Как материя становится сознанием?

 

 

Наша жизнь наполнена сетями. Каждый день мы используем сложные сети автомобильных и железных дорог, перемещаемся по морским и воздушным путям. Но сети существуют и за пределами нашего непосредственного восприятия. Вспомните всемирное интернет-пространство, энергосеть и Вселенную, в которой Млечный Путь — лишь маленький узел в кажущейся бесконечной сети галактик. Однако очень немногие сети по сложности соответствуют той, которая расположилась внутри вашего черепа.

 

В последние годы нейронаука оказалась в центре внимания и многие люди познакомились с ярко раскрашенными картинками, на которых показано, как области мозга «загораются» при выполнении разных мыслительных задач. 

 

Есть, например, височная доля, находящаяся рядом с ухом, которая вовлечена в процессы памяти, или расположенная сзади затылочная доля, специализирующаяся на зрении.

 

В таком описании функций нет объяснения, как эти отделы взаимодействуют, порождая в итоге личность. Наша лаборатория, как и многие другие, позаимствовала из математической теории графов язык, на котором можно описывать, исследовать и предсказывать сложные взаимодействия внутри мозга. Это сокращает кажущийся огромным разрыв между лихорадочной электрической активностью нейронов и когнитивными задачами: восприятием, запоминанием, принятием решений, обучением навыкам и запуском движений. 

 

Новый подход к изучению биологических нейронных сетей основывается на представлении, что разные отделы мозга выполняют определенные функции, и подтверждает это. По своей сути мозг, а следовательно и мы как мыслящие существа, представляет собой обширную сеть, состоящую из почти 100 млрд нейронов, имеющих по меньшей мере 100 трлн точек соединения, то есть синапсов.

 

На основе данных, полученных методами нейровизуализации, мы можем сегодня построить граф, состоящий из узлов и ребер. Узлы графа представляют собой функциональные единицы сети, например нейроны, или в другом случае — аэропорты. Ребра соединяют узлы между собой: представьте себе один нейрон, связанный с другим, или маршруты полета авиакомпании. В нашей работе человеческий мозг упрощается примерно до 300 узлов. 

 

Различные области могут быть связаны между собой ребрами, обозначающими пучки белого вещества, соединяющие отделы мозга. Благодаря такому описанию мозга как единой сети уже была получена более понятная картина реализации когнитивных функций, что принесло и практическую пользу — в виде улучшения методов диагностики и лечения психиатрических заболеваний. А в будущем понимание сетевой структуры мозга станет способствовать разработке улучшенного искусственного интеллекта, появлению новых медицинских препаратов и способов электростимуляции для исправления нарушений нейронных связей, например при депрессии, а также, возможно, разработке генетических методов коррекции психических заболеваний.

 

 

Для начала, чтобы понять, как в нейросетях формируются наши когнитивные способности, рассмотрим аналогию с оркестром, исполняющим симфонию. До недавнего времени нейробиологи в основном исследовали работу отдельных структур мозга изолированно от других. Это как слушать отдельно игру ударных, духовых и струнных инструментов. Такой подход к изучению мозга восходит еще к Платону: разделить природу на естественные части и изучать их по отдельности.

 

Понимать, как миндалевидное тело участвует в эмоциональном процессе, так же важно, как и то, как скрипка издает звуки высокой частоты. Однако даже полный перечень структур мозга и их функций (зрение, движение, эмоции и т.д.) не объясняет, как на самом деле работает мозг, так же как список музыкальных инструментов — не партитура «Героической симфонии» Бетховена.

 

Специалисты по биологическим нейросетям начали разбираться в этих загадках. Ученые выясняют, каким образом каждый из отделов мозга встроен в большую сеть, объединяющую несколько отделов, и как такие сети образуют систему еще более высокого уровня, которая называется «мозг». 

 

Здесь есть два основных подхода. Первый — это изучение структурных связей для идентификации инструментов мозгового оркестра, то есть выявление физических процессов создания музыки и того набора инструментов, который определяет, что можно исполнить. Состав оркестра очень важен, но это не сама музыка. Другими словами, так же как инструменты не отражают исполняемую музыку, нейронные связи не воспроизводят работу мозга.

 

Второй подход основан на том, что живой мозг — это большой оркестр из нейронов, которые возбуждаются вместе, строго подчиняясь определенным закономерностям. Измеряя корреляции между активностью в каждой паре областей, показывая согласованность их работы, мы можем услышать «музыку» мозга. Такая согласованная работа называется функциональной связанностью, и именно ее можно сравнить со звучанием того самого нейронного оркестра. Если в двух местах колебания активности происходят одновременно, то эти области считаются функционально связанными. 

