Вы не авторизовались

Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем бесплатное чтение

Мигель Николелис
Истинный творец всего
Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

Издание осуществлено при поддержке «Книжных проектов Дмитрия Зимина»

This edition published by arrangement with Levine Greenberg Rostan Literary Agency and Synopsis Literary Agency

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Издательство CORPUS ®

* * *

Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека фонда „Династия“».

Дмитрий Борисович Зимин — основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг «Библиотека фонда „Династия“», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте

ziminbookprojects.ru

Учителям, которые открыли для меня разные стороны Истинного творца всего:

Рикардо Хуаресу Аране, Сезару Тимо-Иариа, Джону Чепину, Рику Лину, Джону Каасу и Рональду Сикурелу

Предисловие научных редакторов

Мигель Николелис — всемирно известный нейроученый бразильского происхождения, большую часть своей жизни проработавший в Университете Дьюка в городе Дареме, расположенном в американском штате Северная Каролина. Здесь он возглавил большой научный коллектив, работавший над проблемами нейрофизиологии и нейроинтерфейсов. Широкую известность получили публикации ученых из этого коллектива по интерфейсам, управляющим движениями протезов рук и ног, интерфейсам с очувствлением и интерфейсам, включающим несколько мозгов, — мозговым сетям.

В книге «Истинный творец всего» Николелис не только описывает последние работы своей лаборатории, но и делает попытку широкого и глубокого обобщения, основанного на экспериментальных и теоретических данных и философских размышлениях и рисующего человеческий мозг как центр вселенной, во всяком случае той вселенной, которая доступна нашему восприятию и пониманию.

Согласно Николелису, человеческий мозг — плод миллионов лет эволюции, через череду случайных событий приведших к тому, что организмы смогли создавать островки пониженной энтропии, необходимые для поддержания жизнедеятельности, обучились воспринимать окружающий мир через органы чувств, мыслить и социально взаимодействовать через мозговые сети, в которых нервные системы отдельных организмов синхронизируются в процессе коллективных действий. Такое взаимодействие может нести и пользу, и вред, как, например, мозговые сети, неоднократно образовывавшиеся на протяжении истории человечества для ведения войн. Под мозговыми сетями, разумеется, имеется в виду не прямое взаимодействие мозгов, как в телепатии, а взаимодействие, опосредованное через нормальные каналы связи, такие как зрение, слух, обоняние и тактильная чувствительность. Несмотря на непрямой характер коннективности, в мозговых сетях могут происходить процессы, похожие на обработку информации в нейронных сетях индивидуальных мозгов, такие как, например, пластичность по принципу Хебба — укрепление синаптических соединений при возбуждении зон мозга одновременно с притоком сенсорной информации и сигналов подкрепления. В настоящее время мы находимся на этапе, когда на формирование мозговых сетей оказывают активное влияние новейшие технологии — мобильные телефоны, интернет, роботизация и искусственный интеллект.

Если экспериментальные результаты, описываемые Николелисом, находятся в лоне традиционной нейронауки, изучающей активность и взаимодействие нейронов в разных условиях, то теоретические воззрения автора, по его собственному признанию, менее традиционны и могут быть отнесены к разряду дискуссионных. Так, излагая свою теорию, Николелис утверждает — опираясь на умозрительные положения, — что существенную роль в работе мозга играют генерируемые им самим слабые магнитные поля, измеряемые в пикотеслах. Согласно Николелису, эти магнитные поля, источником которых являются пучки нервных волокон — «биологические соленоиды», позволяют нейронам в разных отделах синхронизироваться и работать как аналоговый органический компьютер, принципиально отличающийся от полупроводниковых цифровых компьютеров.

Николелис утверждает, что благодаря магнитным полям и осуществляемым ими аналоговым операциям мозг человека способен переводить информацию Шеннона в «информацию Гёделя» — ментальную абстракцию, которую нельзя ни свести к операциям цифровых компьютеров, ни моделировать посредством вычисляемых (алгоритмически задаваемых) функций. Лишь такой аналоговый компьютер мозга способен преодолеть ограничения, накладываемые на формальную логику теоремами Гёделя, которые доказывают неминуемое существование проблем, которые невозможно решить. Вместе с тем Николелис допускает, что мозг может выполнять и цифровые операции посредством импульсов, генерируемых нейронами в режиме «все или ничего». Эти теоретические построения Николелис распространяет и на более высокий уровень организации — мозговые сети, определяющие социальные явления в обществе. Поскольку концепция, излагаемая Николелисом, не имеет прямых экспериментальных подтверждений, читатель может рассматривать ее как нетривиальный взгляд на работу мозга.

Основываясь на базовых представлениях о цифровых и аналоговых операциях, осуществляемых мозгом и мозговыми сетями, Николелис трактует широкий круг проблем, включая происхождение живого из неживого, появление разума и сознания, механизмы памяти, вопросы истории, религии, войны и мира, роботизацию и искусственный интеллект. Николелис убежден, что человеческий мозг — это уникальный продукт эволюции, работу которого нельзя смоделировать с применением цифровых компьютеров и алгоритмов искусственного интеллекта. Более того, Николелис считает, что мозг фактически является творцом всего, поскольку свойства внешнего мира, например время и пространство, порождаются мозгом, а не существуют независимо от него. Будь на нашем месте инопланетяне, у них были бы совершенно другие представления о вселенной и ее законах.

Книга написана богатым литературным языком и содержит массу сведений, стимулирующих работу ума даже самого искушенного читателя.

Михаил Лебедев,

профессор МГУ имени М. В. Ломоносова, главный научный сотрудник ИЭФБ РАН, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭ

Дария Клеева,

сотрудница Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ

Предисловие автора

Когда в 2007 году Бразилия была официально объявлена организатором чемпионата мира по футболу 2014 года, я выступил с предложением представить миру новейшие достижения в области исследований мозга и показать, как много мы можем сделать для улучшения жизни людей. После пяти лет подготовки я встретился с президентом Бразилии и генеральным секретарем ФИФА и предложил организовать научную демонстрацию во время церемонии открытия чемпионата. Главной целью этого мероприятия было показать, что новые технологические возможности и понимание основ функционирования человеческого мозга вплотную подвели нейробиологов к огромному прорыву — обретению возможности восстановить подвижность миллионов людей, парализованных в результате повреждений спинного мозга.

Я предложил организаторам церемонии открытия чемпионата мира дать сделать символический первый удар по мячу молодому бразильцу, полностью парализованному ниже пояса из-за повреждения спинного мозга. В ответ организаторы немедленно задали мне вопрос, который задали бы любому человеку, выдвинувшему столь смелый план: как человек с параличом нижних конечностей может ударить по мячу? Мой ответ привел их в еще большее замешательство: с помощью роботизированного экзоскелета нижних конечностей, полностью контролируемого его или ее мозгом, спокойно ответил я.

К моему полнейшему удивлению, организаторы согласились.

Легкая часть задачи была решена. Теперь предстояло решить трудную часть — воплотить идею в реальность.

Для этого я создал международный благотворительный проект «Снова ходить». За несколько месяцев к нам присоединились десятки инженеров, нейробиологов, робототехников, программистов, врачей, специалистов по реабилитации и техников самого разного профиля из 25 стран. Следующие 18 месяцев были самым сумасшедшим периодом в моей жизни и, возможно, в жизни всех участников проекта. К ноябрю 2013 года восемь крепких духом бразильских пациентов с парализованными конечностями вызвались участвовать в проекте «Снова ходить». Каждый день на протяжении последующих шести месяцев эти люди практиковали уникальное упражнение. Сначала они представляли себе, как ходят на собственных ногах. Затем, при помощи нейроинтерфейса, распознающего электрические сигналы мозга и передающего их роботизированному экзоскелету, в который были заключены их парализованные конечности, они силой мысли начинали передвигать механизированные ноги.

И в результате в холодный зимний (в Южном полушарии) день 12 июня 2014 года, точно в 15 часов 33 минуты по бразильскому времени, Джулиано Пинто (см. рисунок на титульной странице) — один из добровольцев проекта «Снова ходить» — сделал последнее усилие, чтобы распрямить свое тело. Закованный в новехонький роботизированный каркас, он в напряжении стоял на краю футбольного поля с еще не примятой травой. С трибун за ним пристально наблюдали 65 тысяч футбольных фанатов, не говоря уже более чем о миллиарде телезрителей по всему миру. Джулиано готовился вершить историю.

В момент истины в тот зимний день я и еще 24 члена команды проекта «Снова ходить» стояли буквально в нескольких шагах позади Джулиано. Церемониальный футбольный мяч лежал у его правой ноги. Чтобы дать представление о том, как работает экзоскелет, мы провели две длинных полосы из светодиодов от краев шлема Джулиано до нижней части ног экзоскелета. Джулиано запустил экзоскелет, и лампочки ритмично замигали синим.

Мы были готовы начинать!

Со всей энергией, болью и надеждой человека, знающего, каково это — провести почти десять лет прикованным к инвалидному креслу, Джулиано совершил движение, которое еще шесть месяцев назад казалось для него невозможным. Его мозг сгенерировал электрические сигналы, содержащие необходимые двигательные инструкции, а компьютер экзоскелета превратил мысленное желание Джулиано двигаться в координированную последовательность движений роботизированной ноги. В этот момент мигающее свечение синих светодиодных полос сменилось быстрой последовательностью чередующихся зеленых и желтых световых импульсов, бегущих от шлема Джулиано через раму экзоскелета прямо к его ногам.

Казалось, время замедлилось. За незабываемую долю секунды Джулиано сначала отклонился влево, смещая вес в результате слитного движения его собственного туловища и балансирующей системы экзоскелета. Затем под действием мягкой направляющей силы металлического каркаса его правая нога двинулась назад, готовясь к знаменитому бразильскому удару. Достигнув самой верхней точки замаха, его тело подалось вперед, чтобы выполнить самый невероятный на свете удар.

Джулиано Пинто в экзоскелете

И когда правая нога гордого и вновь целого бразильца ударила по мячу, заставив тот мягко покатиться к краю деревянной площадки, Джулиано издал громкий, выстраданный гортанный крик, вскинув сжатую в кулак правую руку к серому бразильскому небу, чтобы отпраздновать свой успех. Всех нас переполняло ощущение, что произошло нечто совершенно невероятное. Мы бросились к Джулиано, и тот оказался в объятиях толпы с такой концентрацией ученых, какая не радовалась голу ни в одном футбольном матче. Среди объятий и поцелуев, его и наших слез Джулиано выкрикнул слова, выразившие глубокую и неожиданную суть произошедшего: «Я почувствовал мяч! Я почувствовал мяч!»

Впереди нас ждали и другие сюрпризы. Согласно клиническому протоколу, которому мы следовали в ходе работы над проектом «Снова ходить», пациенты должны были регулярно проходить неврологическое обследование. Это был не более чем стандартный осмотр, поскольку их состояние оставалось неизменным уже многие годы — они были полностью парализованы и не чувствовали ничего ниже поврежденного участка позвоночника. Мы совершенно не рассчитывали обнаружить какие-либо изменения в их неврологической картине. Но вдруг одна из наших пациенток сообщила врачу, что во время отдыха на пляже впервые за четырнадцать лет отчетливо ощутила кожей ног тепло от лучей солнца. Мы стали подозревать, что происходит нечто необычное.

Повреждения спинного мозга классифицируют по специальной шкале, разработанной Американской ассоциацией спинальной травмы (American Spinal Cord Injury Association, ASIA). Семеро из наших пациентов относились к группе ASIA A, что означает полный паралич и отсутствие тактильной чувствительности ниже места повреждения спинного мозга. Восьмой пациент относился к группе B — полный паралич при наличии некоторой остаточной чувствительности ниже места повреждения.

Клинические данные, собранные нами к августу 2014 года, привели нас в замешательство: после восьми месяцев упражнений наши пациенты демонстрировали очевидные признаки клинического улучшения — их ноги вновь обретали способность к произвольным движениям и тактильную чувствительность; улучшалась их способность контролировать функцию кишечника и мочевого пузыря.

Удивленные такими результатами, через три месяца мы повторили весь набор неврологических тестов, чтобы исключить фактор временных клинических отклонений. К началу 2015 года данные показывали совершенно невероятную картину. Налицо было не только явное и уверенное улучшение клинического состояния пациентов, но и восстановление их двигательных, сенсорных и висцеральных функций. Пациенты вновь обретали способность произвольным образом сокращать многие мышцы голеней и бедер, и как минимум трое могли выполнять сложные произвольные движения ногами, находясь на подвеске. Один из них мог даже «снова ходить» в воздухе.

Кроме того, когда мы объединили и усреднили результаты нескольких тестов на соматическую чувствительность, выяснилось, что пациенты стали восприимчивее к боли и начали лучше опознавать тактильную стимуляцию на участках тела значительно ниже поврежденного участка спинного мозга. Также значительно усилились ощущения давления и вибрации.

В конечном итоге к концу 2015 года благодаря этим неожиданным неврологическим улучшениям все семеро пациентов, продолжавших упражнения (один пациент вынужден был покинуть проект в конце 2014 года), перешли в группу ASIA C, что означает, что теперь они считались лишь частично парализованными! Например, Джулиано Пинто теперь неотчетливо ощущал прикосновения к его стопам и пальцам ног!

Но и это было еще не все. В 2016 году двое из наших пациентов, включая Джулиано, поправились настолько, что могли воспользоваться методом нейрореабилитации, который называют неинвазивной функциональной электростимуляцией. До тренировок по нашей программе этот метод стимуляции, при котором для улучшения мышечных сокращений поверхность кожи подвергают воздействию слабых электрических токов, был бы для них бесполезен. Теперь же двое из них могли ходить с помощью простых ходунков, опирая на землю 30–40 % массы тела. К концу 2017 года они могли проходить уже почти по 5000 шагов с такой минимальной поддержкой.

Дальнейшие клинические исследования показали, что наши пациентки начали вновь ощущать сокращения в брюшной полости, свидетельствовавшие о приближении менструаций. У одной из участниц проекта функции внутренних органов и тактильные ощущения в области промежности восстановились настолько успешно, что она решила во второй раз забеременеть. Девять месяцев спустя, испытав в положенный срок толчки ребенка и схватки, она родила здорового мальчика.

Кроме неожиданного улучшения клинических показателей, мы обнаружили, что наша программа нейрореабилитации сумела помочь нашим пациентам переосмыслить собственное самовосприятие. В результате их мозг принял синтетическое устройство — роботизированный экзоскелет — в качестве полноценного продолжения их биологического тела!

Всех нас больше всего интересовал один и тот же вопрос: какие механизмы или свойства мозга могли вызвать эти радикальные перемены в ощущениях пациентов и привести к таким удивительным и беспрецедентным неврологическим улучшениям?

Возможно, для многих удар Джулиано в тот день стал настоящим символом наступления эры кибернетики или гимном трансгуманизму, но лично я придерживаюсь диаметрально противоположной точки зрения. Там, где многие увидели триумф гибридного и бесшовного сопряжения человека и машины, я обнаружил очередное явное свидетельство непревзойденной и поистине воодушевляющей адаптивной мощности, которую человеческий мозг раз за разом демонстрировал на протяжении всей нашей истории всякий раз, когда ему приходилось сталкиваться с неизвестными прежде обстоятельствами.

Пытаясь в полной мере обосновать такую интерпретацию и мою убежденность в том, что человеческий мозг является органическим вычислительным устройством, с которым не может сравниться ни одна когда-либо созданная машина, включая самую мощную и успешную из всех — цифровой компьютер, я вскоре понял, что современной нейробиологии требуется совершенно новая теория. Теория, которая наконец покажет, как миллионы лет эволюции человеческого мозга сделали его Истинным творцом всего.

Вначале

Истинный творец всего сказал:

Да будет свет!

А после короткого молчания

провозгласил:

И да будет

E = mc²

Глава 1
Вначале…

Вначале был только мозг приматов. И из глубин этой сложной и запутанной сети из 86 миллиардов нейронов в результате слепого эволюционного пути и множества ментальных «больших взрывов» за миллиарды лет возник человеческий разум. Свободный, ничем не ограниченный и быстро расширяющийся, словно некая биологическая плазма, он вскоре образовал континуум, породивший гремучую смесь из прямохождения, ловкости рук, умения изготавливать орудия труда, устной и письменной речи, сложных социальных взаимодействий, абстрактного мышления, способности к рефлексии, сознания и свободы воли. Из того же ментального котла вышло самое комплексное представление о времени и пространстве, которое когда-либо порождала органическая материя, послужившее идеальной основой для появления множества ментальных абстракций — поистине священных органических скрижалей, на которых зиждется человечество. Вскоре эти ментальные построения стали определять сущность человеческого бытия и цивилизации: от нашего эгоистического самовосприятия до глубочайших верований, сложных экономических и политических структур, а также уникального нейронного воспроизведения окружающего мира. Из простых электромагнитных возмущений нервных клеток возник великий скульптор нашей материальной реальности, виртуозный композитор и единоличный архитектор нашей героической и трагической истории, самый талантливый исследователь глубочайших тайн природы, неутомимый искатель ускользающей истины о нашем происхождении, искусный иллюзионист, неортодоксальный мистик, артист со множеством талантов, лирик, облекающий в свои несравненные нейробиологические рифмы любые мысли, изречения, мифологические метафоры, наскальные рисунки, религиозные догмы, письменную историю, научные теории, памятники, экспедиции первооткрывателей, чудовищный геноцид и грандиозные завоевания, а также каждый жест любви, каждую мечту или галлюцинацию, когда-либо испытанную каким-либо гоминидом на этой несовершенной голубой планете, которую мы называем своим домом.

И тогда, примерно через 100 тысяч лет после стремительного взлета, Истинный творец всего оглянулся назад на свои невероятные творения и, к собственному удивлению, обнаружил, что создал совершенно новую вселенную.

«Истинный творец всего» — это рассказ о том, как работает человеческий мозг, и о его центральном месте в космологии человеческой вселенной. Под человеческой вселенной я понимаю гигантский набор знаний, восприятий, мифов, верований и религиозных представлений, научных и философских теорий, культурных, моральных и этических традиций, интеллектуальных и физических достижений, технологий, искусства и всех других побочных продуктов, которые возникают в процессе работы человеческого мозга. Если говорить коротко, человеческая вселенная — это все плохое и хорошее, что определяет наше наследие как вида. Однако это вовсе не учебник истории и не подробный перечень всего, что известно (или считается известным) нейробиологам о фокусах и трюках человеческого мозга. Скорее это научный труд, цель которого заключается в описании мозга в качестве совершенно новой структуры. Центральная часть повествования посвящена деталям новой теории, объясняющей, как человеческий мозг, самостоятельно или в составе широкой сети других мозгов, реализует свои удивительные функции. Я называю эту новую теоретическую систему релятивистской теорией мозга.

Когда я задумался над созданием книги, я намеревался в основном сосредоточиться на той научной сфере, которой посвящена большая часть моей профессиональной деятельности, — исследованиях мозга. Однако вскоре я понял, что это слишком узкий подход. Масштаб моего интеллектуального труда требовалось значительно расширить и включить области знания, в которые нейробиологи редко забредают в наши дни, — философия, искусство, археология, палеонтология, история вычислительной техники, квантовая механика, лингвистика, математика, робототехника и космология.

После многих месяцев чтения и с растущим разочарованием по поводу того, что мне все еще не удалось найти подходящего начала для моего повествования, я почти случайно наткнулся на великолепную книгу «История искусства» выдающегося немецко-британского историка Э. Х. Гомбриха. Беспокоясь о моем писательском ступоре, моя мать, известная в Бразилии писательница, подарила мне эту книгу на Рождество 2015 года. Прибыв домой поздно ночью, я решил немного почитать перед сном. Но несколько первых предложений полностью меня разбудили. Это было оно! На глянцевой бумаге черным по белому был записан первый виток моей собственной истории. Я так и не закрыл книгу до раннего утра следующего дня.

Вот что писал Гомбрих: «Не существует на самом деле того, что величается искусством. Есть художники. В давние времена они, подобрав с земли кусочки красящих минералов, набрасывали в пещерах фигуры бизонов. В наши дни люди этой породы покупают краски в магазинах и рисуют, например, плакаты, которые мы видим на стенах и заборах. Их руками создано и многое другое»^[1].

Неожиданно я нашел союзника. Кого-то, кто понимал, что без человеческого мозга, этой особенной разновидности мозга приматов, смоделированной и сформированной в результате уникального эволюционного процесса, который, скорее всего, никогда больше не повторится нигде в окружающем нас гигантском космосе, не было бы и искусства, поскольку все проявления артистизма являются побочным продуктом пытливого и беспокойного человеческого разума, жаждущего наложить на внешний мир образы из своей внутренней нейронной вселенной.

