Что значит быть собакой. И другие открытия в области нейробиологии животных: читать начало книги онлайн

Во-вторых, связь между активностью лобных долей и поведением собаки выглядит аналогом схожей связи у человека. Аналогичные области в человеческом и собачьем мозге выполняют, судя по всему, аналогичные функции. Это важно, поскольку параллели в структурно-функциональной взаимосвязи приближают нас к ответу на вопрос, каково это – быть собакой или каким-нибудь другим животным. Я подозревал, что при активации у животного структур мозга, аналогичных нашим, оно испытывает аналогичные нашим ощущения. И проявление у собак индивидуальных особенностей точно так же, как и у людей, такую вероятность подтверждало. В конце концов, область нейробиологии человека тоже движется в сторону персонализированного подхода в лечении, когда на первый план выходит понимание индивидуальных различий в физиологии.

Наш проект начал выходить за рамки общих принципов функционирования собачьего мозга. Мы всё больше сосредоточивались на нюансах различий между собаками и на том, чтó эти различия говорят об их индивидуальном опыте. Но тот же подход к индивидуальным особенностям внутри вида можно распространить и на межвидовое сравнение. Расширяя границы исследования, мы могли перейти от выяснения, каково оно – быть Либби или Кэйди, к выяснению, каково быть собакой или каким-нибудь другим четвероногим (или двуногим) хищником.

Чтобы преодолеть разрыв между индивидуальными особенностями и видовыми, нужно на более глубоком уровне проследить взаимосвязь между структурой и функциями мозга. Какие структуры мозга являются общими для разных видов и насколько они различаются в пределах одного вида? Но, прежде чем переходить к этим вопросам, необходимо сперва разобраться с главным: зачем, собственно, нужен мозг?

Глава 3

Зачем нужен мозг?

Мозг – механизм довольно затратный в обслуживании. У человека его вес составляет скромные 2 % от массы тела, но зато он перекачивает 20 % кровотока и потребляет 20 % вдыхаемого нами кислорода. Он настолько чувствителен, что не выдерживает даже малейших перебоев в кровоснабжении. Резкий перепад давления может привести к обмороку, а отсутствие притока крови и кислорода свыше пяти минут чревато необратимыми нарушениями. Десять минут без кислорода – летальный исход.

Вы сели бы за руль автомобиля, обладающего такой же «надежностью»? Кому нужен механизм, который при малейшей неполадке выходит из строя и ремонту не подлежит? У такого капризного произведения природы преимущества явно должны перевешивать недостатки и затраты в обслуживании. Так зачем все-таки нужен мозг?

С наивной дарвиновской точки зрения мозг позволяет животному выжить и дать потомство, но это не объясняет, почему у одних животных он крупнее, чем у других, или почему у человека настолько развиты лобные доли. На этих различиях в структуре мозга основана разница в функционировании разных видов живых существ. Задача в том, чтобы эту структурно-функциональную взаимосвязь расшифровать. Задача колоссальная, учитывая, что человеческий мозг содержит не менее восьмидесяти миллиардов нейронов – точное количество установить не удается. Соответственно, собачий мозг, если исходить из соотношения размеров, содержит не менее пяти миллиардов.

И где-то в этом переплетении нейронов скрыт ключ к постижению психического опыта других животных. Ряд исследователей и философов утверждают, что понять переживания животного невозможно. Я считал иначе. Собачий проект указывал на сходство, как структурное, так и функциональное, собачьего мозга и человеческого. Однако одной лишь фМРТ ограничиваться было нельзя. Пусть она великолепно демонстрирует изменения, связанные с нейронной активностью, разрешение у нее все же ограниченное. Очень многое остается «за кадром». Чтобы добраться до физической, материальной основы того, как ощущает себя собака или любое другое животное (в том числе человек), нам нужно проникнуть глубже в устройство мозга.

За последнюю сотню лет наши представления о мозге изменились радикально. И хотя я не мог согласиться с утверждением, что мы никогда не узнаем, каково быть собакой, оглядываясь на историю нейронауки, должен признать, что в 1970-х перспективы и впрямь выглядели мрачными. Теперь все иначе. Прогресс в нейробиологии не ограничился стремительным пополнением массива данных – с каждым технологическим прорывом развивались и теории функционирования мозга.