 

Подобная синхронность не менее важна, чем сами звуки, идущие от валторны или альта. Уровень активности электрических сигналов в той или иной области мозга можно рассматривать как громкость звучания музыки.

 

При этом в каждый конкретный момент в нашем полуторакилограммовом мозге некоторые области более активны, чем другие. Наверняка все слышали выражение, что человек использует мозг не на полную мощность. На самом деле весь мозг постоянно активен, но для каждой задачи требуется превышение базового уровня активности только у части структур.

 

Однако это не означает, что вы используете свои когнитивные возможности лишь наполовину. Если бы действительно весь ваш мозг стал максимально активен, это было бы похоже на музыкантов, каждый из которых играет с наибольшей громкостью. Вместо нормального взаимодействия получился бы хаос. Такой оглушающий звук не сможет передать все эмоциональные оттенки, присутствующие в великом музыкальном произведении. Все вместе — интонация, ритм, темп и основные паузы — передают информацию и в музыкальных произведениях, и в процессах, происходящих в вашей голове.

 

 

Подобно тому как в оркестре можно определить группы инструментов разных семейств, так и в мозге можно выделить модули — наборы узлов, образующие локальную сеть. Такому принципу подчиняются все нервные системы. Даже у нематоды Caenorhabditis elegans сеть из 302 нейронов образует модульную структуру. Узлы внутри одного модуля связаны друг с другом сильнее, чем с узлами из других модулей.

 

Каждый модуль в мозге выполняет свою определенную функцию, так же как и каждое семейство инструментов при исполнении симфонии. Недавно мы сделали обзор огромного количества независимых исследований, так называемый метаанализ, куда вошли данные более чем 10 тыс. экспериментов с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), в которых испытуемые суммарно выполнили 83 когнитивных задачи. Мы обнаружили, что в различных задачах задействованы разные модули нейронной сети мозга. Есть модули, отвечающие за внимание, память и самоанализ. Другие, как мы выяснили, занимаются слухом, зрением и управлением движениями.

 

Такие сенсорные и моторные когнитивные процессы запускают работу отдельных соседних модулей, расположенных, как правило, в пределах той же доли мозга. Мы также обнаружили, что вычислительные процессы в этих модулях не вызывают активности других модулей. Представьте себе ситуацию, когда каждый музыкант в оркестре должен брать другие ноты. Оркестр выйдет из-под контроля и, конечно, приятной мелодии не получится. Это касается и обработки информации в мозге — каждый модуль должен функционировать более-менее независимо. Такую необходимость отмечали как древние (Платон), так и современные (Джерри Фодор) философы, и это подтверждается нашими исследованиями.

 

Несмотря на то что модули мозга работают в основном независимо, для получения симфонии надо, чтобы все семейства инструментов звучали в унисон. Информация, возникающая в одном модуле, должна в итоге составить единое целое с результатом работы других. Если смотреть фильм только с помощью зрительной системы, без использования эмоций, это очень обеднит впечатления.

 

Поэтому для выполнения многих сложных когнитивных задач разные модули должны работать совместно. Например, задание на кратковременную память — удержать в голове новый телефонный номер — требует объединения модулей, отвечающих за слух, внимание и обработку памяти. Для объединения и контроля активности нескольких модулей в мозгу используются концентраторы (хабы) — узлы, в которых сходятся сигналы от разных модулей.

 

Некоторые модули, контролирующие и интегрирующие активность мозга, менее избирательны, чем другие. Их связи распространяются на несколько долей. Лобно-теменной контрольный модуль охватывает лобную, теменную и височную доли. В эволюции он возник относительно недавно. У людей по сравнению с нашими ближайшими обезьяньими родственниками этот узел развит особенно хорошо. Он функционирует как дирижер оркестра, активируясь во время выполнения многих когнитивных задач.

 

Лобно-теменной модуль гарантирует, что все другие модули мозга работают в унисон. Он активно задействован в реализации исполнительной функции, объединяя отдельные процессы принятия решений, кратковременной памяти и когнитивного контроля. Последнее — это способность разрабатывать сложные стратегии действий и тормозить нежелательное поведение.

 

Еще один модуль, обладающий обширными связями, называется модулем салиентности. Он подсоединен к лобно-теменному модулю и отвечает за ряд поведенческих реакций, связанных с внимание и реакцией на новые стимулы. Рассмотрим, например, два слова: синий и красный. Если вас попросить назвать цвет, которым написано каждое слово, то вы быстрее назовете красный. В случае зеленого цвета будут сильнее активироваться лобно-теменной и салиентный модули, поскольку вы должны затормозить естественное желание назвать синий — тот цвет, который заключен в смысле написанного слова.