Это может показаться крохотным нюансом, маловажным семантическим вопросом о нашем мировосприятии. Однако размещение человеческого мозга в центре человеческой вселенной оказывает огромное влияние на наше восприятие собственной жизни и на выбор будущего, которое унаследуют наши потомки. На самом деле, если заменить всего несколько слов, замечание Гомбриха могло бы послужить началом любой книги, описывающей продукты человеческого мозга, например, книги о физике. Наши физические теории столь успешно описывают природные явления, происходящие на разных пространственных масштабах, что большинство из нас, включая постоянно работающих в этих сферах ученых, забывают, что на самом деле означают ключевые понятия физики, такие как масса или заряд. Мой добрый друг бразильский физик-теоретик Марсело Глейзер из Дартмутского колледжа писал в замечательной книге «Остров знаний»: «Масса и заряд не существуют сами по себе. Они лишь часть информационной картины, которую люди создают для описания мира вокруг себя»^[2].

Мы с Марсело пришли к одинаковому определению человеческой вселенной: если бы иное разумное существо, скажем, знаменитый Спок с планеты Вулкан^[3], прибыл бы на Землю и чудесным образом смог с нами общаться, вероятнее всего, мы бы обнаружили, что объяснения и теории, не говоря уже о фундаментальных концепциях и понятиях, которыми он воспользовался бы для описания его космологических взглядов на вселенную, были бы совершенно не такими, как наши (рис. 1.1). А с чего нам ожидать сходства? В конце концов, мозг Спока был бы совсем не таким, как наш, поскольку являлся бы продуктом эволюционного процесса и культурного развития на Вулкане, а не на Земле. На мой взгляд, ни одно из двух описаний в таком случае не было бы более точным: они бы просто представляли собой результаты двух наиболее удачных попыток двух разных типов органического разума объяснить окружающую их действительность. В конце концов, что бы ни существовало где-то там в этой вселенной возрастом 13,8 миллиарда лет (по человеческим оценкам), с точки зрения нашего мозга (и, осмелюсь предположить, также с точки зрения любого инопланетного мозга) космос представляет собой массу потенциальной информации, ожидающей разумного наблюдателя, способного извлечь из нее знания и практически сразу придать им какой-то смысл.

Рис. 1.1. Мозгоцентрическая космология: описание вселенной, сделанное человеческим мозгом (в данном случае с помощью математических выкладок), с большой вероятностью будет отличаться от описания, созданного центральной нервной системой инопланетного существа (рисунок Кустодио Роса).

Именно в присвоении смысла вещам — в создании знаний — Истинный творец всего выступает во всем своем блеске. Знания позволяют нам адаптироваться к постоянно меняющейся окружающей среде и сохранять способность поглощать новую потенциальную информацию из космического супа. Протоны, кварки, галактики, звезды, планеты, камни, деревья, рыбы, кошки, птицы: в сущности, неважно, как мы их называем (наверняка Спок сказал бы, что у него названия более подходящие). С позиции нашего человеческого мозга все это — разные способы описания сырой информации, поступающей к нам из космоса. Наш мозг дает всем этим объектам имя и (для операционного удобства) значение, но в исходном виде их содержимое всегда одно и то же — это потенциальная информация.

Чтобы вы не подумали, что кто-то что-то подмешивает в воду, которую пьют в детстве бразильские нейробиологи и физики родом из Сан-Паулу или Рио-де-Жанейро, позвольте мне прояснить свою мысль. В большинстве случаев мы говорим о физике как о некой универсальной сущности, живущей собственной жизнью, как Искусство с заглавной буквы «И», о котором говорит Гомбрих. Однако физики per se вообще не существует. На деле существует лишь набор человеческих ментальных конструктов, которые на сегодняшний день обеспечивают наилучшее и наиболее точное описание окружающего нас мира. Физика, как и математика или любая другая отрасль научных знаний, определяется отражениями и отзвуками электромагнитных возмущений, происходивших когда-то в мозгах таких гениев, как Фалес, Пифагор, Эвклид, Архимед, Диофант, Аль-Хорезми, Омар Хайям, Коперник, Кеплер, Галилей, Ньютон, Максвелл, Бор, Кюри, Резерфорд, Эйнштейн, Гейзенберг, Шрёдингер и Штюкельберг, а также многих других.

Таким же образом, данное Гомбрихом определение искусства соответствует фантастической коллекции ментальных изображений, созданных человеческим мозгом, которые за последние десятки тысяч лет были вырезаны, выгравированы, вылеплены, нарисованы или записаны для закрепления внутренних воспоминаний, ощущений, желаний, космологических представлений, верований или предчувствий, записи на самых разных носителях (сначала в человеческих телах, а затем на камнях, костях, дереве, стенах пещер, металле, ткани, мраморе, бумаге, церковных сводах и окнах, видеопленке, CD- и DVD-дисках, в полупроводниковой памяти или в облачном хранилище). В этой коллекции содержатся все творения человека — от потрясающей наскальной росписи, выполненной неизвестными художниками эпохи верхнего палеолита в пещерах Альтамира и Ласко, до работ Боттичелли, Микеланджело, да Винчи, Караваджо, Вермеера, Рембрандта, Тёрнера, Моне, Сезанна, Ван Гога, Гогена и Пикассо, и это если перечислить лишь нескольких художников, превративших незримые мозговые процессы в красочные эпические аллегории человеческого бытия.

В рамках той же логики наши лучшие и наиболее точные описания вселенной — не что иное, как устоявшаяся извилистая история развития ментальных производных, таких как математика и логика, которым обычно присваивают имена их создателей: законы Кеплера для описания движения планет, астрономические наблюдения Галилея, законы движения Ньютона, уравнения Максвелла для электромагнетизма, специальная и общая теория относительности Эйнштейна, принцип неопределенности Гейзенберга или квантово-механические уравнения Шрёдингера.

Рис. 1.2. Три космологических представления, выдвинутых Истинным творцом всего в разные исторические периоды: «Зал быков» в пещере Ласко, расписанный нашими предками из верхнего палеолита; Сикстинская капелла Микеланджело; наиболее современное описание происхождения Вселенной, по данным НАСА (рисунок Кустодио Роса).

Прежде чем возмущенные физики начнут вскакивать со стульев, замечу, что эта идея вовсе не ставит удивительные открытия и достижения сообщества физиков под сомнение, а лишь дополняет их, подтверждая, что физики являются по совместительству талантливыми нейробиологами и способны постичь самые глубинные механизмы человеческого разума (даже если большинство из них обычно отрицают фактор влияния их собственного сознания на процесс научных изысканий). Но эта идея также означает, что поиски священного Грааля в физике — теории всего — не приведут к успеху без учета детальной теории человеческого разума. Большинство консервативных физиков являются ярыми противниками идеи о том, что физиология человеческого мозга имеет какое-либо отношение к формированию основных физических теорий, которые они считают абсолютно объективными. Я же в этой книге рассчитываю доказать, что некоторые из самых загадочных природных явлений, включая такие базовые и древние концепции, как пространство и время, нельзя понять полностью, не поставив на передний план самого наблюдателя — и человеческий мозг.

Ну а теперь — вперед!

Согласно наиболее широко распространенному варианту описания событий, примерно через 400 тысяч лет после сингулярного взрыва, в результате которого образовался космос, наконец выделился свет. Он несся через вселенную, пока не встретил на своем пути кого-то или что-то, что попыталось воссоздать его путешествие и придать произошедшему смысл. На поверхности небольшого голубоватого камня, сформировавшегося около пяти миллиардов лет назад из межгалактической пыли на орбите обычной желтой звезды, затерянной в ничем не примечательном уголке очередной заурядной галактики, этот первозданный свет встретил существ, которые загорелись желанием осмыслить его и при помощи выработанных в ходе эволюции ментальных способностей и инструментов начали настойчиво воссоздавать в своих головах происхождение этой потенциальной информации и определять ее значение. Три космологических представления, изображенные на рисунке 1.2, отражают крошечные фрагменты этого невероятного коллективного труда человеческой мысли. Глядя что на новейшее визуальное описание известной нам вселенной, предложенное НАСА, что на фрески Микеланджело, что на наскальные рисунки из пещеры Ласко, нельзя не затаить дыхания, не ощутить собственную незначительность и глубокое волнение при виде невероятных свершений, достигнутых Истинным творцом всего за такой короткий отрезок времени.

Глава 2
Эволюционное происхождение Истинного творца всего

В тот момент, когда встревоженный донесшимся из кустов высоким свистом бизон поднял из травы свою тяжелую черную голову, его судьба уже была решена.

В условиях плохой видимости из-за окутавшего долину плотного тумана могучий бык испытал отвратительное чувство страха, когда прямо перед ним из густой листвы показалось пламя и раздались дикие гортанные крики и вопли. После секунды растерянного колебания он развернул свое массивное тело и приготовился бежать — одновременно от огня и от орды двуногих существ, выскочивших из кустов и бросившихся в его сторону. В этот момент внезапного перехода от мертвящего страха ко всепоглощающему желанию бежать прочь бык ощутил первый пронзающий удар в спину. Последовавшая за этим вспышка боли была резкой и сильной, но еще прежде, чем он понял, что его ноги уже перестали подчиняться срочным приказам возбужденного мозга, за несколько секунд один за другим последовало еще несколько подобных ударов, решивших его удел. Ему оставалось лишь поддаться слабости, которая начала охватывать его тело, и просто повалиться на землю.

Дикие крики раздавались все ближе и ближе, пока, по необъяснимой причине, не начали стихать, хоть бык и видел теперь, что его окружала большая толпа ликующих охотников, каждый из которых был одет в несколько слоев дубленых шкур животных и держал по грозному каменному клинку, изготовленному умелыми и ловкими руками. Затихающий звук голосов вовсе не означал, что охотники уходили. Скорее, наоборот — они никуда не денутся еще много тысяч лет. Нет, это таяла на глазах способность самого быка воспринимать происходящее. Он проживал свои последние секунды на земле, все еще пораженный тем, насколько стремительно оборвалась его жизнь.

Быка бы это вряд ли утешило, но эта история практически наверняка была потом навеки запечатлена в виде наскального рисунка: чтобы почтить его память и жертву, обучить будущих охотников примененной в то утро тактике и, возможно, отразить веру в мистическое царство, в которое отправился бык, пав жертвой изобретательности нового разрушительного образа жизни, который ему не дано было понять. В свои последние мгновения это великолепное животное никак не могло понять, что его убийство было тщательно спланировано заранее, а затем безошибочно осуществлено самым мощным, изобретательным, эффективным и порой самым смертоносным параллельным органическим компьютером, когда-либо порожденным наугад естественным отбором — человеческой мозгосетью.

Воспроизведение этой сцены первобытной охоты, хоть и вымышленное, отражает некоторые ключевые нейробиологические свойства, возникшие в ходе сложного эволюционного процесса, начавшегося примерно 6 миллионов лет назад, когда наши самые ранние предки отделились от нашего общего с современными шимпанзе предшественника. Этот процесс наделил представителей нашего вида уникальными умственными способностями. Даже сегодня остаются сомнения по поводу точной причинно-следственной цепочки событий, благоприятствовавшей возникновению таких выдающихся неврологических характеристик. И поэтому я хочу, не углубляясь в детали, крупными мазками набросать важнейшие метаморфозы и гипотетические нейробиологические механизмы, позволившие мозгу современного Homo sapiens появиться и завладеть всей планетой. В более узком плане моя задача состоит в том, чтобы описать, каким образом этот органический компьютер (именно так мне нравится называть человеческий мозг) достиг своей нынешней конфигурации и в процессе приобрел способность создавать важнейшие варианты человеческого поведения — необходимый шаг в процессе становления Истинного творца всего в качестве центрального элемента человеческой вселенной.

Исторически первым, что привлекло внимание палеонтологов и антропологов в качестве потенциальной причины усложнения человеческого поведения в ходе эволюции, было увеличение объема нашего мозга. Этот процесс, называемый энцефализацией, начался примерно 2,5 миллиона лет назад (рис. 2.1). До этого у первых двуногих гоминидов, таких как представительница вида Australopithecus afarensis, которой дали прозвище Люси, головной мозг имел объем около 400 см³, примерно как у современных шимпанзе и горилл. Однако 2,5 миллиона лет назад объем мозга Homo habilis, научившегося изготавливать орудия, составлял уже около 650 см³ — более чем на 50 % больше, чем у Люси.

Рис. 2.1. Гипотетическое семейное дерево гоминидов. Вопросительные знаки стоят там, где палеоантропологи не уверены в картине расхождения ветвей. Иллюстрация любезно предоставлена Джоном Хоуксом; впервые опубликована в книге: Berger L., Hawks J. Almost Human. New York: National Geographic, 2017.

Еще 2 миллиона лет спустя началась вторая фаза ускоренного роста мозга. Она стартовала примерно 500 тысяч лет назад и продолжалась 300 тысяч лет. За этот период объем мозга Homo erectus — следующего главного героя нашей эволюционной пьесы — достиг 1200 см³. В период же с 200 до 30 тысяч лет назад объем мозга наших собратьев достиг максимума у неандертальцев и составил примерно 1600 см³. Однако ко времени появления уже нашего вида объем мозга мужчин составлял лишь 1270 см³, а объем мозга женщин — порядка 1130 см³. Важнейший аспект, который нужно учитывать при анализе этих показателей, заключается в том, что в конце истории длительностью в 2,5 миллиона лет мозг представителей человеческой линии увеличился в размерах значительно больше, чем остальные части тела. То есть трехкратное увеличение объема, приведшее к появлению мозга современного человека, создало центральную нервную систему примерно в девять раз крупнее, чем у любого другого млекопитающего с такой же массой тела.

Попытки ученых установить причину этого невероятного трехкратного увеличения размера мозга при переходе от Australopithecus afarensis к Homo sapiens показали, что в значительной степени это изменение объема, уже пересчитанное в пропорции с изменившейся массой тела, связано с гигантским увеличением объема неокортекса («новой коры») — извилистого слоя нервной ткани на поверхности нашего мозга. Это особенно важно по той причине, что неокортекс, как известно, является проводником всех наших самых продвинутых когнитивных способностей — ментального ресурса, определяющего самую суть человеческого существа. У большинства приматов на долю неокортекса приходится около 50 % объема мозга. У человека же неокортекс занимает почти 80 % объема всей центральной нервной системы.

Любая теория, объясняющая этот стремительный рост мозга наших предков, должна учитывать один парадокс, заключающийся в том, что наша мозговая ткань потребляет очень много энергии. Следовательно, по мере развития у них крупного мозга нашим предкам приходилось затрачивать все больше и больше усилий на поиски источников калорий для поддержания работы энергозатратной центральной нервной системы. Хотя на долю мозга приходится лишь 2 % всей массы человеческого тела, он поглощает около 20 % производимой каждым из нас энергии. Следовательно, нужно либо потреблять больше пищи, то бишь дольше подвергаться опасности нападения хищников, как наш бизон, либо менять рацион и переходить на более калорийную диету. Дополнительная энергия появилась, когда гоминиды перешли от исходной диеты приматов, состоявшей из листьев и фруктов, к употреблению легкодоступной пищи с гораздо более высокой энергетической ценностью — богатому жирами и белками мясу животных. Дела пошли еще лучше, когда гоминиды овладели огнем и открыли искусство приготовления пищи. За счет приготовления мяса и энергетически богатых овощей эти гоминиды облегчили себе процесс переваривания пищи, что позволило им извлекать из нее больше энергии. Это изменение в типе питания произошло параллельно с (если не вызвало) очень важной эволюционной адаптацией — значительным сокращением размера и сложности кишечника (особенно толстой кишки). Поскольку работа крупного и сложного кишечника весьма энергозатратна, эти внутренние изменения позволили экономить энергию, которую теперь можно было перебросить на поддержание функций увеличившегося мозга.

Однако даже определение источников энергии для поддержания крупного мозга не объясняет причины возникновения столь непропорционально обширной нервной системы. После нескольких неудачных попыток объяснения причин увеличения мозга приматов и человека в 1980-х годах начала наконец формироваться новая правдоподобная и заманчивая гипотеза; Ричард Бирн и Эндрю Уиттен заявили, что мозг человека и человекообразных обезьян увеличивался параллельно с усложнением их сообществ. Эта теория, названная теорией макиавеллианского интеллекта, предполагает, что для выживания и процветания социальных групп людей и человекообразных обезьян индивиды должны подчиняться сложной динамике социальных отношений. Приобретение социальных знаний и их правильная интерпретация и использование необходимы для распознавания друзей, помощников и потенциальных угроз. Таким образом, в соответствии с теорией Бирна и Уиттена важнейшая задача, связанная с необходимостью обрабатывать большой объем социальной информации, потребовала развития у человекообразных обезьян (и особенно у людей) более крупного мозга.

Рис. 2.2. Корреляция между средним размером группы и отношением неокортекса для разных антропоидных приматов (данные для обезьян показаны черными кружками, данные для человекообразных обезьян — незакрашенными). Dunbar R. I., Shultz S. Evolution in the Social Brain. Science 317, no. 5843, 2007: 1344–47. Воспроизводится с разрешения AAAS.

Иными словами, теория макиавеллианского интеллекта предполагает, что более крупный мозг необходим для создания в сознании индивидуума социальной карты группы, к которой он принадлежит и с которой он постоянно взаимодействует. В этом отношении эта теория близка к идее о том, что крупный мозг, подобный нашему, может создавать ментальный конструкт, называемый моделью психического состояния. В общих чертах эта когнитивная способность дает нам возможность не только осознавать, что другие члены нашей социальной группы могут находиться в собственных особых состояниях сознания, но и предполагать, какими могут быть эти состояния при нашем взаимодействии с ними. Иными словами, когнитивные характеристики, связанные с моделью психического состояния, позволяют нам думать о мыслях других людей о нас или о других членах нашей социальной группы. Естественно, следует предположить, что, дабы извлечь пользу из такой невероятной способности, наш крупный мозг также обеспечил нас самоузнаванием, самосознанием и способностью формировать собственную точку зрения.

В 1990-х годах британский антрополог и эволюционный психолог из Университета Оксфорда Робин Данбар предложил новый способ экспериментального подтверждения теории макиавеллианского интеллекта. Во-первых, вместо оценки всего объема мозга он сосредоточился только на неокортексе. Остальные части мозга также выполняют важные физиологические функции, но если речь идет о таких навыках, как изготовление орудий, речь, ощущение самого себя, модель психического состояния, и о многих других способностях мозга, следует анализировать именно неокортекс.

Данбар решил проверить свою теорию с помощью единственного показателя уровня социальной организации, который он мог легко контролировать на количественном уровне, — размера социальных групп приматов. Удивительный результат, полученный при проверке догадки проницательного Данбара, представлен на рисунке 2.2 на примере обезьян и человекообразных обезьян. На нем хорошо видно, что зависимость логарифма размера групп нескольких видов приматов от логарифма соответствующего отношения неокортекса^[4] представляет собой прямую линию. Поэтому такой график позволяет легко оценить идеальный размер социальной группы вида исходя из отношения неокортекса для этого вида. В честь этого открытия размер группы животных, определенный с помощью такой кривой, называют теперь числом Данбара для конкретного вида животных. Так, для шимпанзе число Данбара равно 50, что означает, что кора мозга этих человекообразных обезьян позволяет им справляться с уровнем сложности социальных отношений в группе примерно из 50 особей.

Рис. 2.3. Предполагаемые значения размера популяций пяти наших предков — гоминидов/австралопитеков, Homo habilis, Homo erectus, архаичных людей (включая неандертальцев) и Homo sapiens — в зависимости от приблизительного возраста окаменелостей. Dunbar R. Grooming, Gossip, and the Evolution of Language. London: Faber and Faber, 1996.

В соответствии с выдвинутой Данбаром гипотезой социального мозга, как стали называть его идею, разросшаяся кора мозга наделяет нас способностью формировать ближний социальный круг, включающий до 150 человек, и эти цифры вполне соответствуют данным для современных охотников и собирателей, а также археологическим данным относительно размеров сельскохозяйственных поселений раннего неолита на Ближнем Востоке.

Дополнительным доказательством идеи Данбара о предполагаемом лимите социальной сложности, с которой мы способны справляться исключительно за счет прямых межличностных контактов без каких-либо внешних или искусственных механизмов социального контроля, служат те случаи, когда размер коллектива превышает 150–200 человек. Лучше всего это видно на примере компаний с количеством сотрудников, превышающим число Данбара. Выше этого уровня значительно возрастает потребность в менеджерах, управляющих и административных протоколах — просто чтобы эффективно следить за происходящим.