Технология не только диктует нам, что можно измерять, но и служит источником метафор для описания деятельности биологических систем. Так было всегда. В описании функций мозга выделяются три основные метафорические темы: электрические переключатели как метафора связи «стимул – реакция», первые компьютеры как метафора символьных операций и интегральная схема как метафора нейронных сетей. Обратившись к истокам возникновения этих тем, мы можем определить контекст современных теорий функционирования мозга и сформулировать некоторые общие принципы, касающиеся его деятельности. Отсюда можно перейти к рассмотрению деятельности собачьего мозга и ее отличиям от деятельности человеческого.

Как серьезная наука нейробиология ведет отсчет с начала XX столетия – в этот же период мир переживал электротехническую революцию. В 1879 году Томас Эдисон запатентовал свою лампочку, к 1900 году Гульельмо Маркони уже испытывал радио. Еще до Маркони приемник, реагирующий на электромагнитные волны, сконструировал А. С. Попов. Ученый работал в Санкт-Петербурге, где в ту пору кипела научная жизнь, и там же трудился И. П. Павлов – основоположник рефлекторной теории поведения. И хотя мы не знаем, был ли Павлов знаком с Поповым, в работах Павлова электрическим приборам отводится заметная роль. Самое главное, Павлов продемонстрировал, что рефлексы бывают не только врожденными. Они могут вырабатываться в процессе так называемого обусловливания. Аналогия с электрической цепью прослеживалась безошибочная. Как и электрический распределительный щит, рефлексы можно перенастроить.

Следующие пятьдесят лет в психологии господствовали открытые Павловым условные рефлексы[17]. В 1911 году психолог Эдвард Торндайк обнародовал свой «закон эффекта», согласно которому действие, за которым следует реакция удовольствия, имеет склонность стать повторяющимся. На этом незамысловатом наблюдении другой психолог, Беррес Скиннер, впоследствии построит свою теорию оперантного научения.

Хотя уже тогда было хорошо известно, что в основе работы мозга лежат некие электрохимические процессы, теория, которую развивали последовательно Павлов, Торндайк и Скиннер, была, по сути, механистической. Мозг считали «черным ящиком» – непроницаемым и к изучению поведения никак не относящимся. Первый шаг за рамки этого скиннерианского убеждения был сделан в 1950-х, когда ученые обратились к мозгу (точнее, к его способам хранения информации) за новыми подсказками. Представления о мозге значительно усложнились по сравнению с примитивной схемой «стимул – реакция», главенствовавшей в предыдущую эпоху.

В значительной мере новый всплеск интереса к мозгу был спровоцирован изобретением компьютеров – теперь психологи рассматривали мозг как биологическое вычислительное устройство. Этот новый подход – «когнитивная психология» – сосредоточился на отображении знаний и информации в мозге и операциях с ними[18]. Тем не менее, поскольку основное внимание уделялось «программному обеспечению», то есть психике, мозг снова отошел на второй план, воспринимаясь как некая биологическая аппаратура. Многие исследователи грезили о светлом будущем, когда мы научимся обходиться без мозга и будем просто загружать его программу в компьютер. Вероятность крупных прорывов в области изучения мозга и создания искусственного интеллекта обеспечила неослабевающий интерес к когнитивному направлению в следующие тридцать лет.

Однако к середине 1970-х все больше ученых начали осознавать, что мозг хранит информацию совсем не так, как это делают компьютеры. В мозге, в отличие от компьютера, нет разделения на блок памяти и центральный процессор. Не имея базовых представлений о том, как аккумулируются знания в мозге, исследователи оказывались в тупике, пытаясь отделить программное оборудование (разум) от аппаратного (мозга). Статья Томаса Нагеля попросту подогрела эту неудовлетворенность. Нагель утверждал, что разбором мозга на составляющие разум не постичь. И хотя Нагель лишь откликался на явное бессилие редукционистского подхода к изучению разума, его статья расколола ученых на верящих и не верящих в пользу нейронауки, и этот раскол существует до сих пор.

