Мозг против мозга. Mind vs brain: читать начало книги онлайн

Современный коннектом. Организация связей белого вещества мозга человека (Fornito A. et al., Fundamentals of brain network analysis., 2016)

Как же это работает? Представьте себе государственное устройство обычного типа. Во главе – президент, министры, их замы, руководители отделов и, наконец, офисные работники. Предположим, президент вызывает министра и в кратких, но доходчивых выражениях ставит перед ним важную задачу. Это показывают в новостях, обсуждают, комментируют. Это и есть «активация», она привлекает внимание. Затем министр возвращается в свой кабинет, вызывает замов и демонстративно ставит перед ними задачу. Он и ответственный за выполнение работы сотрудник дают интервью, и это тоже «активация». Ответственный сотрудник корректирует ход работы, и это тоже заметно. Если задание важное, то он засиживается в кабинете, и все видят, что он вовлечен в работу. Но одновременно текущие задания распределяются среди клерков, которые степень своей вовлеченности не меняют: они продолжают заниматься своими рутинными делами (но уже в рамках выполнения этой новой задачи), по-прежнему работают с девяти до восемнадцати. Финансовый отдел конструирует бюджет, как он это всегда делает. Порядок работы, его темп не изменились: постройка самолета или строительство жилого дома – процесс бюджетирования одинаковый. Такое же, как обычно, количество звонков, исходящих и входящих. Они спокойно работают и раз в неделю или в десять дней посылают служебные записки, которыми руководствуются другие отделы. То есть они не активированы, а перенаправлены на выполнение другой задачи.

Так вот, продолжая аналогию: начальники – это активационные звенья, а клерки – скрытые. Вообразив такую картину, по-другому начинаешь понимать основу быстродействия мозга. Внутри маленьких объемов скрытых звеньев можно представить более быстрые, чем синаптические, способы обмена информацией, которые не действуют при больших расстояниях. Тогда можно предположить, что самоорганизация мозга происходит не сразу в целом мозге, а сначала в этих микросистемах, и уже потом «начальники отделов договариваются» между собой.

Это кардинально другие временны́е рамки. Одно дело, когда считается, что в мозге всё со всем связано и каждый нейрон должен знать обо всех других (это как если бы каждый солдат был бы в курсе деятельности каждого другого солдата в армии), и совсем иначе, если его интересует только его собственный взвод. А полковник уже в курсе состояния дивизии. И так далее… Получается, на фМРТ мы видим лишь активацию штаба, потому что только его работа существенно меняется в зависимости от результата.

Это совершенно новый взгляд на организацию самосогласованной работы мозга, объясняющий, каким образом при малом быстродействии можно объединить миллиарды нейронов. Действительно, если считать, что единственным средством коммуникации нейронов является синаптическая передача и распространение нервного импульса подчиняется механизму, открытому Ходжкиным и Хаксли (за что они получили Нобелевскую премию), то понятно, что скорость общения нейронов удручающе мала – в районе километра в секунду. Скорость же реакции мозга на изменение ситуации – доли секунды. Как же можно вызвать самосогласованную реакцию 10 миллиардов нейронов при такой малой скорости взаимодействия? С учетом этих новых данных понятно как: все низовые клерки и отделы продолжают работать, как и раньше, а меняется лишь работа штаба, на его реорганизацию необходимо существенно меньшее время.

Между прочим, это и объяснение устойчивости мозга: «отделы в министерстве» все время реорганизуются, иногда сокращаются, а мозг продолжает работать. Это касается и набившего оскомину вопроса почти всех журналистов: правда ли, что мозг использует только 5–10 % своих возможностей. Нет, неправда. Просто активность скрытых звеньев мы не видим.

Итак, системная организация работы мозга существенно сложнее, чем предполагалось ранее. Причем она состоит не только из жестких и гибких звеньев, как было показано в работах Н.П. Бехтеревой, но также из видимых и скрытых звеньев. Ну и еще одна аналогия. Получилось, как если бы мы смотрели транспортную структуру города и не понимали, как троллейбусы и автобусы перевозят множество людей. Их же явно не хватает. И вдруг узнали, что есть метро. А ведь сейчас именно метро перевозит бо́льшую часть пассажиров. Когда ломается автобус – это мелкая задержка. А когда останавливается метро – кризис.

Подытожим: обнаружен новый класс мозговых систем: системы, состоящие из активируемых в контексте задачи звеньев и скрытых звеньев, работа которых связана с контекстом задачи, но не проявляется в виде активации.