Ради интереса на рисунке 2.3 указаны числа Данбара для социальных групп большинства наших важнейших эволюционных предков, основанные на отношении неокортекса, полученном в результате реконструкции мозга при анализе окаменелостей их черепов. Взгляните на график, и вы увидите, сколь значительный социальный эффект оказывало увеличение объема мозга на протяжении последних 4 миллионов лет.

Но за счет чего удерживаются социальные группы приматов, состоящие из такого большого числа особей? У приматов, не принадлежащих к человеческому роду, по-видимому, основным инструментом для поддержания социальных связей является груминг. Идея о важной социальной функции груминга основана на наблюдениях, показавших, что приматы посвящают этой активности от 10 до 20 % времени. По-видимому, выделение в ходе груминга эндогенных опиатов (эндорфинов) у обезьян отчасти объясняет высокую эффективность коллективного использования приматами сильных тактильных стимулов для создания прочных связей, необходимых для поддержания целостности социальных групп; после сеанса груминга животные обычно ведут себя спокойнее и становятся меньше подвержены стрессу.

В отличие от наших родственников приматов, мы не тратим много времени на груминг для поддержания гармонии в социальной группе. По оценкам Данбара, для сохранения целостности группы из 150 человек только за счет груминга нам приходилось бы уделять на него от 30 до 40 % времени. Вместо этого, как считает Данбар, мы для достижения той же цели используем речь.

Речь в сочетании с жестами, нечленораздельными звуками и посвистыванием создавала эффективную среду для поддержания целостности весьма многочисленных групп первых людей. Робин Данбар приводит прекрасный пример роли речи в качестве инструмента для создания социальных связей между людьми. Анализируя содержание разговоров в самых разных социальных группах в современной Англии, он обнаружил, что вне зависимости от самих собеседников около двух третей всех бесед касаются социальных аспектов нашей жизни. Иными словами, согласно данным Данбара, любимым занятием современного человека является болтовня, и, вероятно, именно она и была главным механизмом, с помощью которого сотни тысяч лет назад первые представители нашего вида научились организовывать и поддерживать функционирование крупных социальных групп.

Несмотря на элегантную простоту аргументов Данбара, эволюция животных редко следует простой и линейной цепочке событий, которую предполагает его теория. На самом деле, по-видимому, в процессе эволюции происходит взаимодействие многих причинно-следственных связей, и в итоге многие признаки эволюционируют параллельно в результате определенного селективного давления и даже влияют на эволюцию друг друга. С тех пор как Данбар сформулировал свою гипотезу социального мозга в 1990-х годах, другие авторы предполагали, что подобная сложная и нелинейная причинно-следственная цепочка должна была влиять на связь между расширением неокортекса и увеличением сложности социального поведения. Для начала можно сказать, что увеличение мозга и появление речи не только способствовали усложнению социального поведения человека, но были для него необходимыми условиями, а может быть, и результатами этого усложнения.

В этом контексте за последние двадцать лет сформировалась иная точка зрения относительно сочетания факторов, которые могли направлять эволюцию человека и процесс энцефализации. Например, профессор департамента эволюционной биологии человека в Гарварде Джозеф Генрих уверен, что в эволюции человека и, возможно, в увеличении объема мозга главную роль сыграла человеческая культура. В книге «Секрет нашего успеха: как культура способствует эволюции человека, приручению наших видов и делает нас умнее» он подробно излагает свою теорию о том, как передача «практик, методов, техник, обучения, орудий, мотиваций, ценностей и верований» из поколения в поколение сделала нас выдающимися «культурными животными». Обучаясь один у другого, сочетая накопленные знания и передавая их другим членам своей социальной группы и последующим поколениям, люди при помощи культуры не только обеспечили себя могучим подспорьем для выживания, но и в конечном итоге создали новое селективное давление, которое отсеивало тех, кто не умел обучаться и ассимилировать подобные культурные накопления. С этой точки зрения эволюция человека находилась под глубоким влиянием того, что Генрих называет генно-культурной коэволюцией — взаимным рекуррентным влиянием культуры и генов. В первую очередь этот процесс связан с тем, что динамические взаимодействия между людьми в социальных группах в качестве эмерджентного свойства при параллельных взаимодействиях мозга многих индивидуумов в составе групп создают культурные продукты. Генрих называет этот процесс группового обучения, уточнения и передачи знаний продуктом «коллективного мозга» группы. Я считаю его основополагающей функцией человеческих мозговых сетей — главным механизмом, при помощи которого сформировалась человеческая вселенная.

В соответствии с представлениями Генриха эволюционная успешность Homo sapiens в гораздо большей степени определяется умением извлекать выгоду из плодов труда нашего коллективного мозга, чем способностями нервной системы отдельных индивидуумов. Эта гипотеза отчасти объясняет, например, почему гоминиды с небольшим объемом мозга, окаменелости которых были найдены на острове Флорес в Индонезии, смогли, судя по всему, научиться пользоваться огнем для приготовления пищи или изготавливать каменные орудия, хотя объем их мозга был сравним с объемом мозга наших родственников австралопитеков. Формирование и передача культурных навыков мозгосетями компенсировала небольшой размер мозга каждого отдельно взятого Homo floresiensis. Соответственно, размер мозга — не единственная переменная, которую следует учитывать при анализе эволюции когнитивных способностей человека.

Хотя я согласен с большинством доводов Генриха, очевидно, что уникальные нейроанатомические и нейрофизиологические свойства каждого индивидуального мозга играют решающую роль в формировании оптимальных мозговых сетей и появления у социальных групп людей способности создавать и передавать знания (см. главу 7).

Смысл теории генно-культурной коэволюции, а также моих замечаний в отношении этой теории можно четко проиллюстрировать на примере одного из главных результатов человеческой эволюции — нашей уникальной способности создавать орудия труда. Встав примерно 4 миллиона лет назад на ноги, наши предки значительно увеличили дальность своих ежедневных перемещений в поисках пищи и крова. В какой-то момент это удивительное биологическое новшество позволило африканским гоминидам распространиться сначала вдоль побережья и вглубь континента, а затем и по всему миру. Таким образом, первым волнам колонизации мира человеком, а также истокам того, что мы сейчас называем глобализацией, мы обязаны босым ногам африканских иммигрантов, искавших лучшей жизни. Кто бы напомнил современным политикам, что без этих масштабных миграций не сформировался бы наш современный мир, каким мы его знаем.

Однако прямохождение не просто расширило границы перемещений человека. Оно освободило руки наших предков для множества других вариантов моторного поведения, некоторые из которых требовали тонких и точных координированных движений всех пяти пальцев, включая противопоставленный большой. Способность перемещаться на двух ногах в сочетании с выборочным разрастанием лобно-теменных сетей коры дала нам возможность пользоваться руками для изготовления орудий труда.

Однако для этого нашим предкам нужно было еще и научиться наблюдать и опознавать причинно-следственные связи в окружающем мире. Скажем, какой-то из наших предков швырнул камень о скалу. Поняв, что образовавшимися осколками много что можно было разрезать, этот гоминид решил намеренно разбивать камни друг о друга, чтобы получить больше орудий, которые лучше резали. А когда этот первый изобретатель с помощью своего инструмента смог быстрее и эффективнее отделить мясо от костей, вероятно, другие члены группы заметили это и начали внимательно наблюдать за тем, как изобретатель делал новый инструмент. Способность находить решения проблем и последующее распространение новых знаний среди членов социальной группы определяют ключевое неврологическое свойство, отличающее наш вид от других приматов.

Явление одновременной активации одинаковых структур мозга у нескольких наблюдателей при виде двигательных действий индивидуума называется моторным резонансом. Если наблюдатели начинают повторять наблюдаемые движения — это называют моторным заражением. Если такое заражение проявляется очень быстро, данное явление называют мимикрией. Особые сети в мозге приматов (см. главу 7) играют ключевую роль в создании моторного резонанса, который у макак-резусов, шимпанзе и человека вызывает либо заражение, либо мимикрию. Однако сравнительные анатомические и физиологические исследования этих кортикальных сетей у трех данных групп приматов выявляют значительные различия как в функциональной связности, так и в картине активации в процессе резонанса. Это очень важные наблюдения, поскольку они подчеркивают влияние эволюционного процесса сначала на связность сигналов между разными отделами коры височных, теменных и фронтальных долей, а затем и на схемы функциональной активации, что привело в итоге к формированию различных мозговых сетей у разных приматов.

В среднем макаки-резусы опираются на социальные взаимодействия для обучения новым навыкам меньше, чем шимпанзе, которые, в свою очередь, выполняют меньше сложных действий, выученных через социальное общение, чем люди. Это означает, что в поведении макак-резусов редко можно обнаружить примеры моторных навыков, приобретенных за счет социальных взаимодействий — через моторный резонанс и моторное заражение. У диких шимпанзе же, напротив, проявляется моторное заражение навыками, такими как коммуникационные жесты и изготовление орудий. В отличие от макак и шимпанзе, люди превосходно умеют использовать механизмы моторного резонанса и моторного заражения для распространения новых навыков в своей социальной группе — либо на локальном уровне с помощью жестов и речи, либо на расстоянии посредством огромного разнообразия способов коммуникации и технологий, созданных «коллективным мозгом».

У наблюдателя есть два способа, с помощью которых он подхватывает новые моторные действия: эмуляция и мимикрия. Эмуляция представляет собой простое копирование конечного результата наблюдаемого моторного действия, а мимикрия распространяет внимание наблюдателя также и на воспроизведение или копирование всего процесса, необходимого для достижения этого результата. Примечательно, что анализ всех доступных поведенческих данных показывает, что макаки-резусы склонны скорее эмулировать моторные действия, чем мимикрировать, тогда как у шимпанзе чаще наблюдается мимикрия. Шимпанзе способны наблюдать, осваивать, копировать и передавать новые навыки моторного поведения другим членам своей группы, а это свойство человекообразных обезьян предполагает умение развивать и поддерживать прототип моторной культуры.

Однако, несмотря на очевидную способность мимикрировать, шимпанзе делают это гораздо реже, чем люди. Главным образом, это означает, что шимпанзе все еще в большей степени сосредоточены на эмуляции (копировании финального результата моторного поведения), тогда как люди являются гораздо лучшими имитаторами, т. е. фокусируются в первую очередь на воспроизведении процесса, с помощью которого решается моторная задача. Более того, благодаря невероятному усилению коммуникации за счет речи люди гораздо лучше умеют обучать новым навыкам других. Иными словами, у людей понимание новых навыков довольно быстро и эффективно распространяется посредством разговора.

Как только понимание приходит к отдельному индивидууму или небольшой группе, оно посредством механизма, который я обсуждаю в главах 7 и 11, за счет моторного резонанса и заражения распространяется и заражает (почти как вирус) многих представителей данной социальной группы. Это вовлечение мозга отдельных людей ответственно за возникновение связанных с изготовлением орудий мозгосетей, которые совершенствуют технику, накапливают знания и передают их следующим поколениям.

После изобретения первого охотничьего орудия в постепенном процессе открытий, усовершенствования и последовательного усложнения начало эволюционировать искусство расщепления камня, составляющее основу первой в истории человечества промышленной революции и процесса изготовления орудий в целом. Хотя прошли миллионы лет, прежде чем примитивные ручные каменные топоры наших ранних предков превратились в острые копья, с помощью которых охотники Homo sapiens смогли убивать крупную добычу, изготовление и применение орудий неотъемлемы в любом описании определяющих характеристик человека. Другие животные, включая шимпанзе, также изготавливают рудиментарные орудия, их инструменты не обладают такой аддитивной сложностью, как наши. Кроме того, эти животные не проявляют уникальной человеческой способности приобретать и накапливать подобные знания и передавать их от одного поколения к другому на протяжении сотен, тысяч или даже миллионов лет.

Таким образом, появление необходимых для получения знаний умственных способностей у вида, склонного одновременно к кооперации и хвастовству своими навыками, привело к распространению инновационных подходов к расщеплению камня, что привело к революции в жизни человека. С этого момента для успешного развития и внедрения методов и навыков изготовления орудий требовалась реклама мастеров по обработке камня (поначалу очень тесной обособленной группы талантливых ремесленников), без которой эти недавно приобретенные знания неизбежно канули бы в Лету в полной безвестности, как пленники в мозговых карцерах отдельных мастеров.

Накопление, уточнение и передача знаний в человеческих мозгосетях в доисторические времена, вероятно, внесли вклад в создание самого главного оружия для успешной охоты на крупную добычу. Я имею в виду человеческую способность планировать и координировать действия большой группы охотников. Эта гигантская задача была связана не только со способностью эффективно обмениваться информацией со всеми индивидуумами в группе охотников в любой заданный момент времени, но также с более тонкими умственными задачами, решение которых позволяло всем членам команды и их вожакам понимать, что думают обо всем происходящем и о своих ролях другие члены команды, а также что они могут, а что не могут выдержать в психологическом и физическом плане в ходе столь напряженной операции. Речь в то же время стала основным способом распространения в человеческих обществах принципов новых мифологий.

Появление речи, изготовление орудий, создание модели психического состояния и социальный интеллект — все это ключи к пониманию причин невероятного увеличения размеров коры головного мозга за последние 2,5 миллиона лет нашей эволюции. И в то же время появление такого количества эволюционных инноваций поднимает важный вопрос: как все эти способности могли сочетаться в едином подвижном разуме?

Профессор археологии из Университета Рединга в Англии Стивен Митен тщательно исследовал эту проблему и выдвинул очень интересную гипотезу о том, как в результате сочетания ряда определенных ментальных навыков мог возникнуть целостный разум, способный на подобный уровень когнитивной подвижности. Находясь под сильным влиянием теории множественного интеллекта, сформулированной Говардом Гарднером, Митен выделил три основные фазы в процессе объединения возможностей человеческого разума. По мнению Митена, поначалу разум наших древнейших предков из гоминидов был «сферой общего интеллекта — сводом общих правил обучения и принятия решений». С течением времени наши предки приобретали новые индивидуальные интеллектуальные способности, такие как навыки изготовления орудий, речь и модель психического состояния, но их мозг не был способен интегрировать все эти модули. Скорее, в соответствии с приводимой Митеном аналогией, их мозг действовал подобно сложному швейцарскому армейскому ножу — устройству, обладающему множеством отдельных функций, которые невозможно объединить в одном инструменте. На заключительной стадии в модели Митена индивидуальные модули объединились или слились в единую функциональную сущность, дав начало разуму современного человека. С этого момента информация и знания, накопленные каждым отдельным модулем, стали доступны для свободного обмена и передачи, что привело к возникновению новых ментальных производных и когнитивных способностей, обеспечивающих человеческий разум подвижностью, творческим потенциалом, интуицией и возможностью генерировать предположения и инновационные идеи, которые не могли бы возникнуть ни в одном отдельном модуле.

Хотя другие археологи критикуют теорию и аналогии Митена, мне они кажутся интересными, по крайней мере в качестве отправной точки, помогающей связать познания о деталях анатомической эволюции коры человеческого мозга от момента нашего расхождения с общим предком с шимпанзе со знаниями о функционировании мозга современного человека после этого предполагаемого этапа слияния интеллектов. Митен не указывает никаких нейробиологических механизмов, способных объяснить этот процесс слияния способностей мозга. И это вполне понятно, поскольку большинство умозаключений относительно эволюции человеческого разума основаны исключительно на анализе эндокраниальных слепков, снятых с окаменевших черепов, которые редко доходят до нас целиком, и обычно лишены отдельных частей или вовсе состоят из фрагментов. Это не означает, что окаменелости бесполезны: реконструкции этих черепов позволяют оценить объем мозга всех наших предков, а эндокраниальные слепки часто дают возможность увидеть отпечатки, оставленные мозговой тканью на внутренней поверхности черепа. Все эти данные в сумме позволяют делать аргументированные выводы о форме и объеме разных частей неокортекса. В целом сравнительный анализ слепков показывает, что форма мозга претерпела значительные изменения при переходе от Australopithecus afarensis к Homo habilis, Homo erectus, Homo neanderthalensis и, наконец, к Homo sapiens.

Еще один способ оценить, что происходило в ходе эволюции человеческого мозга, заключается в сравнении его анатомии с анатомией мозга других приматов, таких как макаки-резусы и шимпанзе. Современные шимпанзе тоже эволюционировали с тех пор, как наши виды разошлись 6 миллионов лет назад, однако, хоть мы и не можем считать, что их мозг идентичен мозгу нашего общего предка, это полезный ориентир. Специалисты в области нейроанатомии, интересующиеся эволюцией мозга, проводят сравнения такого рода на протяжении уже многих десятилетий. Успехи в развитии современных методов визуализации мозга позволяют узнать гораздо больше подробностей о том, как происходило невероятное расширение неокортекса мозга человека по сравнению с мозгом наших ближайших родственников.

В целом неокортекс образован двумя основными компонентами — серым и белым веществом. Серое вещество содержит крупные кластеры главных типов клеток, определяющих функцию мозга: это нейроны и поддерживающие их клетки другого типа, называемые глией. Белое же вещество образовано большим количеством пучков нервных волокон. Эти пучки волокон ответственны за обширные связи между разными зонами коры, формирующими четыре доли (лобную, теменную, височную и затылочную^[5]) в каждом из полушарий мозга — в левом и в правом. Также они обеспечивают прочную связь между правым и левым полушариями мозга через выросты так называемого мозолистого тела — нейрональной трассы, через которую кора получает и отправляет сообщения к субкортикальным структурам, таким как спинной мозг. Серое и белое вещество неокортекса легкоразличимы. Первое образует шестислойную нейронную структуру. Эти нейроны, принадлежащие собственно неокортексу, располагаются поверх плотного и толстого слоя белого вещества.

Рис. 2.4. Соотношение между серым и белым веществом коры у 59 видов животных. Обратите внимание, что обе оси являются логарифмическими. Zhang K., Sejnowski T. J. A Universal Scaling Law between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex. PNAS 97, no. 10 (2000): 5621–26.

В конце 1990-х годов нейробиолог из Калифорнийского технологического института (Калтеха) Джон Оллман, который посвятил значительную часть своей научной карьеры изучению важнейших вопросов эволюции мозга млекопитающих, показал нечто, что стало теперь уже классическим открытием в области взаимосвязи между серым и белым веществом мозга. Оллман обнаружил, что график зависимости объема серого вещества коры от объема белого вещества для очень большого числа видов млекопитающих, включая многих приматов и человека, подчиняется строгому степенному соотношению.

Объем белого вещества = (Объем серого вещества)^4/3

Показатель степени в этом уравнении (4/3) показывает, что при разрастании коры мозга объем белого вещества увеличивается намного быстрее (рис. 2.4). Если проанализировать аналогичные данные для приматов и попытаться выяснить, что именно изменилось в неокортексе человека и определило наши отличия от родственных нам шимпанзе и макак-резусов, становится ясно, что у человека наиболее значительный рост коры происходил за счет лобной доли, особенно ее самой передней части (непосредственно за лбом), называемой префронтальной корой, а также так называемых ассоциативных кортикальных областей в задней теменной и височной долях коры.

Если говорить о лобной доле, по сравнению с макаками-резусами у людей объем этой ткани увеличился в 30 раз. Интересно, что, как и предсказал Оллман, в наибольшей степени увеличение этой доли произошло за счет значительного разрастания белого вещества. Это привело к невероятному усилению связности между сильно разросшейся префронтальной корой и премоторной и моторной областями лобной доли и другими частями мозга, в том числе другими зонами коры в теменной и височной долях, а также субкортикальными зонами.

Это уникальное увеличение объема белого вещества в лобной доле человеческого мозга, а также сопутствующий рост ассоциативных зон в теменной и височной долях показывают, что гораздо большая часть человеческого неокортекса стала отвечать за концептуальное и абстрактное мышление более высокого уровня, требующееся для реализации развитых когнитивных навыков. Следовательно, не случайно нейробиологи, которые ищут неокортикальные сети, отвечающие за речь, изготовление орудий, четкое осознание самих себя, социальный разум и модель психического состояния — все те атрибуты, которые возникли за последние 4 миллиона лет эволюции гоминидов, — находят их в лобно-теменно-височных участках коры и в связывающих их аксональных путях. Я считаю, что именно такое распределение, скорее всего, породило органический вычислительный субстрат, давший начало Истинному творцу всего.

Учитывая все эти данные, мой вывод достаточно очевиден: для обеспечения эволюции больших и сложных социальных групп со сложным поведением, не говоря уже о культуре, которую мы передавали потомкам на протяжении тысячелетий, нам совершенно явно требовалось больше нейронов. Но несмотря на важность общего объема нейронов, думается, не менее принципиальна была уникальная нейронная сеть мозга, ставшая главной движущей силой возникновения у нашего вида удивительных ментальных способностей.

