблюдениям… мозг парный, так же как руки, глаза и уши». Декарт считал мозг изящной конструкцией, в которой две половины — точное зеркальное отражение друг друга. Насколько сильно укоренилась эта ошибочная идея, можно судить по тому, что в 1800 году французский физиолог Биша писал: «…органам присуща гармония, проявляющаяся в их симметричности». Для Биша и предыдущих поколений анатомов из того, что половинки мозга выглядят симметрично друг другу, следовало, что они должны выполнять одни и те же функции.

Вдобавок Декарт пришел к выводу, что разум — это нематериальная субстанция, совершенно отдельная от тела. Он ввел в философию концепцию дуализма души и тела и таким образом невольно отделил от мозга его важнейший продукт — сознание, считая его чем-то совсем «иным», отличным от частей тела, расположенных ниже шеи.

Особый божественный орган внутри уникального божьего творения фактически был закрыт для земных исследований людьми. Декартова философия с обезглавливанием продержалась до середины XIX века, пока в результате революционного открытия не была доказана ее ошибочность. Французский врач Поль Брока одним смелым ударом разрушил представления о симметрии функций мозга и положил начало современной неврологии. Связав воедино две проблемы — распространенный клинический синдром нарушения речи (афазию), который часто возникает при инсультах, и паралич правой стороны тела, обычно встречающийся вместе с афазией, — он правильно определил, что за речь отвечает преимущественно левое полушарие (это верно для праворуких людей, то есть для большинства). Из-за перекреста нервных волокон в мозге левое полушарие контролирует правую сторону тела, а правое полушарие — левую. Вскоре Карл Вернике дополнил наблюдения Брока, выделив другую область в левом полушарии, которая отвечала за понимание услышанного, в отличие от расположенной спереди зоны Брока, ответственной за генерирование членораздельной речи. Благодаря сделанному Брока и Вернике открытию зависимости конкретных речевых навыков от соответствующих областей мозга появился новый способ определения функций мозга.

В XX веке появились приборы, с помощью которых нейробиологи могут изучать работу мозга здоровых людей в реальном времени. Сначала стало возможно измерять электрическую активность мозга. Нейроны, основные клетки нервной системы, работают, создавая электрические импульсы. Они генерируют слабые электромагнитные поля в окружающем пространстве. В коре мозга, расположенной непосредственно под костями черепа, содержится большое количество нейронов, и их суммарную активность можно измерить с помощью датчиков, присоединенных к электродам на голове. Считывание информации происходит в режиме реального времени. Метод называется электроэнцефалограммой, или ЭЭГ. Вслед за этим методическим прорывом быстро последовали другие, и у нейробиологов появились и более сложные приборы для изучения работы мозга.

В 1960-х годах Роджер Сперри создал экспериментальную модель, которую можно было использовать для изучения работы мозга. Он перерезал мозолистое тело у кошек, предполагая, что такое серьезное хирургическое вмешательство приведет к выраженным отклонениям. Мозолистое тело, соединяющее кору двух полушарий, — крупнейшая непарная структура в кошачьем мозге. К его удивлению, поведение кошек после операции оставалось обычным. Как такое могло быть? Сперри задумался. Как может сохраняться относительно нормальное поведение после перерезки основного кабеля, соединяющего полушария? И что в этой связи можно сказать о работе человеческого мозга?

Первоначально он предположил, что, вероятно, кошки на эволюционном древе расположены слишком далеко от человека. Тогда он провел ту же операцию на обезьянах. У обезьян после операции картина была та же, что и у кошек. Сперри был еще сильнее заинтригован. Он по-прежнему считал, что после расщепления мозга в его работе должно что-то измениться.

Приблизительно в это же время два нейрохирурга из Лос-Анджелеса — Джозеф Боген и Филип Фогель — размышляли о применимости методики, которую Сперри использовал на кошках и обезьянах, для людей. Они предположили, что комиссуротомия мозга (термин, означающий операцию по рассечению мозолистого тела) может оказаться эффективным хирургическим методом лечения резистентной эпилепсии.

Эпилептический припадок можно сравнить с бурей, происходящей в голове. Обычно она начинается как шквальный порыв ветра в одном конкретном участке мозга, что проявляется в аномальной электрической активности в этой области. В начале припадка электрическая активность по непонятным причинам значительно усиливается и, быстро набирая силу, распространяется на соседние, нормальные участки, так что там тоже возникает интенсивная электрическая активность. Вскоре мозг начинает мигать как испорченный игральный автомат, а в результате возникает одна из самых пугающих разновидностей приступов, какие только можно наблюдать у человека.

Та часть тела, которая находится под непосредственным контролем пораженного участка, первой начинает то, что древние называли дьявольской пляской. Эпилептик быстро теряет сознание, дико размахивая одной рукой или ногой. По мере распространения волны возбуждения по нервной системе все четыре конечности совершают непроизвольные судорожные движения. Рот издает нечленораздельные звуки. Глаза закатываются настолько, что перестают быть видны зрачки. Под влиянием глазных мышц глазное яблоко дергается в быстрых движениях, называемых нистагмами, веки трепещут.