Знание того, какие структуры принимают участие в обеспечении той или иной деятельности (являются элементами нейроанатомических систем) является необходимым, но недостаточным.

Для понимания механизмов работы мозга необходимо знание того, как именно структуры мозга взаимодействуют друг с другом и как меняются их отношения в зависимости от характеристик реализуемой деятельности.

Что ж, стало яснее, что изучать…

Глава 5. Внутренний голос или внутренний цензор

Механизм детектора ошибок

Ученые склоняются к мысли, что «внутренний голос» – не что иное, как накопленный в течение жизни опыт. Например, человек видит какие-либо признаки опасности, но полностью осознать увиденное не успевает. Однако, основываясь на этих признаках, мозг молниеносно дает команду, которую мы считаем подсказкой «внутреннего голоса». Мы можем инстинктивно остановиться посреди улицы или, напротив, резко ускорить шаг, заметив краем глаза падающую с крыши сосульку или кирпич. Осознать, что ему грозит опасность, человек не успевает, однако мозг действует быстрее и дает команду, что делать. Можно сказать, что у этого феномена есть точное научное определение – детектор ошибок, один из основных механизмов работы мозга, который был впервые экспериментально открыт и описан в 1968 году в Ленинграде Натальей Бехтеревой и Валентином Гречиным (рис. 39).

Рис. 39. Авторы открытия механизма детекции ошибок Н.П. Бехтерева и В.Б. Гречин

История открытия весьма необычна. Произошло это во время лечебного сеанса пациента с болезнью Паркинсона при помощи вживленных в мозг долгосрочных тонких электродов. Лечение требует крайней осторожности, ведь это прямое воздействие электрическим током на вещество мозга. С помощью такой методики можно было одновременно исследовать поведение мозга путем регистрации различных сигналов с электродов. При этом никакого воздействия на сам мозг не проводилось, следовательно, это было абсолютно безопасно для больного.

Такая возможность прямого контакта с мозгом стала настоящим прорывом в исследованиях с начала 1960-х годов. Общепринятая методика была такова: больному предлагали выполнять определенные задания и на различных приборах регистрировали, что происходит в мозге при их выполнении. Задания были самыми разнообразными. Прочитать на память стихотворение, прослушать рассказ, произвести в уме некоторые арифметические действия и т. п. – при этом фиксировались изменения сигналов, появляющиеся во время исполнения заданий. Эти исследования позволяли без ущерба для больного получить массу интереснейших и важнейших данных о работе мозга. Разумеется, все сеансы проводили под строжайшим контролем врача.

Это было время великого энтузиазма, когда практически каждый день мы узнавали что-то новое. Работа была тяжелейшей. Компьютеров не было, исследователь линейкой измерял амплитуды и интервалы с утра до глубокой ночи. Кстати, и весело отдыхали. Сложился даже свой фольклор. Молодой исследователь Валечка Чернышова (лауреат Государственной премии СССР профессор В.А. Илюхина) проводила исследование восприятия пациенткой стихов. Пришла комиссия и, естественно, работать в этот час было нельзя. Лишь дождавшись ее ухода, Валя начала проникновенно, с выражением, читать: «Ты жива еще, моя старушка…»

Именно тогда выработался подход, который оказался очень плодотворным и с различными вариациями используется сейчас. Почему? Как он организован? Дело в том, что исследователь ставит задачу изучить определенный вид деятельности. Человек же одновременно (мы еще поговорим, что значит «одновременно») выполняет множество действий. Нам нужно разделить, что в сигнале отражает информацию об интересующих нас событиях, а что связано с другими действиями. Например, он выполняет арифметические действия и одновременно размышляет, что будет на обед. Чтобы избежать «перемешивания золота и песка», используют следующий прием. Каждое задание испытуемые выполняют как минимум дважды, парами, но первое задание немножко отличается от второго. Например, в первом задании цифры надо складывать и называть текущую сумму, а во втором – просто повторять. Таким образом, в первом задании есть арифметические операции, а во втором их нет. Далее, сравнивая регистрируемые сигналы, замечают в первом какие-то особенности, которых нет во втором. Делают вывод, что именно эти особенности связаны с мозговым обеспечением арифметических операций.

Начиная с 60–70-х годов на протяжении 25 лет активно велись исследования сигналов с имплантированных электродов при выполнении различных видов деятельности. Такую возможность, напомню, имели всего три лаборатории в мире; пожалуй, наиболее продвинутой была лаборатория (отдел) Н.П. Бехтеревой. Имплантированные электроды были, по ее классификации, первым прорывом в изучении механизмов деятельности мозга; эти исследования дали совершенно фантастические результаты, о которых я расскажу ниже. Но наиболее драматичной оказалась судьба открытия, с которого мы начали эту главу, – механизма детекции ошибок.