Оптимально подключенный внутри для гиперконнективности снаружи — кажется, именно таков лозунг эволюционной истории развития нашего мозга.

Но одного лозунга недостаточно ни для того, чтобы объяснить, как все эти человеческие свойства могли объединиться в цельном и подвижном разуме Homo sapiens, ни для того, чтобы найти нейрофизиологический механизм, позволивший нашему разросшемуся неокортексу формировать более крупные и более стабильные социальные группы. В современной нейробиологии первую проблему называют проблемой связывания. На протяжении последних тридцати лет проблема связывания была предметом жарких споров, в особенности среди тех, кто, как известный немецкий нейробиолог Вольф Зингер, изучает систему зрительного восприятия. Дело в том, что классическая теоретическая схема, именуемая моделью Хьюбела и Визеля в честь лауреатов Нобелевской премии Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, чья работа в области зрительного восприятия произвела революцию в нейробиологии в целом и привела к рождению теоретической модели, которая спустя пятьдесят с лишним лет остается центральной догмой в физиологии зрения, не способна дать вменяемый ответ на этот вопрос.

С другой стороны, вторая проблема чрезвычайно важна для понимания того, почему мы, люди, преуспели в построении творческих и сплоченных социальных групп, которые смогли сформировать всю человеческую вселенную. Каким образом неокортекс соединяет свои части в единое непрерывное (или аналоговое) вычислительное устройство и как в конечном итоге она позволяет синхронизировать мозговую активность тысяч, миллионов и даже миллиардов отдельных людей в функциональные мозгосети?

Глава 3
Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

Вжаркий влажный день лета 2015 года веселая толпа молодежи заполняла пасторальный променад в деревне Кларанс на швейцарской стороне Женевского озера, двигаясь, казалось, в ритме очередного концерта на открытом воздухе в рамках джазового фестиваля в Монтрё. С удовольствием отобедав в ресторане «Пале Ориенталь», расположенном всего в нескольких сотнях метров, мы с моим лучшим другом швейцарско-египетским математиком и философом Рональдом Сикурелом решили совершить послеобеденную прогулку и проанализировать еще один принципиальный элемент теории, которую мы выстраивали совместными усилиями. Мы шли бок о бок, подбрасывая друг другу идеи и обсуждая одну из наших любимых тем того богатого на события швейцарского лета (а именно — последовательность событий, позволивших жизни возникнуть на Земле несколько миллиардов лет назад, эволюционировать и преуспеть в непрестанном сопротивлении безжалостной и возрастающей во вселенной энтропии), пока вдруг не остановились перед странным деревом (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Рональд Сикурел позирует у знаменитого дерева на берегу Женевского озера в Монтрё, в Швейцарии, после важного теоретического прорыва (фотография любезно предоставлена Мигелем А. Николелисом).

Мы стояли, застыв посреди променада и сосредоточив все свое внимание на этом необычном дереве, и тут мне в голову неожиданно пришла одна идея. «Жизнь есть диссипация энергии с целью записи информации в органическую материю», — вдруг ни с того ни с сего произнес я, а затем повторил эту фразу несколько раз, чтобы точно ее не забыть.

Захваченный врасплох этой мыслью, которая немедленно начала резонировать у него в голове, Рональд вновь повернулся и уставился на дерево, словно ища на нем окончательное подтверждение. После недолгого молчания он широко улыбнулся, хотя и выглядел чуть более взволнованным, чем обычно. Он указал на ближайшую скамейку, приглашая меня присесть, и в конце концов заявил: «Кажется, есть!»

И тогда я понял, что мы наконец поймали нить, которую искали все лето, прогуливаясь по этому променаду каждый день, глядя на озеро, цапель, уток и гусей, раздражая спешащих по своим делам прохожих своей странной привычкой проводить мысленные эксперименты посреди оживленных улиц и в итоге по воле судьбы все же совершив наше судьбоносное знакомство со странным деревом, которое явно не казалось примечательным никому, кроме нас.

В то утро перед нашей обычной ежедневной встречей я по случайности обратил внимание на ветки и листья деревьев, росших по берегам этого швейцарского озера. Вспоминая типичные огромные кроны тропических деревьев Бразилии, которыми я восхищался с самого детства, я хорошо видел теперь, насколько разница в широте влияла на форму листьев деревьев и общую пространственную конфигурацию растений в разных уголках планеты. Я помню, как подумал об удивительном механизме адаптации, придуманном природой для оптимизации биологических солнечных панелей, используемых деревьями для извлечения максимального количества солнечной энергии в зависимости от того, где именно на планете Земля им выдалось пустить корни. Эта мысль заставила меня вспомнить почти забытый урок школьной учительницы ботаники, услышанный мною сорок лет назад. Речь шла о дендрохронологии — одном из увлечений нашей учительницы в 1977 году. Как считала мисс Зульмира, великий Леонардо да Винчи первым заметил, что каждый год на стволах деревьев образуется новое кольцо, ширина которого отражает климатические условия этого сезона (в определенных климатических условиях некоторые деревья могут образовывать за год несколько колец). Вооруженный этими знаниями, американский ученый и изобретатель Александр Твининг предположил, что путем сопоставления рисунка колец большого количества деревьев можно восстановить историю климатических условий в любой точке Земли. Годы с большим количеством влаги приводят к появлению более широких колец, а в засушливые периоды древесина нарастает лишь очень тонкими слоями.

Развивая эту идею, пионер в современной истории вычислительной техники Чарлз Бэббидж предположил, что можно характеризовать возраст геологических слоев и соответствующие климатические условия путем анализа колец, запечатленных в окаменелых деревьях. Хотя Бэббидж предложил этот метод в 1830-х годах, дендрохронология стала активной сферой научных исследований только благодаря трудам и настойчивости американского астронома Эндрю Элликотта Дугласа, который обнаружил корреляцию между древесными кольцами и циклами солнечных пятен, на протяжении тридцати лет измеряя ширину древесных колец от настоящего времени вплоть до 700-х годов нашей эры. Используя эти уникальные биологические записи, археологи смогли точно установить, например, время постройки некоторых сооружений ацтеков в юго-западной части современных Соединенных Штатов. Сегодня дендрохронология позволяет ученым восстанавливать картины вулканической активности, ураганов, оледенений и осадков, происходивших на Земле в прошлом.

Таким образом, древесные кольца достаточно ярко иллюстрируют, каким образом органическая материя может физически заполняться информацией, представляющей подробный отчет о климате, а также о геологических и даже астрофизических событиях, происходивших за время жизни организма.

За исключением воздаяния должного за дендрохронологию мисс Зульмире, я не смог сделать никаких важных выводов из двух, казалось бы, несвязанных наблюдений — изысканной формы листьев деревьев в парке Монтрё и записей о возможных временных событиях в стволах деревьев. Поэтому я занялся рисованием — хобби, к которому я вернулся во время сбора материала для этой книги, — пока до встречи с Рональдом в ресторане «Пале Ориенталь» еще оставалось время.

Через несколько часов, когда мы с Рональдом сидели на скамейке в парке, все эти соображения вновь пришли мне в голову. С той лишь разницей, что теперь я видел четкую логическую и причинную связь между солнечными панелями дерева и отсчитывающими время древесными кольцами. «Точно, Рональд! Солнечная энергия рассредоточивается в виде информации, прописываемой в органическом веществе, формирующем ствол дерева. Вот он, ключ: энергия превращается в физически закрепленную информацию, чтобы достичь максимального локального снижения энтропии, которое необходимо дереву, чтобы прожить следующий день, собрать еще больше энергии, встроить больше информации в свою плоть и продолжать противостоять аннигиляции!»

Летом 2015 года мы с Рональдом с головой окунулись в идею об использовании термодинамики в качестве объединяющей основы для плавного связывания эволюции всей вселенной с теми процессами, которые привели к возникновению и эволюции жизни на Земле. В ходе этих бесед мы достаточно быстро осознали возможные последствия от восприятия жизни и живых организмов в качестве реальных эволюционных экспериментов, нацеленных на поиск оптимального пути для превращения энергии во встроенную информацию в качестве главной стратегии, с помощью которой жизнь хотя бы некоторое время может противостоять ужасу окончательного исчезновения при переходе в состояние, называемое нами смертью.

Хотя за последние сто лет многие авторы обсуждали такие концепции, как энергия, информация и энтропия в приложении к живым организмам, нам казалось, что за время той нашей прогулки нам удалось прийти к чему-то новому. Для начала наше открытие требовало нового определения информации, которое бы точнее отражало основы функционирования живых систем и отличалось от более известной версии термина, предложенной Клодом Шенноном в электротехнике для описания сообщений, передаваемых через зашумленные каналы в искусственных устройствах. Кроме того, тщательно обдумав свою теорию, мы поняли, что выработали в процессе еще одну новую идею, приравняв организмы и даже их клеточные и субклеточные компоненты к новому классу вычислительных устройств — к органическим компьютерам, о которых я уже упоминал в 2013 году в статье, написанной при совершенно иных обстоятельствах.

В отличие от механических, электронных, цифровых или квантовых компьютеров, создаваемых инженерами, органические компьютеры возникают в процессе естественной эволюции. Их главная особенность заключается в том, что для приобретения, обработки и хранения информации они используют свою органическую структуру и законы физики и химии. Это фундаментальное свойство означает, что функционирование органических компьютеров в первую очередь основано на аналоговом вычислении, хотя в некоторых важных случаях встречаются элементы цифрового вычисления. (Аналоговые системы для расчетов используют непрерывные вариации заданных физических параметров, описывающих электрический ток, механическое перемещение или поток жидкости. Простейший пример аналогового вычислительного устройства — логарифмическая линейка. Аналоговые компьютеры использовались повсеместно до появления в конце 1940-х годов цифровой логики и цифровых компьютеров.)

Учитывая, что для нас отправной точкой была термодинамика, с самого начала нашего сотрудничества мы с Рональдом находились под глубоким влиянием работ российско-бельгийского химика и лауреата Нобелевской премии Ильи Пригожина и его построенном на законах термодинамики мировоззрении. В одной из ставших ныне классическими книг, «Порядок из хаоса», написанной в соавторстве с Изабель Стенжерс, Пригожин представляет свою теорию термодинамики сложных химических реакций и непосредственные следствия из своей работы, позволившие ему сформулировать совершенно новое, подробное определение жизни. Теория Пригожина о так называемых самоорганизующихся химических реакциях позволяет понять, как из неживой материи могут возникать живые системы.

Ключевым элементом концепции Пригожина является понятие термодинамического равновесия. Система находится в равновесии, если внутри нее или между ней и окружающей средой не происходит суммарного переноса энергии или вещества. Если по какой-либо причине возникает градиент энергии, создающий участки с более высоким и более низким уровнем энергии, система самопроизвольно перераспределяет избыток энергии с первого участка на второй. Для наглядности представьте себе чайник с водой, оставленный в помещении при комнатной температуре. В таких условиях вода в нем находится в тепловом равновесии, и на макроскопическом уровне никаких изменений не происходит, поскольку вода спокойно остается в жидком состоянии. Но если вы начинаете нагревать воду, чтобы заварить чай, то по мере повышения температуры и ее приближения к точке кипения вода все больше и больше удаляется от жидкого равновесного состояния, пока не претерпевает фазовый переход и не превращается в водяной пар.

По мнению Пригожина, все организмы — от бактерий до деревьев и людей — представляют собой открытые системы, которые выживают только благодаря поддержанию себя в максимально далеком от равновесия состоянии. Это означает, что для жизни необходим постоянный обмен энергией, материей и информацией внутри самого организма и между ним и его окружением, что позволяет поддерживать химический и тепловой градиенты в клетках, в организмах в целом и между организмами и окружающей средой. И эта борьба длится на протяжении всей жизни организма. Нарушение этого удаленного от равновесия состояния неизбежно приводит организм к смерти и распаду.

С явлением диссипации, то есть рассеивания энергии, мы сталкиваемся каждый день. Например, когда мы поворачиваем ключ зажигания в машине — двигатель начинает работать, и часть энергии, образующейся при сгорании бензина, затрачивается на перемещение автомобиля, но значительное ее количество рассеивается в форме тепла, которое уже не используется для полезного действия. Это и есть диссипация: преобразование одной формы энергии, которая может совершать большее количество работы, в энергию, которая может совершать меньшее количество работы. Возникающие в природе крупные структуры также являются результатом процессов, происходящих с диссипацией большого количества энергии. Хороший пример — ураганы. Гигантские закрученные белесые пятна на спутниковых снимках — результат процесса самоорганизации с участием облаков и ветра; они образуются за счет диссипации большого количества энергии в виде гигантских масс горячего и влажного воздуха, формирующегося в районе экватора и поднимающегося от поверхности океана на большую высоту. Поднимаясь все выше и выше в атмосфере, он оставляет позади себя зоны пониженного давления, которые вскоре заполняются более холодным воздухом из соседних зон высокого давления. Этот воздух нагревается, увлажняется и поднимается вверх. При достижении больших высот с более низкой температурой водяные пары из воздуха конденсируют и образуют облака, которые вращаются под влиянием сильных ветров, возникающих из-за быстрой циркуляции горячего и холодного воздуха. Наблюдаемая нами структура урагана и его перемещение — результат самоорганизующегося процесса диссипации энергии, являющегося следствием этого погодного механизма, который в самых экстремальных случаях может быть сравним с мощнейшей климатической бомбой.

Пригожин и его коллеги обнаружили, что в лабораторных чашках Петри могут происходить химические реакции, приводящие к возникновению самоорганизующихся структур, чем-то напоминающих структуру урагана. Например, изменяя количество определенных реагентов, внешние условия (например, температуру) или вводя катализатор, можно добиться появления неожиданных ритмичных осцилляций в образовании продуктов реакции. Такие явления получили название химических часов. Ученые также обнаружили сложные пространственные структуры, в том числе сегрегацию различных типов молекул в разных частях реакционного сосуда. Короче говоря, случайные столкновения реагирующих веществ могут приводить к возникновению упорядоченности за счет рассредоточения энергии в системе.

На основании этих наблюдений Пригожин сформулировал две основные концепции. Первая описывает некий момент, когда добавление небольшого количества реагента или небольшое изменение температуры может принципиальным образом изменить течение химической реакции во времени и (или) пространстве. Интересно, что в конце XIX века французский математик Анри Пуанкаре столкнулся с этим же явлением в математике при анализе нелинейных дифференциальных уравнений: существует определенная точка, после которой становится невозможно с точностью предсказать поведение функции; начиная с этого момента система начинает вести себя хаотическим образом, и все численные результаты уравнения описывают математическую макроструктуру, называемую странным аттрактором. Вторая принципиальная концепция называется концепцией синхронизации. Она гласит, что при некоторых условиях, далеких от состояния равновесия, молекулы реагирующих веществ как бы «переговариваются» друг с другом, в результате чего в процессе самоорганизации могут возникать сложные временные или пространственные картины. Обе концепции играют важнейшую роль в определении индивидуального мозга и сетей синхронизированных мозгов (мозгосетей) в качестве органических компьютеров (см. главу 7).

В таком контексте переход от химических реакций к теории функционирования живых организмов требует лишь одного логического шага, и Пригожин сделал его с большим удовольствием. Чтобы понять, как именно, давайте вернемся к нашему швейцарскому дереву в Монтрё на променаде у озера и свяжем теорию Пригожина с нашими идеями.

Это дерево давным-давно пустило глубокие корни на берегу Женевского озера, используя свои многочисленные биологические солнечные панели для поглощения солнечного света и извлекая углекислый газ из окружающей среды. Оно получает энергию из солнечного света благодаря наличию в хлоропластах клеток листьев светопоглощающего пигмента — хлорофилла. Используя солнечный свет, углекислый газ и воду, хлоропласты осуществляют фотосинтез. Благодаря этому процессу растения способны направлять некоторое количество энергии солнечного света на поддержание и укрепление неравновесного состояния, существовавшего в семечке, из которого выросло растение, за счет добавления и поддержания слоев органической ткани в своей структуре.

Растения поглощают солнечный свет, животные поедают растения, а мы поедаем и тех и других. В целом жизнь сводится к поеданию того, что дает нам солнце; одни берут его свет сразу, а другие получают свою долю из вторых рук. Наш с Рональдом вклад в развитие этой идеи заключается в формулировании теории о том, что диссипативная структура (в данном случае дерево) претерпевает самоорганизацию — оно использует преимущества данного процесса для физического встраивания информации в образующую его органическую материю. Например, по мере роста дерева информация о климате, наличии воды, динамике солнечных пятен и многих других параметрах встраивается в круги, которые дерево каждый год добавляет к своей трехмерной структуре. В этом смысле дерево осуществляет все базовые операции, которые требуются от органического компьютера в соответствии с нашим критерием. И хотя у самого дерева нет прямого доступа к «памяти», сконцентрированной в виде кругов, внешние наблюдатели вроде нас могут до нее добраться^[6].

В более формальном виде мы с Рональдом определили следующее:

В открытой живой системе диссипация энергии позволяет информации физическим образом встраиваться в органическую материю.

Мы полагаем, что этот процесс не идентичен в разных формах жизни. Мы только что обратили внимание на то, что заключенная в древесных кольцах информация не может (насколько я могу судить) быть извлечена самим растением. Иными словами, само растение не имеет доступа к информации, требующейся, чтобы рассчитать, скажем, количество пятен на Солнце в предыдущем сезоне. Однако животные, обладающие мозгом, не только постоянно обращаются ко встроенной в их нервную ткань информации, но и используют ее как руководство для действий и поведения в будущем. В таком случае процесс превращения энергии в информацию лежит в основе важнейшего феномена, называемого обучением, и отвечает за накопление воспоминаний в головном мозге животного. Более того, поскольку в головном мозге этот процесс встраивания информации происходит напрямую через модификацию нервной ткани (т. е. через физическое изменение морфологических характеристик синапсов между двумя нейронами), можно сказать, что эта информация обладает «причинной эффективностью» в отношении нервной системы. Это означает, что процесс записи информации изменяет физическую конфигурацию (и, следовательно, функциональные параметры) сетей нейронов^[7]. В этом заключается основа мощнейшего нейрофизиологического свойства, называемого нейропластичностью (см. главу 4).

Записывание информации в головной мозг животного — это очень большой шаг вперед по сравнению с годичными кольцами деревьев. Но еще более впечатляющие результаты показывает человеческий мозг. В нем диссипация энергии отвечает не только за постоянное накопление воспоминаний в результате удивительного и уникального процесса, происходящего на протяжении длительного периода времени или даже всей жизни организма, за обучение и пластичность, но также за появление гораздо более ценного и редкого продукта — знания.

Энергия превращается в знания!

На мой взгляд, это можно считать кульминацией, самым революционным результатом термодинамического описания жизни.

На данном этапе необходимо описать одно очень важное термодинамическое понятие — энтропию. Энтропию можно определить множеством способов. Как вариант, можно представить ее в качестве меры разупорядочения молекул или случайного распределения в конкретной макроскопической системе. Иначе энтропия описывается как число микросостояний, которые конкретная система, например газ, способна принимать, не меняя макроскопического поведения. Представьте себе, что входите в огромный пустой танцевальный зал в отеле с одним маленьким, наполненным гелием воздушным шариком в руках, как на день рождения. Поскольку шар имеет маленький объем, молекулы гелия плотно прижаты друг к другу и имеют сравнительно низкий уровень разупорядочения, поскольку не могут удалиться на большое расстояние из-за ограниченного объема шара. Аналогичным образом количество микросостояний тоже сравнительно невелико: хотя каждый атом гелия может меняться местами с другими атомами, не приводя к смене макросостояния наполненного гелием шарика, их передвижения все же ограничены шаром, и они не могут занять другое положение в танцевальном зале. Какое бы определение вы ни использовали, в данном случае гелий находится в состоянии с низким уровнем энтропии. Но вот вы доходите до центра зала и решаете проткнуть шарик и выпустить гелий. Теперь гелий, который изначально был сжат в ограниченном пространстве (соответствующем объему шара), распространяется по всему залу гораздо большего объема, что значительно повышает степень разупорядочения молекул и неопределенность точной локализации каждой молекулы гелия. Эта неопределенность характеризует состояние с высоким уровнем энтропии.

Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман, один из создателей термодинамики, первым нашел способ описать это понятие на количественном уровне, создав статистическую формулу для энтропии природных веществ, таких как газы. Его формула выглядит так:

E = k × log n,

где E — энтропия, k — постоянная Больцмана, а n — общее число микросостояний системы.