Во времена, когда Боген и Фогель изучали возможность хирургического лечения людей с эпилепсией, существовали разнообразные эффективные препараты, облегчающие или подавляющие припадок. К сожалению, не всем они помогали. Для таких резистентных эпилептиков Боген и Фогель предлагали свой радикальный подход. Теоретически комиссуротомия казалась перспективной идеей. Боген полагал, что если электрическая активность, вызывающая приступ, не сможет переходить из одного полушария в другое, как обычно, по мозолистому телу, из-за того, что оно перерезано, то припадок будет ограничен одним полушарием, а другое сохранит сознание и позволит больному позвать на помощь. Кроме того, ограниченный одним полушарием припадок, предположительно, протекал бы легче и быстрее заканчивался.

Конечно, никто не мог точно знать, какими будут последствия такого радикального лечения, как это повлияет на поведение, речь, координацию, равновесие, личность, рассудок, сексуальность и сознание. И кошки, и обезьяны, и человек относятся к млекопитающим, но между человеком и двумя другими животными из этого списка лежит пропасть. Риск был велик.

Тем не менее небольшая группа пациентов подписала информированное согласие на операцию, хотя их предупредили, что операция ранее на человеке не проводилась и очень опасна. Их жизнь была настолько подвержена рискам, что они согласны были на то, чтобы их мозг резко и необратимо изменился, ради шанса получить некое подобие контроля над тем, что их разрушало.

В 1963 году Боген и Фогель провели первую успешную комиссуротомию. Пациент выжил, и, что удивительно, его поведение и ответы на заданные вопросы мало отличались от того, что наблюдалось до операции. Друзья и родственники подтвердили, что он ходит, разговаривает и занимается своими делами так, словно ничего не изменилось от того, что теперь его левая рука в прямом смысле не ведала, что творит правая.

Осмелев, Боген и Фогель повторили эксперимент. Операция не только облегчала эпилептические приступы, как и предполагалось, но наблюдалось также необъяснимое снижение их частоты. На протяжении некоторого непродолжительного периода времени врачи рекомендовали операцию по рассечению мозолистого тела для больных эпилепсией, не восприимчивых к лекарственной терапии. Таким образом, было прооперировано более 1000 пациентов. В 1970-х годах, когда появились новые, более эффективные препараты для лечения эпилепсии, комиссуротомия перестала быть актуальной.

На начальном этапе Сперри следил за успехами Богена и Фогеля с большим интересом, признавая, что их прооперированные пациенты — настоящая сокровищница информации о том, как работает мозг. Вместе с Майклом Газзанигой, Дэвидом Галином и многими другими учеными он разработал ряд остроумных экспериментов, позволяющих исследовать каждое полушарие в отдельности. До этого у нейробиологов никогда не было экспериментальной модели, с помощью которой можно оценить, в каком из полушарий преимущественно представлена та или иная функция.

Вскоре в различных исследовательских центрах по всему миру начали накапливаться собственные группы пациентов с расщепленным мозгом.

В результате всех этих работ были сделаны поистине революционные выводы, хотя нередко они встречали серьезные возражения некоторых нейробиологов. Многочисленные критики правильно указывали на недостатки этой экспериментальной модели. У эпилептиков мозг не такой же, как у обычных людей. Кроме того, сама операция принципиально меняет мозг. Поэтому с научной точки зрения неправильно распространять на всю человеческую популяцию выводы, которые были получены при исследовании рассеченного мозга.

Но даже с учетом этих возражений исследования расщепленного мозга все же проливают свет на работу человеческого мозга. Наиболее важные выводы, полученные ранее при исследовании рассеченного мозга, в значительной степени подтверждаются при изучении здоровых людей с использованием новых методов нейровизуализации. Многое еще предстоит выяснить, но одно несомненно: каждому полушарию мозга человека природой предназначено выполнять свои функции.

Мозг чрезвычайно сложен. Такие понятия, как никогда, всегда и несомненно, при обсуждении мозга малоприменимы. Поэтому я прошу читателя простить меня, когда для простоты изложения я буду слишком категорично говорить о тех его функциях, относительно которых пока нет однозначного мнения.

Параллельно с изучением рассеченного мозга не менее важные успехи были достигнуты в области нейрохимии. Ученые начали попытки идентифицировать и понять функции широкого спектра веществ, называемых нейромедиаторы. Помимо гормонов, поступающих в кровь и действующих на больших расстояниях, существуют вещества, не покидающие «родных мест». Гормоны, например тестостерон, инсулин, эстрогены и тироксин (из щитовидной железы), могут сильно влиять на эмоции, настроение и мыслительные процессы, даже если вырабатываются органами, расположенными далеко от мозга. Нейромедиаторы, такие как дофамин, норадреналин и серотонин, в очень небольших количествах могут вызвать резкий эмоциональный или интеллектуальный подъем.

Нейромедиаторы изменяют состояние нейронов — главных клеток нервной системы. От других клеток нейроны отличаются наличием двух типов отростков по разные стороны тела клетки. Короткие отростки имеют широко разветвленную структуру и называются дендритами. Это та часть нервной клетки, которая принимает сигнал. С противоположной стороны от дендрита расположен одиночный длинный отросток аксон.