Итак, во время очередного лечебного сеанса измерялось так называемое напряжение кислорода – показатель, который оценивает снабжение данного участка мозга артериальной кровью, насыщенной кислородом, – мозговой кровоток. Испытуемый выполнял задание. Самописец исправно чертил кривые. И вдруг пациент ошибся. Ну, скажем, вместо 2 × 2 = 4 сказал «пять». И потребление кислорода на одном из участков повысилось. Сначала врачи-исследователи подумали, что это случайность, и продолжили сеанс. Но задание было довольно напряженным, поэтому ошибка повторилась, кривая показала тот же рисунок. (Для специалистов это не рисунок, а паттерн – понятие, которое ввел Грей Уолтер.) Заинтересовались. Оказалось, что каждый раз, когда испытуемый делал ошибку, паттерн повторялся (рис. 40).

Рис. 40. Открытие механизма детекции ошибок в мозге человека: а – отсутствие реакции на ошибку; b – воспроизводимая реакция на ошибку.

Замечу сразу, что это были не собственно ошибки, а, скорее, оговорки. Правильное решение человек знал, но путал слово в знакомом стихотворении, неправильно называл цвет и т. п. Если он принимал заведомо неверное решение, то паттерн не появлялся. Результаты этих экспериментов были опубликованы в 1968 году в научном англоязычном издании. В статье этот феномен был назван детектором ошибок.

Открытие детектора ошибок было важнейшим событием в науке о мозге. Мы более или менее знаем физическую географию мозга, но наше понимание механизмов его работы существенно слабее. Открытие детектора ошибок было прорывом в исследовании именно этих механизмов.

Через десять лет известный финский ученый профессор Ристо Наатанен обнаружил похожее явление, названное им негативностью рассогласования. Суть его в следующем. Представьте, что вы собираете в лесу грибы; значит, ваше внимание сосредоточено на зрении. Но в лесу всегда слышны шорохи, шелест листвы – обычные звуки леса, на которые вы, увлеченный поиском грибов, не обращаете внимания. Вы их как будто не слышите. Но вдруг ваш слух выхватывает необычный, выбивающийся из общего ряда звук. Вы немедленно останавливаетесь и осматриваетесь. О, появилось какое-то животное (хорошо, что не волк или медведь…).

Что же произошло? Вы поглощены своим делом (сбором грибов), а в вашем мозге все время дежурит часовой. Причем задача часового – не отслеживать, правильный ли это лес, все ли в порядке; для этого ему необходимо знать, какие бывают леса, каковы характеристики леса, а это потребовало бы хранения огромного массива информации. По аналогии он должен быть и в курсе того, какие бывают улицы, моря, степи и т. д. Нет. Когда вы попадаете в лес, ваш часовой быстро собирает общую картину, обрабатывает ее, закрепляет, считая стабильной, а потом мониторит текущую обстановку, проверяя, не изменилось ли что. Если возникают изменения, сообщает сознанию. Его задача – обратить на это изменение внимание, а там пусть уж человек сам принимает решение, что ему делать. Задача часового – следить за отклонениями от стандарта.

Судьба этого открытия, как это часто случается в истории науки, была если не драматичной, то по крайней мере с богатым сюжетом. Как писала сама Н.П. Бехтерева, «про детектор ошибок можно сочинить если не роман, то уж точно повесть». В России спокойно себе исследовали детектор ошибок, в Финляндии – негативность рассогласования, писали и публиковали статьи. Но в начале 1990-х вдруг возник детективный сюжет. В 1991 году немецкий нейрофизиолог Михаэль Фалькенштейн, а в 1993 году исследователь мозга из США Уильям Геринг описали феномен, который также назвали детектором ошибок. Никаких ссылок на Бехтереву и Наатанена не было. В ответ на их недоуменные послания, а также на письма некоторых ученых, знающих ситуацию с приоритетом, «переоткрыватели» детектора сообщали, что никто не обязан цитировать то, что не хочет. После этого в мировой научной литературе возник буквально бум работ, посвященных феномену детекции ошибок. В единичных статьях были ссылки на российских ученых, но в большинстве они отсутствовали. Постепенно благодаря неимоверным усилиям по восстановлению справедливости наш приоритет признали, но, к сожалению, Бехтеревой и Гречина уже нет в живых.