 

И, наконец, модуль работы в пассивном режиме расположен в тех же долях, что и лобно-теменной. Он состоит из многих концентраторов, связанных с такими разными когнитивными задачами, как самоанализ, обучение, извлечение памяти, обработка эмоциональной информации, определение ментального состояния других и даже рискованное поведение. Важно, что повреждение таких модулей, содержащих большое количество концентраторов, нарушает функциональную связанность мозга и приводит к обширным когнитивным проблемам — точно так же как плохая погода в узловом аэропорту приводит к задержкам рейсов по всей стране.

 

 

 

 

Несмотря на то что в наших мозговых сетях присутствует схожий набор основных компонентов, таких как модули, связанные узлами, у каждого есть свои небольшие особенности организации нервных связей. В последнее время исследователи тщательно изучают подобное разнообразие. 

 

На первом этапе проекта «Коннектом человека», финансируемого Национальными институтами здоровья, ученые исследовали архитектуру мозговых сетей у 1,2 тыс. молодых людей. Финальной целью проекта было охватить все периоды жизни. Структурную и функциональную связанность оценивали с помощью фМРТ. Данные были дополнены набором тестов и опросников, анализирующих 280 поведенческих и когнитивных черт. Участники исследования рассказали о том, как они спят, как часто употребляют алкоголь, о своих языковых способностях, памяти и эмоциональном состоянии. Нейробиологи со всего мира начали анализировать этот невероятно огромный массив информации, чтобы понять, как наш мозг кодирует нашу личность.

 

С помощью данных, полученных от сотен испытуемых из проекта «Коннектом человека», наша лаборатория и другие показали, что каждый человек отличается своим характерным распределением связей в мозге, это так же уникально, как и отпечаток пальца. У людей с сильными связями между определенными областями были богатый лексикон, хороший подвижный интеллект, помогающий решать новые задачи, а также они могли откладывать получение удовольствия. Они были более образованы и больше удовлетворены жизнью, имели хорошие память и внимание. Те, у кого связи между этими областями были слабее, обладали низкой подвижностью интеллекта, они имели опыт употребления психоактивных веществ, хуже спали и испытывали трудности с концентрацией внимания.

 

Основываясь на этом исследовании, мы показали, что такие результаты могут быть описаны с помощью особенностей связей между концентраторами. Если в сети вашего мозга есть сильные концентраторы, связывающие много модулей, в ней, скорее всего, будут модули, которые работают достаточно независимо друг от друга. И в этом случае у вас будет лучше развит ряд способностей — от кратковременной памяти до математики, знания языков и понимания социальных отношений. 

 

Проще говоря, все ваши мысли, чувства, странности, недостатки и сила духа записаны в особенностях организации вашего мозга, если рассматривать его как цельную интегральную сеть. Словом, музыка, которую исполняет мозг, и есть то, что делает вас самим собой. Синхронизированная работа модулей мозга не только формирует вашу личность, но и поддерживает ее стабильность во времени. Композиция, которую они исполняют, всегда примерно одинакова. Это сходство было замечено в двух других работах проекта «Коннектом человека», где испытуемым давали разные задания, требующие кратковременной памяти, распознавания эмоций другого человека, учета риска в играх, постукивания пальцами, языковых, математических или социальных навыков, а также произвольного состояния покоя, в котором надо было отпустить свой разум «блуждать».

 

Удивительным образом все эти действия давали похожую картину активации сетей. Возвращаясь к нашей аналогии с оркестром, неверно считать, что мозг, когда решает математическую задачу, исполняет произведения Баха, а когда отдыхает — хип-хоп. Симфония у нас в голове играется одними и теми же музыкантами в одном и том же стиле. Это постоянство возникает из-за того, что в нейросети мозга сигнал от нейрона к нейрону может передаваться только там, где физически имеются структурные связи в виде пучков волокон. 

 

И от структурных связей зависит, как могут быть настроены функциональные связи, например, для математики или для языка. Пользуясь музыкальной метафорой: бас-барабан не может играть мелодию так, как пианино. Как у оркестра появляются новые аранжировки, так же и в мозговой музыке неизбежно возникают изменения. Физические связи меняются в течение месяцев и лет, а функциональные — за секунды, когда человек переключается с одного типа мыслительной деятельности на другой.

 

Важные изменения структурных и функциональных связей происходят в подростковый период, когда окончательно дорабатывается система связей в мозге. Это ключевой критический период, так как именно у подростков часто проявляются первые признаки психических заболеваний. Одно из направлений нашего исследования посвящено тому, как нейросети мозга развиваются в детском, подростковом и взрослом возрасте. Эти процессы направляются глубокими физиологическими изменениями, а также на них влияют обучение, знакомство с новыми идеями и навыками, социально-экономический статус человека и другие аспекты жизненного опыта.