Как следует из первой формулировки второго закона термодинамики, предложенной Уильямом Томпсоном в 1852 году, общая энтропия замкнутой изолированной системы со временем увеличивается. Этот закон применим ко всей вселенной, однако он не учитывает возникновения «локальных очагов сопротивления» со стороны живых организмов, которые оттягивают момент окончательного распада и рассредоточения. Эта партизанская война живых организмов хорошо отражена в работе другого знаменитого австрийца — лауреата Нобелевской премии физика Эрвина Шрёдингера, одного из титанов квантовой физики, который в книге «Что такое жизнь?» высказал предположение, что жизнь — это бесконечная борьба за создание и сохранение островков с пониженной энтропией, которые мы называем организмами. Как он писал, «существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив»^[8].

В книге «Вопрос жизни» британский биохимик из Университетского колледжа Лондона Ник Лейн дополнительно проясняет связь между энтропией и жизнью: «А главное вот что: чтобы обеспечивать рост и размножение, некоторые реакции должны непрерывно выделять тепло в окружающую среду, разупорядочивая ее»^[9]. И далее продолжает: «Мы и сами платим за свое непрерывное существование теплом, которое высвобождается в результате непрерывно протекающей реакции дыхания. Мы постоянно окисляем пищу кислородом, нагревая окружающее пространство. Потеря тепла — не побочный эффект, а совершенно необходимый для поддержания жизни процесс. Чем больше потеря тепла, тем выше доступный уровень сложности».

Используя терминологию Пригожина, можно сказать, что чем больше энергии рассеивает организм, тем большей сложности он может достигнуть!

В конце 1940-х годов концепции энтропии и информации оказались навечно тесно связаны благодаря работе американского математика и электромеханика Клода Шеннона, который в 1948 году в возрасте тридцати двух лет, будучи сотрудником лаборатории Белла, опубликовал в техническом журнале компании знаменитую работу длиной в 79 страниц. В своей «Математической теории коммуникаций» Шеннон впервые представил количественную теорию информации. Помимо прочего, эта статья навсегда вошла в анналы истории в качестве теоретической колыбели, из которой позднее появилась одна из самых важных математических единиц измерения, созданных человеком в XX веке, единица информации — бит.

За несколько лет до выхода этой революционной статьи, в 1937 году, Шеннон, тогда еще студент Массачусетского технологического института, показал, что для описания каких-либо логических или численных связей в электрических цепях достаточно лишь двух чисел (0 и 1) и соответствующей логики, называемой Булевой логикой в честь ее создателя Джорджа Буля. Эта потрясающая теория положила начало эпохе цифровых сетей — изобретение транзистора в той же лаборатории Белла и первая теория Алана Тьюринга для построения идеальной вычислительной машины сделали возможным создание цифровых компьютеров, кардинально изменивших жизнь человечества за последние восемьдесят лет.

В своей статье 1948 года Шеннон предложил статистическое описание информации, как его предшественники в предыдущем столетии предлагали количественное описание энергии, энтропии и других термодинамических параметров. Более всего Шеннона интересовало то, что он называл «фундаментальной проблемой коммуникации»: «точное или приблизительное воспроизведение в определенной точке сообщения, выбранного в другой точке». В шенноновском подходе к информации не отводилось никакой роли контексту, семантике или даже смыслу; все это были лишь ненужные усложнения узкой проблемы передачи информации, которую он хотел разрешить.

В своей книге «Информация: История, теория, поток» Джеймс Глик отлично суммирует основные выводы Шеннона из его поразившей мир вероятностной теории информации. Три из них имеют непосредственное отношение к нашему рассказу. Вот они:

1. Информация является мерой неопределенности и может быть измерена простым подсчетом количества возможных сообщений. Если через канал может пройти лишь одно сообщение, то в этом нет никакой неопределенности, а значит, и информации.

2. Информация — это неожиданность. Чем более обыденным является передаваемый по каналу символ, тем меньше информации передает канал.

3. В концептуальном плане информация соответствует энтропии — ключевому термодинамическому понятию, использованному Шрёдингером и Пригожиным для описания того, как диссипация энергии дает начало жизни из неживой материи.

К общим выводам из последнего шокирующего утверждения мы еще вернемся, но до этого важно показать, как записать статистические представления Шеннона об информации в виде уравнения. В этой математической формуле энтропия Шеннона (H) представляет собой минимальное количество битов, необходимое для точного кодирования последовательности символов, каждый из которых может встречаться с определенной вероятностью. В упрощенном виде формула выглядит следующим образом:

H (X) = ∑ p_ilog₂p_i

где p_i представляет собой вероятность появления каждого символа, передаваемого по каналу. В этом случае H измеряется в битах информации.

Например, если канал пропускает только один 0 или одну 1 с равной вероятностью 50 % для каждого из двух символов, для точного кодирования и передачи этого сообщения нужен один бит. С другой стороны, если канал пропускает только 1 (это означает, что вероятность появления этого символа составляет 100 %), значение H равно нулю: не передается никакой информации, поскольку сообщения не содержат никакой неожиданности. Но если длинная последовательность символов состоит из миллиона независимых битов (и каждый с равной вероятностью несет либо 0, либо 1), такой канал передает 1 миллион битов информации.

По сути, определение Шеннона означает, что чем более случайной является последовательность символов (чем она более «неожиданная»), тем больше информации в ней содержится. Точно так же, когда лопается шарик, гелий переходит из состояния с низкой энтропией в состояние с высокой энтропией, и количество информации, необходимой для описания локализации каждого атома гелия, тоже увеличивается из-за увеличения неопределенности локализации атомов в пространстве гораздо большего объема. Таким образом, согласно Шеннону, энтропию можно описать как количество дополнительной информации, необходимой для определения точного физического состояния системы с учетом ее термодинамической специфики. Иначе энтропию можно воспринимать в качестве меры недостатка информации о такой системе.

Успешность шенноновской концепции информации была очевидна — она быстро преодолела границы сферы, для которой была сформулирована изначально, и перетекла во множество других дисциплин, при этом изменив многие из них, иногда радикальным образом. Например, понимание того, что длинные последовательности четырех основных нуклеотидов позволяют нитям ДНК кодировать всю информацию, необходимую для воспроизведения организмов из поколения в поколение, ввело шенноновскую концепцию информации в сферу генетики и молекулярной биологии. С открытием генетического кода начал формироваться определенный консенсус. В общих чертах этот консенсус сводится к тому, что все наши знания о вселенной можно закодировать и расшифровать в битах — в соответствии с инновационным и революционным цифровым определением информации Шенноном. В статье «Информация, физика, квант: поиски связей» один из величайших физиков прошлого столетия Джон Арчибальд Уилер отстаивал свое мнение о том, что «информация дает начало всему, каждой частице, каждому силовому полю, даже самому пространственно-временному континууму». Он описывал это с помощью выражения «Все из бита» (It from Bit), которое немедленно вошло в оборот.

Теперь, после экскурса в такие отдаленные сферы, как термодинамика и зарождение информатики, мы готовы вернуться к нашему любимому дереву на променаде в Монтрё в Швейцарии и понять, что именно мы с Рональдом имели в виду. В целом мы выдвинули идею о том, что путем диссипации энергии живые системы самоорганизуются и встраивают информацию в свою органическую материю, создавая островки пониженной энтропии и отважно пытаясь затормозить, пусть даже совсем незначительно, движение к неизбежному разупорядочению и исчезновению, к которым, по-видимому, приближается вселенная. Хотя часть этой информации описывается классической формулой Шеннона, мы предполагаем, что основная часть рассеивается в ходе процесса, приводящего к физическому встраиванию информации разного типа в органические ткани. Мы с Рональдом решили назвать это гёделевской информацией в честь величайшего логика XX века Курта Гёделя, который продемонстрировал ограничения формальных систем, описываемых шенноновской информацией. Так что теперь, чтобы продолжить наш рассказ, нужно сравнить описания информации по Шеннону и по Гёделю.

Для начала гёделевская информация не бинарная и цифровая, а непрерывная или аналоговая, и ее включение в органические ткани подпитывается процессом рассредоточения энергии в организмах. Соответственно, гёделевская информация не может быть представлена в цифровой или дискретной форме и восприниматься как бинарные биты информации, проходящие через зашумленный коммуникационный канал. Чем сложнее организм, тем больше в нем накапливается гёделевской информации, встроенной в его органическую субстанцию.

Проиллюстрировать основные различия между информацией по Шеннону и по Гёделю можно на нескольких примерах. В процессе трансляции на рибосомах отдельные аминокислоты соединяются между собой в определенном порядке, образуя линейную последовательность белка. По мере диссипации энергии в ходе трансляции в эту линейную последовательность белка включается гёделевская информация. Однако, чтобы полностью передать смысл этой информации, исходная линейная последовательность аминокислот, описывающая белок, должна принять трехмерную конфигурацию, называемую третичной структурой. Кроме того, многие специфически упакованные субъединицы белков должны взаимодействовать друг с другом с образованием так называемой четвертичной структуры белковых комплексов, как в молекуле гемоглобина — переносящего кислород белка, содержащегося в эритроцитах крови. Гемоглобин связывает кислород и выполняет свою функцию только при условии формирования такой четвертичной структуры.

Хотя в правильных условиях линейные белковые цепи очень быстро приобретают третичную структуру, крайне сложно предсказать эту окончательную форму укладки на основании исходной линейной последовательности белка, используя алгоритм цифрового вычисления. Если пользоваться нашей терминологией, можно сказать, что гёделевская информация, заключенная в линейной последовательности белка, проявляется напрямую (то есть вычисляется) в физическом процессе фолдинга, приводящем к образованию трехмерной структуры белка. В терминах цифровой логики этот процесс может считаться не поддающимся обработке или расчету, что означает, что на основании одной лишь линейной аминокислотной последовательности нельзя предсказать финальную трехмерную структуру белка. Вот почему мы называем гёделевскую информацию аналоговой, а не цифровой. Ее нельзя свести к цифровому описанию, поскольку ее проявление зависит от непрерывного (или аналогового) процесса модификации биологической структуры, определяющегося законами физики и химии, а не алгоритмом, заложенным в цифровой компьютер.

Теперь давайте рассмотрим второй и гораздо более сложный пример. Представьте себе, что пара молодоженов утром первого дня своего медового месяца завтракает на балконе отеля с видом на Эгейское море на греческом острове Санторини. На фоне типичного розового рассвета в классическом гомеровском великолепии они берут друг друга за руки и сливаются в недолгом, но страстном поцелуе. А теперь переносимся на пятьдесят лет вперед. В день, который мог бы быть пятидесятой годовщиной их свадьбы, вдова — единственная живая свидетельница того утра — возвращается на тот же балкон того же отеля на Санторини и на рассвете заказывает такой же завтрак. Она завтракает в одиночестве, и хотя прошло уже полстолетия, она вновь живо ощущает то же глубокое чувство, вызванное прикосновением рук и губ любимого. И хотя в это утро небо скрыто облаками и нет ветра, в этот самый момент она чувствует, как переносится на тот рассветный Санторини и вновь переживает сладость утреннего эгейского бриза, ласкающего ее волосы, пока она прижимается к своему возлюбленному. По сути, вдова заново переживает те же ощущения, что и пятьдесят лет назад.

В соответствии с нашими представлениями то, что она испытывает, является явным проявлением гёделевской информации, которая ранее запечатлелась в ее памяти и оставалась там на протяжении пятидесяти лет, пока внезапно женщина не вспомнила, как впервые попробовала это блюдо греческой кухни. Но как бы она ни пыталась рассказать о своих ощущениях, она никогда не сможет полностью выразить словами те чувства, воспоминания, нежность, любовь и потерю. Дело в том, что, хотя гёделевская информация может отчасти проектироваться в шенноновскую информацию и передаваться с помощью письменной или устной речи, она не может полностью выразиться в этой усеченной цифровой форме.

Этот последний пример демонстрирует два интересных свойства. Во-первых, во время завтрака в медовый месяц часть сенсорных сигналов (вкусовых, зрительных, слуховых, тактильных) транслировалась в мозг двух взаимодействующих людей в основном в форме шенноновской информации. Когда эти мультимодальные сообщения достигли мозга, они и взаимосвязь между ними, а также возможные причинно-следственные связи сравнивались с существующей в мозге двух людей системой отсчета, сформированной на основе всего накопленного жизненного опыта (рис. 3.2). И далее результат этого сравнения встроился в кору в виде непрерывной гёделевской информации. Это означает, что человеческий мозг непрерывно превращает шенноновскую информацию, воспринятую извне нашими периферическими органами чувств (глазами, ушами, языком, кожей), в долгосрочные мнемонические записи в форме гёделевской информации. С другой же стороны, под действием аналогичных сенсорных стимулов, таких как вкус пищи, которую вы раньше уже ели в тех же условиях, записанные десятилетия назад воспоминания в форме гёделевской информации легко превращаются (хотя бы частично) в поток шенноновской информации, которую можно передавать. Та часть, которая не может претерпевать этих превращений, не отражается в словах и переживается как личные эмоции и ощущения. Следовательно, когда речь идет об этом типичном для людей переживании давнишних воспоминаний, нет никакого потока шенноновской информации, никакого математического алгоритма, никакого цифрового компьютера и никакого искусственного интеллекта, которые могли бы достаточно точно воспроизвести или сымитировать то, что каждый из нас переживает у себя в голове. Иными словами, одной шенноновской информации недостаточно, чтобы доходчиво описать все то, что способен сохранить, пережить и выразить мозг^[10]. Таким образом, как предполагает Рональд, если энтропия — это количество дополнительной информации, необходимой для характеризации точного физического состояния системы, гёделевская информация — это энтропия мозга. Иными словами, именно дополнительная порция информации, непередаваемая в терминах Шеннона, необходима для полного описания того типа встроенной в головной мозг информации, которая делает нас людьми. Следовательно, существование гёделевской информации является одной из ключевых причин, по которым цифровые компьютеры никогда не смогут воспроизвести функцию и волшебство человеческого мозга; цифровые компьютеры рассеивают энергию в виде тепла и безопасных электромагнитных полей, тогда как мозг животных и особенно человека использует диссипацию энергии для накопления гёделевской информации в нервных тканях (см. главу 6).

Рис. 3.2. Схема процесса превращения информации Шеннона в информацию Гёделя, возникновения ментальных абстракций и создания человеческой вселенной в результате наших попыток описания космоса (рисунок Кустодио Роса).

Один из наиболее интересных мне феноменов человеческого мозга — эффект фантомной конечности — может еще лучше показать различия между информацией по Шеннону и по Гёделю, поскольку наглядно иллюстрирует особенности восприятия человеческим мозгом потенциально конфликтующих или двусмысленных сообщений в отличие от цифрового компьютера. Представьте себе человека, который после ампутации правой ноги лежит на больничной койке и не видит своих ног, поскольку его тело полностью укрыто простыней. К нему подходит хирург, ампутировавший ногу, и сообщает, что, к сожалению, пару часов назад ногу пришлось ампутировать из-за развития гангрены. Хотя пациент теперь знает правду, он чувствует глубокое противоречие, поскольку до сих пор ощущает правую ногу под простыней как результат эффекта фантомной конечности — хорошо известного феномена, проявляющегося почти у 90 % пациентов после ампутации. Во всех этих случаях на протяжении еще долгого времени после ампутации (спустя месяцы и даже годы) пациенты сообщают о совершенно отчетливых и различимых тактильных ощущениях, включая боль и даже движения ампутированной конечности.

Поскольку наш гипотетический пациент все еще живо ощущает присутствие под простыней ампутированной ноги, он настаивает, что конечность не была ампутирована. Это, должно быть, какая-то ошибка или, хуже того, мошенничество, за которое вообще засудить надо! Сбитый с толку такой агрессией хирург начинает раздражаться и бестактно демонстрирует пациенту отрезанную ногу, чтобы убедить его в том, что ампутация имела место. И даже тогда, видя и узнавая свою ампутированную конечность, пациент продолжает чувствовать ногу и описывает врачу ощущение все еще связанной с телом ноги. Он даже чувствует движение ступни во время их разговора, хотя ампутированная нога в руках хирурга не шевелится.

Эта печальная сцена показывает, что человеческий мозг способен справляться с ситуациями, в которых реальность (отсутствие ноги) и ощущение (отчетливое восприятие ее присутствия) противоречат друг другу и сосуществуют в одном и том же мозге. Цифровой компьютер не смог бы справиться с такой неоднозначностью. Он бы завис, поскольку цифровая логика не может преодолеть «двойственность» такой ситуации. Для цифрового компьютера, использующего информацию Шеннона, нога либо присоединена (0) к телу пациента, либо ампутирована (1). И переходного состояния не существует. Но в человеческом мозге, обрабатывающем информацию Гёделя, эти состояния сосуществуют и обрабатываются таким образом, что пациент может ощущать и описывать зуд в уже не существующей ноге.

Как мы увидим далее, классические модели функционирования мозга вроде той, что была предложена Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем в 1960-х годах, не могут учитывать эффект фантомной конечности, поскольку в целом основаны на концепции информации Шеннона. Мы с Рональдом считаем, что эффект фантомной конечности можно интерпретировать через аналогию с первой теоремой Курта Гёделя о неполноте. Вот почему мы использовали имя Гёделя для обозначения нового типа физически встроенной информации: именно этот тип информации позволяет учитывать такие свойства, как интуиция — уникальное человеческое качество, которое, согласно Гёделю, требуется (в большей степени, чем синтаксический формализм) для решения математических загадок.

Примеры с медовым месяцем и фантомной конечностью иллюстрируют еще одно принципиальное различие между информацией Шеннона и Гёделя: в то время как информация Шеннона в основном имеет отношение к синтаксису сообщения, информация Гёделя отражает нашу способность придавать смысл внешним событиям и предметам и выражать семантику и даже двусмысленность получаемых и передаваемых сообщений.

В отличие от информации Шеннона, которую можно выразить вне зависимости от передающей ее среды (электрических проводов, нервов или радиоволн), информация Гёделя демонстрирует в организме причинную эффективность, только будучи физически встроенной в органическое вещество. Вспомните о годовых кольцах нашего любимого дерева: эти нарастающие отложения древесины являются результатом непрерывного процесса диссипации энергии, который приводит к ежегодному образованию нового кольца и встраиванию в ткани растения гёделевской информации о засухах, солнечных пятнах или обилии осадков. Невозможно отделить этот тип гёделевской информации от органической матрицы, описывающей историю жизни дерева. Иными словами, при нашем определении гёделевской информации имеет значение среда, в которую она встроена. Опять-таки, хотя заключенная в древесных кольцах информация недоступна для самого дерева, у животных с головным мозгом эта информация может считываться очень быстро и эффективно.

Причинную эффективность гёделевской информации можно проиллюстрировать на хорошо известном примере — на эффекте плацебо. Прекрасно знакомый врачам эффект плацебо заключается в том, что у значительной доли пациентов наблюдаются выраженные клинические улучшения при приеме полностью инертного вещества (вроде таблетки из муки), которое их врач называет «новым лекарственным средством». Иными словами, если врач, которому пациенты доверяют, говорит, что эти таблетки точно помогут, многие пациенты ожидают положительного эффекта лечения. И действительно, у значительной доли таких пациентов отмечаются некоторые клинические улучшения. Интересно, что назначение плацебо в такой форме, которая большинству людей сама по себе кажется эффективной, дает еще лучшие результаты. По некоторым данным, плацебо, прописанное в форме крупных и ярко окрашенных (например, красных) капсул, дает в среднем максимальный эффект. Эти результаты свидетельствуют о том, что культурные представления о медицине играют здесь важную роль и являются движущим фактором эффекта плацебо.

В нашем контексте эффект плацебо можно объяснить прямым воздействием сообщения врача, предложившего пациенту новое лечение, на нервную ткань. Хотя изначально это сообщение передается в виде облеченной в слова шенноновской информации, в головном мозге пациента эта информация соотносится с его собственными внутренними ожиданиями и представлениями и сохраняется в виде гёделевской информации. Подкрепляя исходную веру пациента в лекарство или метод лечения, сигнал плацебо действует непосредственно на нейроны, запуская процесс выброса нейромедиаторов и гормонов и приводя к электрическому возбуждению нейронов, которое, например, усиливает иммунную систему пациента — и это лишь одна из гипотез, объясняющих эффект плацебо. По нашему мнению, такая нейроиммунологическая связь объясняется причинной эффективностью гёделевской информации в отношении нервной ткани.

Эффект плацебо подкрепляет наше предположение о том, что, в то время как информация Шеннона выражается в виде жестких синтаксических правил с помощью целых чисел, битов и байтов, информация Гёделя, которая генерируется и хранится интегральной системой (мозгом), отражает богатый аналоговый диапазон причинно-следственных связей и семантических конструкций, усиливающих смысл и доходчивость человеческой речи; и это основной метод взаимодействия человека с собственными мыслями, эмоциями, чувствами, ожиданиями и глубокими убеждениями.