В защиту биологического подхода к изучению разума выступили ученые новой формации, развернувшие проблему на сто восемьдесят градусов. Вместо того чтобы выискивать в мозге аналогии с компьютером, они, вдохновляясь достижениями нейронауки, начали разрабатывать компьютерные алгоритмы, имитирующие работу мозга. И первое, что они заметили, – высокая степень параллелизации в мозге, когда миллиарды нейронов работают одновременно. Массивная параллельная обработка данных происходит совсем не так, как в компьютере, где процессор исполняет команды последовательно. Эти новаторы – так называемые коннекционисты – показали, что простые сети, состоящие из нейроноподобных модулей, могут выполнять на удивление сложные задачи. Более того, нейронные сети способны самообучаться, не требуя божественного вмешательства программиста[19].

Эти ранние модели нейронных сетей поражали умением справляться с «человеческими» заданиями: распознавать почерк, обыгрывать человека в нарды. Развитие нейронных сетей совпало с технологическим прорывом в изготовлении интегральных схем, и очень скоро начали появляться нейронно-сетевые чипы. Тогда, пользуясь широтой информационного доступа и безграничностью вычислительных мощностей, нейронные сети объединили с алгоритмами искусственного интеллекта и получили гибрид под названием «глубокое обучение». Однако нейронные сети – это по-прежнему не более чем устройство ввода – вывода. Они моделируют определенный тип ввода данных из окружающей среды, преобразуют эти данные и выводят в необходимом виде.

Аналогия между работой мозга и устройствами ввода – вывода выглядит вполне разумной. Мы постоянно воспринимаем информацию, обдумываем ее и иногда действуем на основании обдуманного. Но в действительности аналогия эта должна быть прямо противоположной. Мозг возник не для того, чтобы обрабатывать информацию. Мозг у живых существ развивался для контроля над движениями. И действительно, у всех животных, обладающих мускулатурой, имеется нервная система, а у всех обладателей нервной системы имеется мускулатура[20]. Из этого взаимно однозначного соответствия между нервной системой и мускулатурой следует один неизбежный вывод, составляющий первый принцип функционирования мозга:

Наличие мозга у животных связано с необходимостью выполнять действия.

Однако действия эти зависят не только от строения животного, но и от среды его обитания[21]. И хотя обработкой информации мозг, несомненно, занимается, она необходима лишь постольку, поскольку облегчает действие. Более того, животное может контролировать обрабатываемую информацию – это называется активным восприятием[22]. И где-то в этой тесной взаимосвязи между мозгом и остальным организмом скрывается разум животного[23].

Чтобы разобраться, почему сложилось именно так, давайте вернемся к происхождению животных и их нервной системы.

Хотя первые формы жизни возникли четыре миллиарда лет назад (вскоре после образования самой планеты), прошло три миллиарда лет, прежде чем появились животные. До этого в атмосфере, вероятно, не хватало кислорода, чтобы обеспечивать потребности сложных жизненных форм. Но примерно шестьсот миллионов лет назад кислорода накопилось достаточно, и биоразнообразие на планете стало резко увеличиваться (произошел так называемый кембрийский взрыв). Многоклеточные организмы стремительно усложнялись, возникли первые представители тех, кого уже можно считать животными. Выглядели они примерно как современные медузы.

У медузы имеется нервная система и мышечное кольцо для реактивного движения. Но мозга у медузы нет. У нее и ее родственников, относящихся к биологическому типу стрекающих, есть нервная сеть. Разница между мозгом и нервной сетью – в степени централизации. Нервная сеть – это довольно простая нервная система, встречающаяся обычно у тех животных, которым не свойственны сложные движения.

Между тем, несмотря на отсутствие централизованного диспетчерского центра, нервные сети медузы позволяют ей предпринимать на удивление разнообразные действия. Хищные медузы чуют добычу, коснувшуюся шлейфа их стрекательных органов – нематоцистов. Сигнал о контакте идет по нервной сети, провоцируя срабатывание нематоциста и загарпунивание добычи. Сознание в этом не участвует. Собственно, осознавать происходящее просто некому и нечем ввиду отсутствия централизованной системы, которая отслеживала бы деятельность систем организма. Медузы – это, по сути, океанские зомби.