 

Модули в сетевой организации мозга появляются очень рано, еще в утробе матери, но их связи совершенствуются по мере нашего развития. В детстве усиление связей между концентраторами связано с обособлением модулей и ростом эффективности выполнения задач, требующих исполнительного контроля, таких как сложные логические построения и управление своим поведением. 

 

Мы выявили также, что у детей с более высоким социально-экономическим статусом модули быстрее начинают работать независимо друг от друга, и это подчеркивает важность влияний окружающей среды.

 

Хотя структурные изменения связей — довольно медленный процесс, функциональные перестройки происходят достаточно быстро, за несколько секунд или минут. Эти изменения способствуют переключению между разными задачами или даже между разными навыками в рамках одного задания. В серии наших работ, которые публиковались с 2011 г. и по сегодня, мы выявили, что у людей, имеющих лучшие исполнительные функции и способность к обучению, модули в сетевой структуре переключаются легко.

 

Для того чтобы детальнее разобраться в происходящем, мы воспользовались общедоступной базой данных, полученной в знаменитом исследовании «Мой коннектом» (MyConnectome), в котором профессор психологии Стэнфордского университета Рассел Полдрак (Russell Poldrack) более года три раза в неделю сканировал свой мозг и выполнял когнитивные тесты. И хотя модули обычно работают независимо и изолированно друг от друга, время от времени мозг перестраивает их связи. 

 

Данная способность называется «функциональная гибкость сети». Она позволяет узлу, имеющему сильные функциональные связи внутри одного модуля, выстроить вдруг множество связей с другим модулем, изменив поток информации внутри всей сети. С помощью данных, полученных в исследовании Полдрака, мы обнаружили, что изо дня в день происходит перенаправление информации внутри сети, что совпадает с хорошим настроением, бодростью или усталостью. У здоровых испытуемых такая гибкость коррелирует с хорошими когнитивными способностями.

 

 

Структура мозговых связей также отражает и психическое здоровье. Депрессия, шизофрения, болезни Альцгеймера и Паркинсона, расстройства аутического спектра, синдром дефицита внимания, деменция и эпилепсия сопровождаются анормальным распределением связей. Большинство психических заболеваний не ограничены одной областью мозга. Нарушение связей при шизофрении наблюдается по всему органу. Согласно одной из гипотез возникновения шизофрении, в работе отдельных модулей нет патологии, а все нарушения связаны с переизбытком связей между ними.

 

В здоровом мозге модули работают независимо и изолированно друг от друга, а также способны к пластичному изменению связей внутри сети, что полезно для когнитивных функций, но только в определенных пределах. В нашей лаборатории мы выявили, что у людей с шизофренией и их ближайших родственников наблюдается повышенная легкость перестройки связей в сети. Когда в узле неожиданно переключается связь между слуховым и речевым модулем, могут возникать слуховые галлюцинации. Такое нежелательно смешение может вызывать ощущение бормотания в голове.

 

Так же как и шизофрения, клиническая депрессия не вызвана нарушением в работе одного отдела мозга. По-видимому, в ее проявлении участвуют три определенных модуля: лобно-теменной, салиентности и пассивного режима. И действительно, такие симптомы депрессии, как эмоциональная расторможенность, измененная чувствительность к эмоциональным стимулам и руминация, соответствуют этим модулям.

 

В результате нормальный обмен сообщениями между тремя модулями нарушается. В норме активность одного модуля сменяется активностью другого, поддерживая баланс между когнитивной обработкой сенсорного входа и внутренних переживаний. При депрессии же доминирует модуль пассивного режима, и пациент погружается в руминацию — навязчивое зацикливание на неприятных мыслях. Симфония мозга становится еще более разбалансированной, всем оркестром начинает управлять одно семейство инструментов. Эти наблюдения расширили наши представления о свойствах сетевой структуры при депрессии до такой степени, что по распределению связей в мозге мы можем диагностировать разные подтипы заболевания и определить, какие области мозга надо простимулировать электрическим током.

 

 

Специалисты по сетевой структуре мозга не только исследуют ее развитие, но и выясняют, как за десятки тысячелетий могла сформироваться такая сеть. Области, которые определены как концентраторы, совпадают с теми областями мозга, которые наиболее сильно увеличились в процессе эволюции. Сейчас они у человека в 30 раз больше, чем у макаки. Крупные концентраторы с большей вероятностью обеспечат хорошую интеграцию процессов, происходящих в разных модулях, предоставляя возможность проводить более сложные вычисления. Это можно сравнить с увеличением количества музыкантов в оркестре, что позволяет исполнять более сложные мелодии.