Еще одна важная особенность гёделевской информации заключается в том, что ее количество и сложность различны в разных организмах. Это означает, что в отличие от информации Шеннона, которая увеличивается с повышением энтропии системы, гёделевская информация наращивает сложность как раз при снижении энтропии, происходящем в далеких от равновесия термодинамических островках, которые мы называем живыми системами. Таким образом, информация Шеннона определяется степенью неопределенности и неожиданности в проводящем канале, а информация Гёделя увеличивается с повышением уровня сложности биологической структуры или функции, адаптационной способности организма, его стабильности и выживаемости, которые выражаются в усилении способности противостоять распаду. Чем сложнее организм, тем больше в нем накапливается гёделевской информации. Таким образом, в соответствии с нашей теорией, путем рассредоточения энергии для записи гёделевской информации организмы пытаются максимально продлить свое существование за счет усиленного накопления солнечной энергии и в конечном итоге воспроизведения самих себя путем передачи ДНК следующим поколениям.

Этот процесс достигает кульминации у человека, поскольку именно гёделевская информация используется для производства знаний, культуры, технологии и создания больших взаимодействующих социальных групп, значительно повышающих наши шансы на успешную адаптацию к изменяющимся условиям внешней среды.

Концепция гёделевской информации также объясняет неосознанность, которой отличается большая часть процессов в мозге. Пояснить эту мысль может помочь, к примеру, классический эксперимент, проведенный в начале 1980-х годов американским нейробиологом Бенджамином Либетом. В ходе эксперимента Либета (рис. 3.3) человека сажают напротив экрана с изображением циферблата настенных часов, вдоль которого перемещается точка. На человека надевают шлем, чтобы экспериментатор мог постоянно регистрировать электрическую активность мозга испытуемого, используя классический метод электроэнцефалографии. Участника эксперимента просят выполнить простую задачу — в любой момент, когда захочется, нажать на кнопку указательным пальцем. Кажется, все довольно просто. Однако, чтобы было интереснее, Либет просил участников использовать движущуюся вдоль циферблата точку для обозначения того момента, когда они осознают свое желание согнуть палец. С помощью этого простого устройства Либет сумел зарегистрировать три момента времени (рис. 3.3): когда человек нажимает на кнопку, когда он решает нажать на кнопку, по его собственным словам, в зависимости от положения точки на циферблате и когда начинает меняться состояние его головного мозга, по данным электроэнцефалограммы. Как видно из рисунка 3.3, хотя осознанное решение человек, по его словам, принимает примерно за 200 миллисекунд до нажатия пальцем на кнопку, повышение активности на ЭЭГ отмечается примерно за 500 миллисекунд до этого действия.

Рис. 3.3. Классический вариант эксперимента Либета (рисунок Кустодио Роса).

Существует множество разных и порой противоречащих друг другу интерпретаций результатов эксперимента Либета. Большинство людей воспринимают их в качестве однозначного подтверждения того, что многое в человеческом мозге происходит неосознанно, поскольку изменение электроэнцефалограммы происходит примерно за 300 миллисекунд до того, как человек осознает свою готовность нажать на кнопку, следовательно, он не обладает свободой воли. Я не буду здесь углубляться в эту дискуссию. Нам с Рональдом любопытные наблюдения Либета интересны совсем в ином ключе. Несмотря на то что все в основном обращают внимание на тот факт, что за 500 миллисекунд до нажатия на кнопку мозг человека уже выполняет соответствующие операции, пусть даже на подсознательном уровне, мы с Рональдом заинтересовались другими вопросами. Какой процесс (или процессы) в первую очередь предшествуют этому неосознанному изменению ЭЭГ? И откуда берется этот сигнал? Мы предположили, что еще раньше, чем за 500 миллисекунд, отделяющих нажатие на кнопку от подъема сигнала на ЭЭГ, мозг человека пытается добраться до гёделевской информации в неокортексе (и, возможно, в субкортикальных структурах, активность которых нельзя зафиксировать с помощью ЭЭГ). Как только эта гёделевская информация становится доступна (неосознанно), она организует потоки шенноновской информации, которую можно зарегистрировать с помощью ЭЭГ, и именно это происходит за 500 миллисекунд до того, как человек двигает пальцем и нажимает на кнопку. Как только высокоразмерная гёделевская информация трансформируется в низкоразмерную шенноновскую информацию, создается исполняемая моторная программа, которая может быть передана по нервам (нейробиологическим эквивалентам шенноновских коммуникационных каналов) от первичной моторной коры к спинному мозгу, а оттуда — к мышцам, и в результате осуществляется движение. Таким образом, согласно нашей интерпретации этого эксперимента, высокоразмерная гёделевская информация является истинным источником шенноновской информации, измеряемой по сигналу ЭЭГ за 500 миллисекунд до нажатия на кнопку. Вообще говоря, в таком контексте фиксация сигнала ЭЭГ за 500 миллисекунд до движения не указывает на отсутствие свободы воли. Свобода воли может проявляться до какой-либо измеряемой активности на ЭЭГ, когда гёделевская информация становится доступна и считывается при подготовке к последующему движению.

Раньше мы с Рональдом часто использовали еще один пример для иллюстрации несоответствий в том, что измерения активности мозга рассказывают о внутренних процессах, происходящих в нашем мозге. Представьте себе, что ученый хочет экспериментальным путем показать, что именно происходит в тот момент, когда человек рассматривает на экране компьютера серию картинок, среди которых есть неприятные изображения. Чтобы зарегистрировать влияние этих изображений на мозг человека, ученый решает измерить электрическую активность мозга с помощью ЭЭГ, а также получить изображения высокого разрешения методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) в тот момент, когда человек разглядывает изображения на мониторе. Поскольку выбранные экспериментатором методы анализируют активность мозга извне, обычно они позволяют получить только информацию Шеннона. Параллельно с получением сигналов ЭЭГ и МРТ экспериментатор также просит человека рассказывать об ощущениях, вызываемых у него изображениями. При наличии обоих наборов данных можно проанализировать корреляцию между количественными мерами активности мозга (данные ЭЭГ и МРТ) и тем, что участник эксперимента передает с помощью слов. Ученый обнаруживает, что объективные параметры активности мозга не всегда хорошо коррелируют с ощущениями, переданными при помощи речи. Если учесть, что даже слова для описания ощущений являются лишь низкоразмерной проекцией высокоразмерной гёделевской информации, хранящейся в мозге человека, становится понятно, насколько сложно осуществить количественную оценку всей гёделевской информации, которую может содержать такой мозг, как наш.

Но это еще не все. Поскольку мозг представляет собой сложную динамическую систему, он умеет создавать разные эмерджентные свойства при неизмеримо малых различиях начальных условий. Следовательно, при работе с живым мозгом у доблестного и преданного своему делу ученого из нашей истории нет возможности измерить все необходимые показатели в режиме реального времени. Даже если можно было бы произвести все необходимые измерения, мы бы не всегда знали, как их перевести в человеческие ощущения.

Поскольку человеческий мозг способен отображать и шенноновскую, и гёделевскую информацию, а также из-за невозможности нахождения идеальной корреляции между ними, в рамках традиционного научного подхода перед нами встает серьезнейшая проблема. Конкретный физический объект, который мы называем человеческим мозгом, занимает весьма специфическое место среди объектов изучения естественных наук. В этом случае внешняя информация (цифровая и формальная) никогда не сможет полностью описать всю реальность, описываемую внутренней информацией (аналоговой и интегральной). Именно эта внутренняя информация обладает уникальностью, возникающей в результате слияния информации и материи в мозге — без сомнения, самом мощном вычислительном инструменте, дарованном нам эволюцией.

В целом различия между шенноновской и гёделевской информацией можно описать следующим образом: информация Шеннона символическая; это означает, что получатель сообщения, содержащего информацию Шеннона, должен расшифровать ее, чтобы извлечь какой-то смысл. И для этого ему, понятное дело, нужно знать ключ шифрования до получения сообщения, и если в самом сообщении ключ отсутствует, информация останется недоступной. К примеру, без внешнего ключа для вас не имели бы смысла строки, которые вы сейчас читаете. Смысл сообщения необходим мозгу, чтобы что-то с ним сделать. Информация же Гёделя, напротив, не требует никакого ключа; ее смысл мгновенно распознается мозгом любого человека. Это объясняется тем, что смыслом сообщение наделяет мозг, который получает или создает это сообщение. Как говорит Хомский^[11], «в речи самое главное то, что не произносится».

Возможно, вы задаетесь сейчас вопросом: а нужно ли вообще вводить понятие гёделевской информации? Мой ответ — безусловно! Как мы видели, понятие гёделевской информации позволило получить несколько новых и интересных заключений и гипотез. Прежде всего, оно дало нам возможность сформулировать определение организма в качестве компьютера нового класса. Существует много типов искусственных компьютерных устройств: механические вычислительные устройства, такие как счеты и разностная машина Чарлза Бэббиджа, аналоговые компьютеры, такие как логарифмическая линейка, цифровые компьютеры, такие как переносные компьютеры и планшеты, которые мы сегодня так активно используем, а также самые современные квантовые компьютеры. Как мы обсуждали в начале главы, мы с Рональдом предположили, что организмы можно считать особым классом вычислительных устройств. Мы называем их органическими компьютерами: это устройства, в которых вычисления осуществляются при помощи их собственной трехмерной органической структуры.

Наша концепция органических компьютеров применима на разных уровнях организации живых существ — от самых крохотных наномашин, действующих за счет синхронной совместной работы множества взаимосвязанных молекул (таких как белковые комплексы, например АТФ-синтезирующая нанотурбина, или комплексы белков и липидов, как в клеточных мембранах), до групп генов, которые должны работать вместе, чтобы кодировать определенный физический признак, или — в чуть более крупном масштабе — очень сложных микроэлектростанций (хлоропластов и митохондрий), позволяющих растениям и животным жить за счет выработки энергии для групп клеток, формирующих органические ткани, или обширных сетей нейронов в мозге животного, а также мозгосетей, состоящих из отдельных существ, взаимодействующих синхронно в социальных группах животных.

Хотя в органических компьютерах невозможно отделить аппаратную часть от программного обеспечения, такие биологические вычислительные системы могут использовать в своей работе как шенноновскую, так и гёделевскую информацию. Но по мере усложнения органической структуры усиливается роль встроенной гёделевской информации, поскольку из-за своей аналоговой (в том смысле, что она не может быть полностью описана цифровыми символами или сведена к ним) природы она не может быть правильно загружена, извлечена или симулирована цифровой системой. Однако это не означает, что органические компьютеры нельзя программировать. Совсем наоборот. Этой важной теме посвящены главы 7 и 11.

На начальных этапах эволюции на Земле простейшие организмы, которые не могли самовоспроизводиться, поскольку еще не существовало ДНК или РНК, представляли собой лишь крохотные, окруженные мембраной везикулы, внутри которых происходило лишь несколько основных химических реакций, поддерживающих жизнь на протяжении короткого отрезка времени. На этой стадии цикл солнечного света и условия окружающей среды программировали жизнь всех организмов на Земле. В таком контексте использование гёделевской (аналоговой) информации, которая формировалась в результате превращения рассеивающейся энергии в первые следы органического материала, предшествовала использованию организмами шенноновской (цифровой) информации, которая стала доступна только с появлением механизмов самовоспроизведения, основанных на ДНК и РНК. Поэтому до того, как рибосомы стали выступать в роли этакой машины Тьюринга и производить белки с помощью матричной РНК, синтезирующейся на основе цепочек ДНК, должны были существовать аналоговые мембраны, позволявшие формироваться крохотным частицам и отделять от внешней среды вещества, необходимые для существования самых первых форм жизни на нашей планете. Таким образом, в отношении живых существ можно говорить о принципе «от бытия к битам» (from BEing to BITing): первые организмы сначала должны были возникнуть (в органическом смысле) и лишь после накопления какого-то базового количества гёделевской информации смогли начать передавать биты информации для самовоспроизведения.

К тому времени, когда «информационные молекулы», такие как РНК и ДНК, стали передавать генетическую информацию внутри организмов или их потомкам, они уже были возведены в ранг важнейших «программистов», которые создают трехмерную структуру, определяющую свойства организма. Когда вирус инфицирует клетку носителя, он использует собственную РНК для перепрограммирования генетической машины своей жертвы и создания множества новых вирусных частиц. Аналогичным образом ДНК содержит ценнейшие цифровые инструкции для построения любого организма в виде точной трехмерной реплики его предков. Используя современную аналогию, можно сказать, что РНК и ДНК содержат в себе программные инструкции (в формате шенноновской информации), позволяющие осуществлять трехмерную печать органических компьютеров.

Однако для функционирования и выживания сложных живых существ требуется дальнейшее программирование. Способствуя дополнительному накоплению гёделевской информации и усилению биологической сложности, эволюция в конечном итоге создала нервную систему, способную хранить информацию в памяти и обучаться путем взаимодействия с внешним миром. В какой-то момент среди этой эволюционной мозаики возникла нервная система приматов. И с тех пор в каждом когда-либо жившем на земле человеческом существе после формирования из органического вещества исходной трехмерной структуры мозга на основании содержащихся в нашем геноме инструкций все движения нашего тела, наши социальные взаимодействия, речь, человеческая культура и в конечном итоге технология взяли на себя роль программирования самого сложного и продуманного органического компьютера — Истинного творца всего.

Глава 4
Динамическая подпитка мозга. Биологические соленоиды и принципы функционирования

Уже 100 тысяч лет назад нервная система каждого человека могла похвастаться 86 миллиардами органических процессоров (нейронов), между которыми могло существовать от 100 триллионов до квадрильона прямых контактов (синапсов). В этой невероятной нейронной мастерской Истинный творец всего начал свою работу над человеческой вселенной в том виде, в котором мы знаем ее сегодня.

Масса коры мозга, об эволюции которой мы говорили выше, составляет около 82 % массы всего человеческого мозга. Удивительно, но на нее приходится лишь 19 % (около 16 миллиардов) нейронов мозга. Для сравнения в человеческом мозжечке — важнейшем скоплении серого вещества, отвечающем за контроль двигательной функции, на долю которого приходится лишь 10 % массы мозга, — упаковано около 69 миллиардов нейронов, так что это очень плотный кластер нейронов. Однако мозжечок, насколько мы можем судить, не сочинял сонетов и пьес Шекспира и не проектировал космических кораблей, позволяющих нам осваивать космическое пространство (хотя он помогал их строить). Вот почему с этого момента, говоря о том, каким образом Истинный творец всего справляется со своими самыми сложными задачами, мы будем в основном обращать внимание на новую кору.

В оптимизации работы коры важнейшую роль играет сложная сеть белого вещества. Несколько плотных упаковок нервных волокон (рис. 4.1) белого вещества образуют петли, связывающие между собой скопления серого вещества. Я называю эти петли биологическими соленоидами — по аналогии с катушками в электромагнитах. Самой крупной из этих биологических катушек является мозолистое тело.

Рис. 4.1. Типичные петли белого вещества коры, наблюдаемые при помощи диффузионно-тензорной томографии (изображения любезно предоставлены Алленом Сонгом).

Мозолистое тело — это толстый слой ткани примерно из 200 миллионов нервов, расположенный вдоль продольной оси головного мозга, который обеспечивает обмен информацией между двумя полушариями мозга и координацию их активности. Между задней и передней частями мозолистого тела коры имеются значительные структурные различия, включающие в себя среди прочего плотность и диаметр аксонов, проводящих электрические импульсы (так называемые потенциалы действия), а также степень миелинизации аксонов. Особый тип поддерживающих клеток мозга образует вокруг нервных волокон слой миелина. Обертывание нервных волокон слоем миелина обеспечивает крайне высокую скорость передачи потенциала действия миелинизированными аксонами. Как следствие, миелинизированные нервы затрачивают на процесс передачи меньше энергии. Например, если немиелинизированное нервное волокно группы C диаметром 0,2–1,5 мкм проводит потенциал действия примерно со скоростью 1 м/с, в крупном миелинизированном волокне такой же электрический импульс перемещается со скоростью около 120 м/с, или более 400 км/ч. Таким образом, время передачи информации между полушариями по всей длине волокна весьма разнится в зависимости от того, из какого участка коры поступают сигналы. В целом эти различия в скорости передачи сигнала статистически описываются распределением в форме широкой колоколообразной кривой. Например, в соответствии с этим распределением обмен информацией между полушариями в моторных и сенсорных областях происходит очень быстро, поскольку они соединены толстыми миелинизированными аксонами мозолистого тела. Напротив, связь между так называемыми ассоциативными зонами в лобной и теменной долях осуществляется намного медленнее.

Мы точно не знаем, каким образом 200 миллионов волокон мозолистого тела координируют работу двух полушарий мозга. Однако мы знаем, что мозолистое тело действительно их синхронизирует, поскольку при его удалении полушария начинают действовать независимо. Глубокие исследования пациентов с так называемым расщеплением мозга начались много десятилетий назад, когда соответствующий тип хирургического вмешательства стали использовать для предотвращения распространения серьезных нарушений с одного полушария мозга на другое. В 1981 году американский нейробиолог Роджер Сперри был удостоен Нобелевской премии по медицине^[12] за прорыв в изучении пациентов с расщепленным мозгом и функции мозолистого тела.

У большинства людей некоторые ключевые функции мозга, такие как речь, латерализованы в коре, т. е. осуществляются в основном в одном из полушарий (так, у правшей за речь отвечает левое). В результате латерализации пациенты с расщепленным мозгом не всегда могут описать словами то, что они видят. Например, если какое-то изображение находится в левой части их поля зрения или если их просят держать левой рукой предмет, который они не видят, они просто не могут назвать или описать этот предмет или изображение. И дело не в том, что они не знают ответа на вопрос. Знают. Проблема в том, что стимулы, поступающие с левой стороны, обрабатываются правой частью мозга. Поскольку мозолистое тело отсутствует, правое полушарие не способно сообщаться с речевой зоной левого. На самом деле пациенты с расщеплением мозга могут левой рукой выбрать из набора предметов один предмет, который идентичен тому, что они держали за минуту до этого; они осознают, что видят и до чего дотрагиваются. Но они не могут об этом рассказать.

Внутри каждого полушария находится множество других крупных петель и пучков белого вещества, связывающих между собой разные области коры. Одна из таких систем, обеспечивающая важную связь между лобной, теменной и височной долями, образована тремя плотно упакованными нервными пучками с очень высокой проводимостью. Первый из них называется крайней (наружной) капсулой и обеспечивает связь между ключевыми участками височной доли (например, находящимися в верхней височной борозде, sulcus temporalis superior, STS, и нижней височной зоне) и нижней частью префронтальной коры. Вторая система, связывающая STS с участком теменной коры, образована так называемыми медиальными и задними продольными пучками. Наконец, существует верхний продольный пучок, осуществляющий связь между теменной и лобной долями. Вместе эти три пути вовлечены в обеспечение таких ключевых функций, как речь, изготовление орудий и мимикрия движений.

Еще один важнейший скоростной коммуникационный путь мозга — кортико-таламо-кортикальная петля, которая обеспечивает взаимодействие между корой и таламусом — важнейшей субкортикальной структурой, получающей основной поток сенсорных данных от периферических нервов. Поэтому этот мультимодальный сенсорный путь является важнейшим элементом в механизме непрерывного сравнения данных между уже имеющимися у мозга данными и набором сырой информации, поступающей из внешнего мира. Эта петля также играет важную роль в синхронизации электрической активности коры и таламуса.

Еще одна важная особенность человеческого белого вещества заключается в его развитии. По сравнению с мозгом наших родственников шимпанзе человеческий мозг на момент рождения организма еще сравнительно неразвит и достигает зрелости только через два десятилетия. Кроме того, хоть мы и рождаемся примерно с тем количеством нейронов, которое будем иметь на протяжении всей жизни, на пик своего функционирования белое вещество выходит лишь через тридцать или даже сорок лет. В частности, в префронтальной зоне лобной доли связи между нейронами (как синапсы, проводящие потенциалы действия между нейронами, так и дендриты, принимающие эти сообщения) достигают полной зрелости только на третьем десятке жизни. Все это означает, что процесс увеличения объема мозга после рождения связан с разрастанием и усложнением белого вещества. Этот длительный процесс созревания (и возможность его нарушения) объясняет подверженность человека ментальным нарушениям, таким как шизофрения и аутизм, в детские годы и в подростковом возрасте. Отсроченное созревание белого вещества также помогает объяснить изменения поведения и мыслительных функций, которые все мы переживаем в первые десятилетия жизни. Поэтому, когда в следующий раз будете иметь «дружескую» дискуссию со своим бунтующим ребенком-подростком, просто сделайте глубокий вдох и вините вместо него во всем медленное созревание белого вещества!