Что обычно хорошо заметно в строении медузы – радиальная симметрия. Это живая труба. Благодаря такой геометрической форме нервная сеть тоже имеет трубчатую конфигурацию.

Следующий крупный скачок в ходе эволюции нервной системы случился, когда от радиальной симметрии животные перешли к двусторонней. Представьте себе трубу, которую сплющили по всей длине. Радиальная симметрия у нее исчезает, остается лишь симметрия по отношению к продольной оси, и тем самым создается противопоставление лево – право, перед – зад. С таксономической точки зрения именно эти сплющенные трубки и были первыми двусторонне-симметричными животными. В простейшей форме они выглядели как плоские черви.

Вместе с двусторонне-симметричным организмом делалась плоской и нервная сеть. То, что прежде было радиально симметричным, сжималось в две жилы, проходящие вдоль левого и правого боков и связанные между собой редкой поперечной сетью. Как и у медузы, один конец трубы отличался от другого. У этих новых живых существ отчетливо выделялись голова и хвост. Двусторонне-симметричная нервная система – это наглядная демонстрация того, что происходит, когда нейроны ужимаются до непосредственной близости друг с другом. У них появляется возможность сформировать больше связей. А рост числа связей ведет к более сложным вычислениям. Одна из важнейших задач нервной системы двусторонне-симметричного живого существа – координировать действия левой и правой сторон. Нельзя, чтобы лево и право действовали наперекор друг другу. Так у первых двусторонне-симметричных существ появился первый примитивный центр управления.

Даже на этой ранней стадии эволюции животных заметно, как неразрывно нервная система связана с движением. Для того чтобы всего лишь извиваться в одном направлении, требуется высокая степень координации. Координация настолько важна, что у человека за нее по-прежнему отвечают значительные участки спинного мозга и стволовой области головного – напоминание о нашем бесхребетном прошлом.

Но чтобы разобраться в нескольких ключевых принципах функционирования мозга, нам не нужно восстанавливать весь ход эволюции от червей до современных видов животных. Во-первых, хотя эволюционное развитие и нелинейно, координация левой и правой сторон настолько значима, что это решение, единожды найденное и опробованное, «внедрялось» у всех последующих видов. Во-вторых, как только нервная система обрела функцию контроля над телом, следующей жизненно важной функцией стало принятие решений. Для этого животному потребовался мозг. Таким образом, мы возвращаемся к принципу первому:

Наличие мозга у животных связано с необходимостью выполнять действия.

[17] W. James, The Principles of Psychology (New York: Henry Holt, 1890); I. P. Pavlov, Conditioned Reflexes (Oxford: Oxford University Press, 1927); E. L. Thorndike, Animal Intelligence (New York: Macmillan, 1911); B. F. Skinner, The Behavior of Organisms: An Experimental Analysis (New York: Appleton-Century-Crofts, 1938).

[18] A. Newell and H. A. Simon, Human Problem Solving (New York: Prentice-Hall, 1972).

[19] D. E. Rumelhart, J. L. McClelland, and PDP Research Group, Parallel Distributed Processing: Explorations in the Microstructure of Cognition (Cambridge, MA: MIT Press, 1986); P. S. Churchland and T. J. Sejnowski, The Computational Brain (Cambridge, MA: MIT Press, 1992).

[20] G. Jékeley, F. Keijzer, and P. Godfrey-Smith, “An Option Space for Early Neural Evolution,” Philosophical Transactions of the Royal Society B 370 (2015): 20150181.

[21] F. J. Varela, E. Thompson, and E. Rosch, The Embodied Mind: Cognitive Science and Human Experience (Cambridge, MA: MIT Press, 1991).

[22] L. P. J. Selen, M. N. Shadlen, and D. M. Wolpert, “Deliberation in the Motor System: Reflex Gains Track Evolving Evidence Leading to a Decision,” Journal of Neuroscience 32 (2012): 2276–2286.

[23] A. R. Damasio, Descartes’ Error: Emotion, Reason, and the Human Brain (New York: G. P. Putnam, 1994).