У человека длина некоторых аксонов может быть более метра. Например, аксоны, идущие к пальцам ноги, начинаются в нижней части спинного мозга и потом проходят вниз по всей конечности. Есть и еще один примечательный нерв с необычайно длинными аксонами. Самые длинные аксоны, входящие в блуждающий нерв, выходят из головного мозга, спускаются через шею, грудь и живот и заканчиваются глубоко в полости таза, на уровне анального отверстия. На всем протяжении блуждающего нерва более короткие аксоны сворачивают к различным внутренним органам, таким как сердце, легкие, желудок и кишечник. Анатомы назвали этот нерв латинским словом vagus, что значит «странник», «скиталец». В английском языке есть образованные от этого корня слова vagabond — «бродяга» и vagrant — «праздношатающийся», «блуждающий».

Дендрит, подобно чувствительному флюгеру, реагирует на происходящие вокруг него изменения, в частности, на сигналы, приходящие по аксонам других нервных клеток. Нейромедиаторы, попадающие непосредственно на дендрит на всем его протяжении, могут его активировать. Когда сигнал проходит от конца дендрита к телу клетки, производится оценка его интенсивности. Подобно тому, как единицы и нули включают и выключают материнскую плату компьютера, клетка оценивает, достаточно ли интенсивные воздействия поступают на все концы дендрита, и, если да, разряд передается дальше по аксону.

Если аксон активируется, в его основании запускается цепь химических реакций, в результате которых по аксону распространяется электрический ток. В отличие от тока, идущего по медной проволоке почти со скоростью света, движение нервного импульса больше похоже на волны, идущие по кишечнику, когда змея заглатывает мышь. По обычному аксону двигательного нерва сигнал проходит со скоростью 100 метров в секунду, тогда как скорость света составляет примерно 300 000 километров в секунду.

Многие годы нейробиологи думали, что нерв активизируется постепенно. Предполагалось, что под воздействием мощного стимула по нерву поступает сильный сигнал, а слабый стимул вызывает слабый сигнал. Позже мы узнали, что сигнал либо есть, либо нет. Нейрон работает по принципу «Все или ничего».

Несмотря на то что нервные окончания расположены близко друг к другу, аксон, передающий сигнал, обычно не соприкасается с принимающим дендритом. Между ними находится узкая щель, которая называется синапс. Именно здесь работают нейромедиаторы. Некоторые нейромедиаторы тормозят прохождение сигнала через синапс, другие, наоборот, облегчают или усиливают передачу, повышая вероятность того, что принимающий нейрон сгенерирует разряд, который пойдет дальше по его аксону. Хотя синапсы — это пустое пространство в нервной ткани, они играют решающую роль в работе нервной системы. В процессе поисков различных нейромедиаторов одним из самых удивительных открытий было то, что большая часть активных химических веществ не отличается по своему молекулярному строению от веществ, которые можно найти в растениях.

Серьезным шагом в изучении мозга стало открытие, что с помощью меченых радиоизотопов можно наблюдать его функционирование у человека в активном состоянии. После введения изотопа в кровь с помощью сканирующего устройства наблюдают, какие области головного мозга «светятся» во время выполнения задания. Сканирование мозга дает бесценную информацию об этом «черном ящике». Различные виды сканирования развиваются удивительно быстро, при этом каждый имеет свою специфику.

Новейший, самый волнующий прорыв в изучении мозга был осуществлен благодаря исследованиям генома. С тех пор как более полувека назад был открыт секрет генетического кода, темпы развития этой области экспоненциально ускоряются. Недавно ученые начали находить конкретные гены, отвечающие за особенности человеческого поведения. Обнаружилось, что ген FOXP2 связан с речью, что не только дает ученым радикально новый метод для понимания этой ключевой человеческой способности, но и позволяет заглянуть в прошлое. Зная, когда и у кого появился этот ген, ученые могут по-новому взглянуть на вопрос вековой давности о том, когда возникла человеческая речь. Эта область науки еще только зарождается, но выявление генов, отвечающих за различные виды умственных способностей, открывает новые горизонты для нейробиологии.

Появление компьютеров, а затем и Интернета оказало значительное влияние на человеческую культуру. Изменилась система представлений о том, как передается, интерпретируется, обрабатывается и хранится информация. В некотором роде и мозг, и компьютеры — это устройства для обработки информации, и интенсивное развитие компьютерных сетей стимулирует возникновение новых подходов, метафор и аналогий для размышления об устройстве сознания. Нейроны и провода, транзисторы и синапсы не слишком отличаются друг от друга. Благодаря интенсивным усилиям, направленным на разработку искусственного интеллекта, мы стали лучше понимать устройство нервных сетей, потому что по своей сути создание искусственного интеллекта есть не что иное, как попытка сделать искусственно то, что мозг уже давно умеет.

Благодаря всем этим открытиям мы сможем попытаться понять, как работал мозг Леонардо.