Одно из самых замечательных открытий в области изучения мозга за последние пятьдесят лет было сделано группой нейробиологов под руководством Джона Кааса из Университета Вандербильта и Майкла Мерзенича из Университета Калифорнии в Сан-Франциско, которые в начале 1980-х годов убедительно показали, что сложные сети нейронов, определяющие функцию мозга млекопитающих и приматов, находятся в постоянном динамическом развитии на протяжении всей жизни. Наш мозг изменяет сам себя, как в анатомическом, так и в физиологическом плане, в ответ на все и на всех, с кем мы взаимодействуем по мере получения новых навыков, и даже когда в нашем теле или вокруг нас происходят значительные изменения. Нейробиологи называют это свойство пластичностью мозга, и оно является важнейшим ключом в раскрытии глубочайших тайн Истинного творца всего.

Изменение нейропластичности на уровне синапсов происходит несколькими путями. Например, количество и распределение синапсов может значительно изменяться при обучении новому навыку или в ходе восстановления после повреждения периферических частей тела или самого мозга. Даже у взрослых животных некоторые нейроны могут создавать новые синапсы, что способствует укреплению связи с отдельными или со всеми целевыми нейронами. Возможен и обратный процесс, когда одни нейроны ликвидируют синапсы, тем самым ослабляя связь с другими. Степень влияния каждого синапса на конкретный нейрон также может значительно изменяться в зависимости от того, что происходит с нашим мозгом. Фактически любой стимул может изменить тонкую микроструктуру и функцию сотен триллионов синаптических связей, посредством которых осуществляется контакт между десятками миллиардов нейронов коры.

Посвятив более десяти лет изучению пластичности мозга, летом 2005 года я предложил нейробиологу Эрику Томсону, работавшему в моей лаборатории в Университете Дьюка, весьма неортодоксальный способ попытаться понять, насколько далеко распространяется данное явление. Мы разработали эксперимент со взрослыми крысами, с помощью которого хотели проверить, поможет ли максимальная степень пластичности приобрести совершенно новые ощущения в дополнение к традиционным, с которыми животные родились (тактильным, зрительным, слуховым, вкусовым, обонятельным, вестибулярным). Мы решили попробовать научить крыс «дотрагиваться» до невидимого инфракрасного света. Для этого нам потребовалось создать устройство, превращающее инфракрасное излучение от внешнего источника в поток электрических импульсов (именно этот язык мозг использует для передачи сообщений), которые дальше могут передаваться в первичную соматосенсорную кору животного — основную зону, ответственную за создание тактильных ощущений у млекопитающих. Направляя эти новые электрические стимулы в первичную соматосенсорную кору, мы хотели понять, смогут ли наши «киберкрысы» научиться обрабатывать инфракрасное излучение в качестве дополнительного элемента тактильного восприятия.

С этой целью Эрик сконструировал устройства, состоящие из нескольких инфракрасных сенсоров (от одного до четырех), и разместил их на голове у крыс (рис. 4.2). Каждый сенсор фиксировал инфракрасное излучение в пространственном секторе охватом около 90 градусов, что означает, что устройство с четырьмя сенсорами обеспечивало крысе полный обзор окружающего пространства в инфракрасном спектре. В соматосенсорной коре нашей целью был участок, называемый бочонком, который обрабатывает поступающие тактильные сигналы, возникающие при стимуляции усов крысы. Усы крыс, подобно кончикам пальцев у приматов, являются самыми чувствительными тактильными органами, а потому значительная площадь соматосенсорной коры мозга крыс вовлечена в обработку тактильных сигналов, создаваемых этими волосками на мордочке.

Рис. 4.2. Первая конфигурация инфракрасного нейропротеза, использованного Эриком Томсоном в экспериментах в нашей лаборатории. А: Схема камеры, в которой фиксировалось поведение крыс при решении задач на дискриминацию инфракрасного (IR) света. На внутренней поверхности большого (60 см) цилиндра симметрично установлены четыре порта с отверстиями для носа, источником IR и видимого света. B: Топографическое расположение четырех имплантатов в первичной соматосенсорной коре мозга крысы (S1), проводящих электрические сигналы от четырех детекторов IR. Сенсоры IR расположены под прямым углом по отношению друг к другу, каждый совмещен со своей парой стимулирующих электродов в S1. C: Частота стимуляции зависит от интенсивности IR в каждом сенсоре. Интенсивность каждого IR луча конвертируется в реальном времени в сигнал с разной частотой стимуляции в соответствующем канале. D: График в полярных координатах, отражающий ответ каждого сенсора IR в зависимости от угла, когда сенсорная антенна находится в фиксированной позиции по отношению к единственному активированному источнику IR. Точка на окружности (вверху справа) указывает относительное расположение источника IR. E: Профиль ответа, выраженного как полная ширина на половине высоты (FWHM), в зависимости от положения в камере. Черная точка соответствует положению активного источника IR, а FWHM — среднее значение FWHM для всех четырех сенсоров в данном положении (см. D). Если удаляться от источника или перемещаться вбок, профиль ответа сужается. Черная точка обозначает ситуацию, представленную на рисунке D. Hartmann K. et al. Embedding a Novel Representation of Infrared Light in the Adult Rat Somatosensory Cortex through a Sensory Neuroprosthesis. Journal of Neuroscience 36, no. 8, February 2016: 2406–24.

Мы начали эксперимент с того, что стали обучать крыс следить за пучком видимого света, подводившего их к лакомству. Когда они научились решать эту базовую задачу, мы подключили инфракрасные сенсоры Эрика, чтобы понять, смогут ли они находить угощение, фиксируя и отслеживая пучок инфракрасного излучения путем прикосновения. Для этого Эрик установил на внутренней поверхности круглой камеры, где во время эксперимента находились «киберкрысы», источники инфракрасного излучения в позициях 0, 90, 180 и 270⁰. Положение излучателей позволяло нам выборочным образом изменять источник луча во время эксперимента, чтобы мы могли быть уверены в том, что крысы находят угощение не с помощью обычных органов чувств. Поначалу мы встраивали крысам лишь один сенсор инфракрасного излучения. Животным потребовалось около четырех недель, чтобы научиться успешно «дотрагиваться» до инфракрасного луча и следовать вдоль него в поисках лакомства более чем в 90 % экспериментов.

В первых экспериментах наши «киберкрысы» демонстрировали очень интересные особенности поведения: поначалу они крутили головой в горизонтальной плоскости, как будто сканировали пространство вокруг себя в поисках сигнала; при появлении инфракрасного луча крысы всегда терли мордочку передними лапами, прежде чем начинали следовать за лучом в сторону конкретного излучателя. Хотя первое наблюдение показало, что крысы разработали собственную стратегию для обнаружения первых признаков появления инфракрасного луча, второе говорило скорее о том, что они чувствовали инфракрасное излучение, как будто их усики касались чего-то во внешнем пространстве. Однако на деле они ни до чего не дотрагивались. Это мозг крыс обучался обрабатывать поступающий сигнал инфракрасного света в качестве некоего действующего на усики тактильного стимула!

Хотя эти результаты уже были весьма обнадеживающими, самый большой сюрприз ждал нас чуть позже, когда Эрик начал анализировать записи электрической активности отдельных нейронов в соматосенсорной коре мозга наших крыс, следивших за инфракрасным излучением. Значительная доля их нейронов, которые раньше возбуждались только тогда, когда животные касались чего-либо усиками, теперь приобрели способность реагировать на присутствие в окружающей среде инфракрасного излучения (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Отдельные нейроны соматосенсорной коры (S1, A) отвечают и на механическую стимуляцию усиков на мордочке животного (верхняя полоса, B), и на IR-излучение в случае крыс с имплантированным нейропротезом (нижняя полоса, C), передающим электрический стимул на первичную соматосенсорную кору (S1). Верхняя полоса, A: Уплощенные срезы коры в S1 полушариях мозга одного животного демонстрируют расположение электродов. Звездочки указывают места вживления электродов. B: Очень стойкие ответы для 15 нейронов S1 у того же животного, вызванные сенсорным стимулом и сопровождающиеся механическими отклонениями усиков, проявляются в виде четких пиков электрической активности нейронов на перистимулярных временных гистограммах (PSTH). Такой тактильный ответ нейронов был получен после обучения животных распознанию IR-сигналов. Ширина столбика гистограммы PSTH — 1 мс. C: PSTH описывает электрический ответ нейронов S1 на сигналы IR-стимуляции. Стрелки указывают на расположение нейронов в коре S1. Правый график отражает z-значение для потенциалов действия как функцию числа активированных стимулирующих каналов. Это типичная картина, при которой максимальный ответ наблюдается при одновременной активации двух каналов. C модификациями из работы: Hartmann K. et al. Embedding a Novel Representation of Infrared Light in the Adult Rat Somatosensory Cortex through a Sensory Neuroprosthesis. Journal of Neuroscience 36, no. 8, February 2016: 2406–24.

В следующем эксперименте мы использовали четыре сенсора инфракрасного излучения, позволявшие получать панорамное изображение цилиндра. В этой серии экспериментов для освоения такой же задачи крысам потребовалось всего три дня, а не четыре недели. Контрольные эксперименты показали, что даже при изменении картины пространственного взаимодействия между выходами инфракрасных сенсоров и различными подобластями соматосенсорной коры мозга крысы быстро переучивались отслеживать инфракрасные лучи и успешно находить с их помощью лакомство более чем в 90 % случаев.

В целом эти две группы экспериментов четко подтвердили возможность приобретения крысами нового тактильного ощущения. Примечательно, что это происходило не за счет уже существовавшего репертуара возможностей: к лету 2016 года Эрик показал, что ни одна из крыс, способных распознавать инфракрасное излучение, не утратила способности использовать усики для выполнения стандартных задач по тактильной дискриминации, которые они выполняют с таким мастерством. Иными словами, участок коры, который ранее занимался исключительно обработкой одного важнейшего типа сигнала (в данном случае тактильной информации), превратился в мультифункциональный участок мозга, хотя за долгую эволюционную историю этого живучего вида ни одна крыса никогда не ориентировалась на сигналы такого рода. В целом можно сказать, что благодаря использованию сенсорных нейропротезов головной мозг наших модифицированных крыс получил способность создавать новые изображения окружающего мира на основании инфракрасных сигналов в дополнение к уже существующему тактильному представлению.

Как и результаты проекта «Снова ходить», наши эксперименты с крысами и инфракрасным излучением представляют собой весьма значимый новый этап в серии научных достижений в сфере выявления и характеризации ключевых функциональных принципов, определяющих работу человеческого мозга.

Такое увлечение нейронными сетями головного мозга восходит к истокам современной нейробиологии. Основателем этого направления можно считать гениального британского ученого XIX века Томаса Юнга — настоящего человека эпохи Возрождения, который, среди прочих своих достижений, провел ставший ныне классическим эксперимент с двумя щелями, показавший волновую природу света. Юнг сделал несколько открытий в области нейробиологии еще до того, как данная сфера науки получила свое название. Одним из его достижений в этой области было предложение трихроматической гипотезы для объяснения цветного зрения: Юнг утверждал, что сетчатка человеческого глаза может кодировать любой цвет с помощью лишь трех типов цветовых рецепторов, ответственных за восприятие света в частично перекрывающихся участках спектра. Согласно теории Юнга, это возможно благодаря соответствию профиля ответа каждого из этих трех типов рецепторов сетчатки колоколообразным зависимостям с максимумами в разных областях спектра (где их реакция на конкретный цвет максимальная) и тому, что все они частично перекрываются между собой (рис. 4.4). Это последнее замечание означает, что каждый рецептор отвечает также и на многие другие цвета, но в меньшей степени. Время показало, что Юнг был абсолютно прав, хоть и выдвинул все эти гипотезы, даже не дотрагиваясь до сетчатки глаза, чтобы провести ее гистологический анализ.

Рис. 4.4. Схематичное представление классической трихроматической теории Томаса Юнга. Nicolelis M. A. L. Brain-Machine Interfaces to Restore Motor Function and Probe Neural Circuits. Nature Reviews Neuroscience 4, no. 5, May 2003: 417–22. Портрет Юнга: Национальная портретная галерея Лондона.

Модель Юнга для функции нейронов была первым примером популяционной, или распределенной, модели нервной системы. В целом такая модель предполагает, что для реализации любой функции мозга требуется совместная активность большого количества нейронов, распределенных по многим областям мозга. Альтернативная модель, в рамках которой отдельные области мозга отвечают за отдельные неврологические функции, называется локализационной моделью. Подробный рассказ о двухсотлетнем противостоянии сторонников распределенной и локализационной моделей можно найти в моей предыдущей книге «За пределами границ». В данной книге достаточно лишь сказать, что для нахождения ответа на вопрос о том, какая из двух моделей лучше описывает способность мозга творить чудеса, потребовалось целых два столетия.

Наиболее твердые свидетельства в пользу справедливости распределенной модели были найдены за последние лет тридцать, когда нейробиологи получили технические возможности для детального изучения нейрофизиологических свойств мозгосетей у людей и животных в свободном состоянии. Благодаря внедрению новых нейрофизиологических методов и (в последние два десятилетия) различных способов визуализации мозга современная нейробиология все больше и больше приближается к пониманию того, что за работу мозга отвечают не отдельные нейроны, а популяции взаимодействующих нейронов, формирующих обширные нейронные сети. И в этом смысле в середине 2018 года мы наконец получили возможность утверждать, что гипотеза Юнга о человеческом мозге одержала окончательную победу.

Наиболее полные нейрофизиологические данные, подтверждающие идею о том, что распределенные популяции нейронов определяют истинные функциональные единицы мозга млекопитающих, включая наш, были получены с помощью одной из новых технологий для изучения свойств мозга животных, которая называется временной многоочаговой мультиэлектродной регистрацией (chronic multisite multielectrode recordings, CMMR). Я достаточно хорошо знаком с этой технологией: на протяжении пяти лет постдокторальной стажировки, проведенных в лаборатории Джона Чепина, одного из величайших американских нейрофизиологов за последние пятьдесят лет, моя основная задача заключалась в развитии и применении одной из первых версий этого нового метода для изучения поведения крыс. Благодаря этой работе, а также усилиям еще пары поколений нейробиологов из моей и многих других лабораторий мира теперь этот метод нейрофизиологического анализа позволяет встраивать в мозг крыс или приматов сотни гибких металлических проводков толщиной с волос, называемых микроэлектродами. Микроэлектроды позволяют одновременно регистрировать потенциалы действия, производимые несколькими тысячами отдельных нейронов определенных нейронных сетей, таких как двигательная сеть, отвечающая за создание плана моторной активности для движения конечностей. Благодаря свойствам материалов, используемых в изготовлении этих микроэлектродов, мультиэлектродная регистрация активности нейронов в нашей лаборатории может продолжаться много месяцев (в случае крыс) или даже несколько лет (в случае обезьян). Эта бесценная техническая особенность позволяет нам не только отслеживать электрическую активность мозга наших животных по мере их обучения новым навыкам, но также регистрировать проявления пластичности мозга на протяжении этого периода обучения.

Эта технология стала важнейшим элементом в моей работе по созданию интерфейса «мозг-машина» (рис. 4.5), который мы впервые разработали вместе с Джоном Чепином и сотрудниками его лаборатории около двадцати лет назад. В рамках данного подхода запись коллективной электрической активности популяции нейронов, локализованных в одной из многих взаимосвязанных зон коры мозга, используется как источник моторной информации, необходимой для контроля движений таких устройств, как роботизированные руки или ноги или даже целые виртуальные тела. С помощью интерфейса, работающего в режиме реального времени, регистрируемые мозговые сигналы вводятся в математические модели, которые выдают расчетные алгоритмы, специально разработанные для извлечения этих двигательных команд из электрической активности мозга и их преобразования в цифровые контролирующие сигналы, распознаваемые искусственными устройствами. Развитие этой технологии послужило семечком, из которого десять лет спустя вырос проект «Снова ходить».

Рис. 4.5. Классическая схема типичного интерфейса «мозг-машина». Lebedev M. A., Nicolelis M. A. Brain-Machine Interfaces: From Basic Science to Neuroprostheses and Neurorehabilitation. Physiological Reviews 97, no. 2, April 2017: 767–837.

Двадцать лет исследований интерфейса «мозг-машина» позволили накопить огромное количество экспериментального материала по функционированию мозгосетей у таких животных, как крысы и обезьяны, и даже у людей в свободном состоянии. Все эти данные подтверждают динамические представления о коре мозга, отличающиеся от общепринятых среди нейробиологов всего лишь пару десятилетий назад.

Анализируя данные одновременной регистрации активности нейронов, полученные в нашей лаборатории в Университете Дьюка за четверть века, я начал формулировать ряд нейрофизиологических законов, названных мною принципами физиологии нейронных ансамблей, которые позволяют описать динамику функционирования человеческого мозга.

В верхней части списка фигурирует принцип распределенной обработки, суть которого заключается в том, что все функции и поведенческие реакции, сформированные головным мозгом сложных животных, таких как человек, зависят от координированной работы обширных ансамблей нейронов, распределенных по многим участкам центральной нервной системы. В наших экспериментальных условиях этот распределенный принцип четко проявлялся при обучении обезьян использованию интерфейса «мозг-машина» для контроля движений роботизированной руки за счет одной лишь электрической активности мозга, без каких-либо явных движений собственного тела. В этих экспериментах животные достигали успеха только тогда, когда на интерфейс приходил объединенный сигнал электрической активности популяции нейронов коры. Никакие попытки использовать один нейрон или группу из небольшого числа нейронов в качестве источника контрольного моторного сигнала для интерфейса не приводили к правильным движениям роботизированной руки. Более того, мы обратили внимание, что нейроны, распределенные по многим областям лобной и даже теменной долей в обоих полушариях мозга, могут вносить весомый вклад в популяционную активность, необходимую для выполнения этой двигательной функции через интерфейс «мозг-машина».

Количественная обработка полученных данных позволила сформулировать второй принцип — принцип нейронной массы. Этот принцип отражает тот факт, что вклад любой популяции нейронов коры в кодирование поведенческого параметра, такого как произвольный моторный сигнал, создаваемый нашим интерфейсом «мозг-машина» для осуществления движения роботизированной руки, растет пропорциональн

Скачать книгу

Издание осуществлено при поддержке «Книжных проектов Дмитрия Зимина»

This edition published by arrangement with Levine Greenberg Rostan Literary Agency and Synopsis Literary Agency

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Издательство CORPUS ®

* * *

Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».

Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте

ziminbookprojects.ru

Учителям, которые открыли для меня разные стороны Истинного творца всего:
Рикардо Хуаресу Аране, Сезару Тимо-Иариа, Джону Чепину, Рику Лину, Джону Каасу и Рональду Сикурелу

Предисловие научных редакторов

Мигель Николелис – всемирно известный нейроученый бразильского происхождения, большую часть своей жизни проработавший в Университете Дьюка в городе Дареме, расположенном в американском штате Северная Каролина. Здесь он возглавил большой научный коллектив, работавший над проблемами нейрофизиологии и нейроинтерфейсов. Широкую известность получили публикации ученых из этого коллектива по интерфейсам, управляющим движениями протезов рук и ног, интерфейсам с очувствлением и интерфейсам, включающим несколько мозгов, – мозговым сетям.

Согласно Николелису, человеческий мозг – плод миллионов лет эволюции, через череду случайных событий приведших к тому, что организмы смогли создавать островки пониженной энтропии, необходимые для поддержания жизнедеятельности, обучились воспринимать окружающий мир через органы чувств, мыслить и социально взаимодействовать через мозговые сети, в которых нервные системы отдельных организмов синхронизируются в процессе коллективных действий. Такое взаимодействие может нести и пользу, и вред, как, например, мозговые сети, неоднократно образовывавшиеся на протяжении истории человечества для ведения войн. Под мозговыми сетями, разумеется, имеется в виду не прямое взаимодействие мозгов, как в телепатии, а взаимодействие, опосредованное через нормальные каналы связи, такие как зрение, слух, обоняние и тактильная чувствительность. Несмотря на непрямой характер коннективности, в мозговых сетях могут происходить процессы, похожие на обработку информации в нейронных сетях индивидуальных мозгов, такие как, например, пластичность по принципу Хебба – укрепление синаптических соединений при возбуждении зон мозга одновременно с притоком сенсорной информации и сигналов подкрепления. В настоящее время мы находимся на этапе, когда на формирование мозговых сетей оказывают активное влияние новейшие технологии – мобильные телефоны, интернет, роботизация и искусственный интеллект.