 

Для изучения подобных вопросов нейробиологи использовали и другой способ. Они создали сети с помощью компьютера и подвергли их эволюционному отбору. В нашей лаборатории мы начали изучать эволюционное происхождение концентраторов. Это началось с сети, в которой все ребра были распределены равномерно случайным образом. Следующим шагом сеть была перестроена, далее были сформированы отдельные модули, среди которых был запущен естественный отбор на способность образовывать графы «мир тесен» (так в науке о сетях называют графы, где две удаленные вершины могут сообщаться друг с другом особенно легко). Тысячи таких сетей начали эволюционировать, в результате чего в каждой появи-лись концентраторы, которые не просто соединяли несколько модулей, но и были сами тесно связаны друг с другом, образуя так называемый клуб. В условиях задачи никак напрямую не требовалось создания таких клубов концентраторов, они просто появились из-за внутренних процессов.

 

Модель показывает, что для появления у мозга способности обмениваться информацией между модулями одно из возможных эволюционных решений — создание концентраторов с мощными связями. Обратите внимание, что в существующих сетевых структурах, таких как мозг, аэропорты, сети электроснабжения, также имеются надежные концентраторы, тесно связанные друг с другом. Это еще не означает, что эволюция обязательно шла таким путем, как показывает модель, а просто демонстрирует способ, который могла использовать природа.

 

 

Когда лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман умер в 1998 г., на его меловой доске осталась надпись: «Чего не могу воссоздать, того не понимаю». Получился изящный афоризм, но в нем была упущена важная мысль. Это можно исправить: «Чего не могу воссоздать и контролировать, того не понимаю». Без возможности управления наших знаний достаточно, чтобы наслаждаться симфонией, но мы не можем быть дирижером оркестра.

 

Что касается мозга, то мы в целом понимаем его структуру и значение его сетевой архитектуры. Хорошо известно, что именно мозг определяет нашу личность, но мы только начинаем понимать, как это происходит. Применив к мозгу представления Пьера Симона Лапласа о детерминизме, можно сказать, что текущее состояние мозга и, следовательно, ментальное состояние человека может быть рассмотрено как следствие его прошлых состояний, зная которые, можно будет предсказывать будущие. Нейробиолог, который знает принципы работы мозга и все о текущем состоянии чьего-то мозга, сможет предсказать психическое состояние этого человека в будущем и определить то прошлое, которое сохранилось в его мыслях.

 

Это знание можно использовать для избавления от боли и страданий, особенно учитывая, что множество психических расстройств связаны с нарушением сетевой структуры. При достаточном технологическом развитии мы сможем имплантировать устройства, которые способны менять или даже создавать новые элементы сети мозга, или же редактировать гены, чтобы предотвратить появление аномальных сетей, связанных в первую очередь с психическими расстройствами. Такие достижения позволили бы нам лечить болезни и восстанавливать функции мозга после травм и инсультов, а также улучшать их у здоровых людей.

 

Прежде чем такие футуристические сценарии реализуются, нам нужно ликвидировать два важных пробела. Требуется узнать больше о том, как гены, ранние этапы развития и воздействия окружающей среды формируют структуру нашего мозга и как она приводит к формированию функциональных особенностей. У нейробиологов уже есть некоторое представление о том, как геном обеспечивает появление функциональной структуры сети, однако надо еще понять, как именно происходят эти процессы. Мы только начинаем выяснять, как развивается и формируется сетевая структура мозга под воздействием окружающей среды, и даже еще не приблизились к объяснению всей сложности данного процесса. Внутреннее строение мозга, его структурная связанность ограничивает взаимодействия модулей друг с другом, но нам об этом известно очень немного. По мере того как мы будем ликвидировать пробелы в знаниях, повысятся шансы исправить работу мозга с помощью вмешательства.

 

Нас тормозит то, что сейчас мы видим мозг довольно нечетко, как если бы мы находились за пределами концертного зала и могли различать лишь очертания инструментов. Нейробиологические исследования показывают, что внутри каждой области мозга каждую миллисекунду возбуждаются миллионы нейронов. А мы можем только косвенно измерять их уровень активности примерно раз в секунду. Таким образом, мы можем определить структурные связи мозга лишь приблизительно. 

 

К счастью, ученые и инженеры работают над тем, чтобы получить более четкие данные, которые позволят заглянуть в глубину, наверное, самой сложной сети во Вселенной — в ваш мозг.