Если экспериментальные результаты, описываемые Николелисом, находятся в лоне традиционной нейронауки, изучающей активность и взаимодействие нейронов в разных условиях, то теоретические воззрения автора, по его собственному признанию, менее традиционны и могут быть отнесены к разряду дискуссионных. Так, излагая свою теорию, Николелис утверждает – опираясь на умозрительные положения, – что существенную роль в работе мозга играют генерируемые им самим слабые магнитные поля, измеряемые в пикотеслах. Согласно Николелису, эти магнитные поля, источником которых являются пучки нервных волокон – «биологические соленоиды», позволяют нейронам в разных отделах синхронизироваться и работать как аналоговый органический компьютер, принципиально отличающийся от полупроводниковых цифровых компьютеров.

Николелис утверждает, что благодаря магнитным полям и осуществляемым ими аналоговым операциям мозг человека способен переводить информацию Шеннона в «информацию Гёделя» – ментальную абстракцию, которую нельзя ни свести к операциям цифровых компьютеров, ни моделировать посредством вычисляемых (алгоритмически задаваемых) функций. Лишь такой аналоговый компьютер мозга способен преодолеть ограничения, накладываемые на формальную логику теоремами Гёделя, которые доказывают неминуемое существование проблем, которые невозможно решить. Вместе с тем Николелис допускает, что мозг может выполнять и цифровые операции посредством импульсов, генерируемых нейронами в режиме «все или ничего». Эти теоретические построения Николелис распространяет и на более высокий уровень организации – мозговые сети, определяющие социальные явления в обществе. Поскольку концепция, излагаемая Николелисом, не имеет прямых экспериментальных подтверждений, читатель может рассматривать ее как нетривиальный взгляд на работу мозга.

Основываясь на базовых представлениях о цифровых и аналоговых операциях, осуществляемых мозгом и мозговыми сетями, Николелис трактует широкий круг проблем, включая происхождение живого из неживого, появление разума и сознания, механизмы памяти, вопросы истории, религии, войны и мира, роботизацию и искусственный интеллект. Николелис убежден, что человеческий мозг – это уникальный продукт эволюции, работу которого нельзя смоделировать с применением цифровых компьютеров и алгоритмов искусственного интеллекта. Более того, Николелис считает, что мозг фактически является творцом всего, поскольку свойства внешнего мира, например время и пространство, порождаются мозгом, а не существуют независимо от него. Будь на нашем месте инопланетяне, у них были бы совершенно другие представления о вселенной и ее законах.

Михаил Лебедев,профессор МГУ имени М. В. Ломоносова, главный научный сотрудник ИЭФБ РАН, научный руководитель Центра биоэлектрических интерфейсов НИУ ВШЭДария Клеева,сотрудница Сколковского института науки и технологий и НИУ ВШЭ

Предисловие автора

Когда в 2007 году Бразилия была официально объявлена организатором чемпионата мира по футболу 2014 года, я выступил с предложением представить миру новейшие достижения в области исследований мозга и показать, как много мы можем сделать для улучшения жизни людей. После пяти лет подготовки я встретился с президентом Бразилии и генеральным секретарем ФИФА и предложил организовать научную демонстрацию во время церемонии открытия чемпионата. Главной целью этого мероприятия было показать, что новые технологические возможности и понимание основ функционирования человеческого мозга вплотную подвели нейробиологов к огромному прорыву – обретению возможности восстановить подвижность миллионов людей, парализованных в результате повреждений спинного мозга.

К моему полнейшему удивлению, организаторы согласились.

Легкая часть задачи была решена. Теперь предстояло решить трудную часть – воплотить идею в реальность.

И в результате в холодный зимний (в Южном полушарии) день 12 июня 2014 года, точно в 15 часов 33 минуты по бразильскому времени, Джулиано Пинто (см. рисунок на титульной странице) – один из добровольцев проекта «Снова ходить» – сделал последнее усилие, чтобы распрямить свое тело. Закованный в новехонький роботизированный каркас, он в напряжении стоял на краю футбольного поля с еще не примятой травой. С трибун за ним пристально наблюдали 65 тысяч футбольных фанатов, не говоря уже более чем о миллиарде телезрителей по всему миру. Джулиано готовился вершить историю.

Мы были готовы начинать!

Со всей энергией, болью и надеждой человека, знающего, каково это – провести почти десять лет прикованным к инвалидному креслу, Джулиано совершил движение, которое еще шесть месяцев назад казалось для него невозможным. Его мозг сгенерировал электрические сигналы, содержащие необходимые двигательные инструкции, а компьютер экзоскелета превратил мысленное желание Джулиано двигаться в координированную последовательность движений роботизированной ноги. В этот момент мигающее свечение синих светодиодных полос сменилось быстрой последовательностью чередующихся зеленых и желтых световых импульсов, бегущих от шлема Джулиано через раму экзоскелета прямо к его ногам.

Джулиано Пинто в экзоскелете

Впереди нас ждали и другие сюрпризы. Согласно клиническому протоколу, которому мы следовали в ходе работы над проектом «Снова ходить», пациенты должны были регулярно проходить неврологическое обследование. Это был не более чем стандартный осмотр, поскольку их состояние оставалось неизменным уже многие годы – они были полностью парализованы и не чувствовали ничего ниже поврежденного участка позвоночника. Мы совершенно не рассчитывали обнаружить какие-либо изменения в их неврологической картине. Но вдруг одна из наших пациенток сообщила врачу, что во время отдыха на пляже впервые за четырнадцать лет отчетливо ощутила кожей ног тепло от лучей солнца. Мы стали подозревать, что происходит нечто необычное.

Повреждения спинного мозга классифицируют по специальной шкале, разработанной Американской ассоциацией спинальной травмы (American Spinal Cord Injury Association, ASIA). Семеро из наших пациентов относились к группе ASIA A, что означает полный паралич и отсутствие тактильной чувствительности ниже места повреждения спинного мозга. Восьмой пациент относился к группе B – полный паралич при наличии некоторой остаточной чувствительности ниже места повреждения.

Клинические данные, собранные нами к августу 2014 года, привели нас в замешательство: после восьми месяцев упражнений наши пациенты демонстрировали очевидные признаки клинического улучшения – их ноги вновь обретали способность к произвольным движениям и тактильную чувствительность; улучшалась их способность контролировать функцию кишечника и мочевого пузыря.

Кроме неожиданного улучшения клинических показателей, мы обнаружили, что наша программа нейрореабилитации сумела помочь нашим пациентам переосмыслить собственное самовосприятие. В результате их мозг принял синтетическое устройство – роботизированный экзоскелет – в качестве полноценного продолжения их биологического тела!

Пытаясь в полной мере обосновать такую интерпретацию и мою убежденность в том, что человеческий мозг является органическим вычислительным устройством, с которым не может сравниться ни одна когда-либо созданная машина, включая самую мощную и успешную из всех – цифровой компьютер, я вскоре понял, что современной нейробиологии требуется совершенно новая теория. Теория, которая наконец покажет, как миллионы лет эволюции человеческого мозга сделали его Истинным творцом всего.

Вначале
Истинный творец всего сказал:
Да будет свет!
А после короткого молчания
провозгласил:
И да будет
E = mc²

Глава 1
Вначале…

Вначале был только мозг приматов. И из глубин этой сложной и запутанной сети из 86 миллиардов нейронов в результате слепого эволюционного пути и множества ментальных «больших взрывов» за миллиарды лет возник человеческий разум. Свободный, ничем не ограниченный и быстро расширяющийся, словно некая биологическая плазма, он вскоре образовал континуум, породивший гремучую смесь из прямохождения, ловкости рук, умения изготавливать орудия труда, устной и письменной речи, сложных социальных взаимодействий, абстрактного мышления, способности к рефлексии, сознания и свободы воли. Из того же ментального котла вышло самое комплексное представление о времени и пространстве, которое когда-либо порождала органическая материя, послужившее идеальной основой для появления множества ментальных абстракций – поистине священных органических скрижалей, на которых зиждется человечество. Вскоре эти ментальные построения стали определять сущность человеческого бытия и цивилизации: от нашего эгоистического самовосприятия до глубочайших верований, сложных экономических и политических структур, а также уникального нейронного воспроизведения окружающего мира. Из простых электромагнитных возмущений нервных клеток возник великий скульптор нашей материальной реальности, виртуозный композитор и единоличный архитектор нашей героической и трагической истории, самый талантливый исследователь глубочайших тайн природы, неутомимый искатель ускользающей истины о нашем происхождении, искусный иллюзионист, неортодоксальный мистик, артист со множеством талантов, лирик, облекающий в свои несравненные нейробиологические рифмы любые мысли, изречения, мифологические метафоры, наскальные рисунки, религиозные догмы, письменную историю, научные теории, памятники, экспедиции первооткрывателей, чудовищный геноцид и грандиозные завоевания, а также каждый жест любви, каждую мечту или галлюцинацию, когда-либо испытанную каким-либо гоминидом на этой несовершенной голубой планете, которую мы называем своим домом.

«Истинный творец всего» – это рассказ о том, как работает человеческий мозг, и о его центральном месте в космологии человеческой вселенной. Под человеческой вселенной я понимаю гигантский набор знаний, восприятий, мифов, верований и религиозных представлений, научных и философских теорий, культурных, моральных и этических традиций, интеллектуальных и физических достижений, технологий, искусства и всех других побочных продуктов, которые возникают в процессе работы человеческого мозга. Если говорить коротко, человеческая вселенная – это все плохое и хорошее, что определяет наше наследие как вида. Однако это вовсе не учебник истории и не подробный перечень всего, что известно (или считается известным) нейробиологам о фокусах и трюках человеческого мозга. Скорее это научный труд, цель которого заключается в описании мозга в качестве совершенно новой структуры. Центральная часть повествования посвящена деталям новой теории, объясняющей, как человеческий мозг, самостоятельно или в составе широкой сети других мозгов, реализует свои удивительные функции. Я называю эту новую теоретическую систему релятивистской теорией мозга.

Когда я задумался над созданием книги, я намеревался в основном сосредоточиться на той научной сфере, которой посвящена большая часть моей профессиональной деятельности, – исследованиях мозга. Однако вскоре я понял, что это слишком узкий подход. Масштаб моего интеллектуального труда требовалось значительно расширить и включить области знания, в которые нейробиологи редко забредают в наши дни, – философия, искусство, археология, палеонтология, история вычислительной техники, квантовая механика, лингвистика, математика, робототехника и космология.

Мы с Марсело пришли к одинаковому определению человеческой вселенной: если бы иное разумное существо, скажем, знаменитый Спок с планеты Вулкан[3], прибыл бы на Землю и чудесным образом смог с нами общаться, вероятнее всего, мы бы обнаружили, что объяснения и теории, не говоря уже о фундаментальных концепциях и понятиях, которыми он воспользовался бы для описания его космологических взглядов на вселенную, были бы совершенно не такими, как наши (рис. 1.1). А с чего нам ожидать сходства? В конце концов, мозг Спока был бы совсем не таким, как наш, поскольку являлся бы продуктом эволюционного процесса и культурного развития на Вулкане, а не на Земле. На мой взгляд, ни одно из двух описаний в таком случае не было бы более точным: они бы просто представляли собой результаты двух наиболее удачных попыток двух разных типов органического разума объяснить окружающую их действительность. В конце концов, что бы ни существовало где-то там в этой вселенной возрастом 13,8 миллиарда лет (по человеческим оценкам), с точки зрения нашего мозга (и, осмелюсь предположить, также с точки зрения любого инопланетного мозга) космос представляет собой массу потенциальной информации, ожидающей разумного наблюдателя, способного извлечь из нее знания и практически сразу придать им какой-то смысл.

Именно в присвоении смысла вещам – в создании знаний – Истинный творец всего выступает во всем своем блеске. Знания позволяют нам адаптироваться к постоянно меняющейся окружающей среде и сохранять способность поглощать новую потенциальную информацию из космического супа. Протоны, кварки, галактики, звезды, планеты, камни, деревья, рыбы, кошки, птицы: в сущности, неважно, как мы их называем (наверняка Спок сказал бы, что у него названия более подходящие). С позиции нашего человеческого мозга все это – разные способы описания сырой информации, поступающей к нам из космоса. Наш мозг дает всем этим объектам имя и (для операционного удобства) значение, но в исходном виде их содержимое всегда одно и то же – это потенциальная информация.

Таким же образом, данное Гомбрихом определение искусства соответствует фантастической коллекции ментальных изображений, созданных человеческим мозгом, которые за последние десятки тысяч лет были вырезаны, выгравированы, вылеплены, нарисованы или записаны для закрепления внутренних воспоминаний, ощущений, желаний, космологических представлений, верований или предчувствий, записи на самых разных носителях (сначала в человеческих телах, а затем на камнях, костях, дереве, стенах пещер, металле, ткани, мраморе, бумаге, церковных сводах и окнах, видеопленке, CD- и DVD-дисках, в полупроводниковой памяти или в облачном хранилище). В этой коллекции содержатся все творения человека – от потрясающей наскальной росписи, выполненной неизвестными художниками эпохи верхнего палеолита в пещерах Альтамира и Ласко, до работ Боттичелли, Микеланджело, да Винчи, Караваджо, Вермеера, Рембрандта, Тёрнера, Моне, Сезанна, Ван Гога, Гогена и Пикассо, и это если перечислить лишь нескольких художников, превративших незримые мозговые процессы в красочные эпические аллегории человеческого бытия.

В рамках той же логики наши лучшие и наиболее точные описания вселенной – не что иное, как устоявшаяся извилистая история развития ментальных производных, таких как математика и логика, которым обычно присваивают имена их создателей: законы Кеплера для описания движения планет, астрономические наблюдения Галилея, законы движения Ньютона, уравнения Максвелла для электромагнетизма, специальная и общая теория относительности Эйнштейна, принцип неопределенности Гейзенберга или квантово-механические уравнения Шрёдингера.

Прежде чем возмущенные физики начнут вскакивать со стульев, замечу, что эта идея вовсе не ставит удивительные открытия и достижения сообщества физиков под сомнение, а лишь дополняет их, подтверждая, что физики являются по совместительству талантливыми нейробиологами и способны постичь самые глубинные механизмы человеческого разума (даже если большинство из них обычно отрицают фактор влияния их собственного сознания на процесс научных изысканий). Но эта идея также означает, что поиски священного Грааля в физике – теории всего – не приведут к успеху без учета детальной теории человеческого разума. Большинство консервативных физиков являются ярыми противниками идеи о том, что физиология человеческого мозга имеет какое-либо отношение к формированию основных физических теорий, которые они считают абсолютно объективными. Я же в этой книге рассчитываю доказать, что некоторые из самых загадочных природных явлений, включая такие базовые и древние концепции, как пространство и время, нельзя понять полностью, не поставив на передний план самого наблюдателя – и человеческий мозг.

Ну а теперь – вперед!

Глава 2
Эволюционное происхождение Истинного творца всего

В условиях плохой видимости из-за окутавшего долину плотного тумана могучий бык испытал отвратительное чувство страха, когда прямо перед ним из густой листвы показалось пламя и раздались дикие гортанные крики и вопли. После секунды растерянного колебания он развернул свое массивное тело и приготовился бежать – одновременно от огня и от орды двуногих существ, выскочивших из кустов и бросившихся в его сторону. В этот момент внезапного перехода от мертвящего страха ко всепоглощающему желанию бежать прочь бык ощутил первый пронзающий удар в спину. Последовавшая за этим вспышка боли была резкой и сильной, но еще прежде, чем он понял, что его ноги уже перестали подчиняться срочным приказам возбужденного мозга, за несколько секунд один за другим последовало еще несколько подобных ударов, решивших его удел. Ему оставалось лишь поддаться слабости, которая начала охватывать его тело, и просто повалиться на землю.

Дикие крики раздавались все ближе и ближе, пока, по необъяснимой причине, не начали стихать, хоть бык и видел теперь, что его окружала большая толпа ликующих охотников, каждый из которых был одет в несколько слоев дубленых шкур животных и держал по грозному каменному клинку, изготовленному умелыми и ловкими руками. Затихающий звук голосов вовсе не означал, что охотники уходили. Скорее, наоборот – они никуда не денутся еще много тысяч лет. Нет, это таяла на глазах способность самого быка воспринимать происходящее. Он проживал свои последние секунды на земле, все еще пораженный тем, насколько стремительно оборвалась его жизнь.

Воспроизведение этой сцены первобытной охоты, хоть и вымышленное, отражает некоторые ключевые нейробиологические свойства, возникшие в ходе сложного эволюционного процесса, начавшегося примерно 6 миллионов лет назад, когда наши самые ранние предки отделились от нашего общего с современными шимпанзе предшественника. Этот процесс наделил представителей нашего вида уникальными умственными способностями. Даже сегодня остаются сомнения по поводу точной причинно-следственной цепочки событий, благоприятствовавшей возникновению таких выдающихся неврологических характеристик. И поэтому я хочу, не углубляясь в детали, крупными мазками набросать важнейшие метаморфозы и гипотетические нейробиологические механизмы, позволившие мозгу современного Homo sapiens появиться и завладеть всей планетой. В более узком плане моя задача состоит в том, чтобы описать, каким образом этот органический компьютер (именно так мне нравится называть человеческий мозг) достиг своей нынешней конфигурации и в процессе приобрел способность создавать важнейшие варианты человеческого поведения – необходимый шаг в процессе становления Истинного творца всего в качестве центрального элемента человеческой вселенной.

Исторически первым, что привлекло внимание палеонтологов и антропологов в качестве потенциальной причины усложнения человеческого поведения в ходе эволюции, было увеличение объема нашего мозга. Этот процесс, называемый энцефализацией, начался примерно 2,5 миллиона лет назад (рис. 2.1). До этого у первых двуногих гоминидов, таких как представительница вида Australopithecus afarensis, которой дали прозвище Люси, головной мозг имел объем около 400 см³, примерно как у современных шимпанзе и горилл. Однако 2,5 миллиона лет назад объем мозга Homo habilis, научившегося изготавливать орудия, составлял уже около 650 см³ – более чем на 50 % больше, чем у Люси.

Еще 2 миллиона лет спустя началась вторая фаза ускоренного роста мозга. Она стартовала примерно 500 тысяч лет назад и продолжалась 300 тысяч лет. За этот период объем мозга Homo erectus – следующего главного героя нашей эволюционной пьесы – достиг 1200 см³. В период же с 200 до 30 тысяч лет назад объем мозга наших собратьев достиг максимума у неандертальцев и составил примерно 1600 см³. Однако ко времени появления уже нашего вида объем мозга мужчин составлял лишь 1270 см³, а объем мозга женщин – порядка 1130 см³. Важнейший аспект, который нужно учитывать при анализе этих показателей, заключается в том, что в конце истории длительностью в 2,5 миллиона лет мозг представителей человеческой линии увеличился в размерах значительно больше, чем остальные части тела. То есть трехкратное увеличение объема, приведшее к появлению мозга современного человека, создало центральную нервную систему примерно в девять раз крупнее, чем у любого другого млекопитающего с такой же массой тела.

Попытки ученых установить причину этого невероятного трехкратного увеличения размера мозга при переходе от Australopithecus afarensis к Homo sapiens показали, что в значительной степени это изменение объема, уже пересчитанное в пропорции с изменившейся массой тела, связано с гигантским увеличением объема неокортекса («новой коры») – извилистого слоя нервной ткани на поверхности нашего мозга. Это особенно важно по той причине, что неокортекс, как известно, является проводником всех наших самых продвинутых когнитивных способностей – ментального ресурса, определяющего самую суть человеческого существа. У большинства приматов на долю неокортекса приходится около 50 % объема мозга. У человека же неокортекс занимает почти 80 % объема всей центральной нервной системы.

Любая теория, объясняющая этот стремительный рост мозга наших предков, должна учитывать один парадокс, заключающийся в том, что наша мозговая ткань потребляет очень много энергии. Следовательно, по мере развития у них крупного мозга нашим предкам приходилось затрачивать все больше и больше усилий на поиски источников калорий для поддержания работы энергозатратной центральной нервной системы. Хотя на долю мозга приходится лишь 2 % всей массы человеческого тела, он поглощает около 20 % производимой каждым из нас энергии. Следовательно, нужно либо потреблять больше пищи, то бишь дольше подвергаться опасности нападения хищников, как наш бизон, либо менять рацион и переходить на более калорийную диету. Дополнительная энергия появилась, когда гоминиды перешли от исходной диеты приматов, состоявшей из листьев и фруктов, к употреблению легкодоступной пищи с гораздо более высокой энергетической ценностью – богатому жирами и белками мясу животных. Дела пошли еще лучше, когда гоминиды овладели огнем и открыли искусство приготовления пищи. За счет приготовления мяса и энергетически богатых овощей эти гоминиды облегчили себе процесс переваривания пищи, что позволило им извлекать из нее больше энергии. Это изменение в типе питания произошло параллельно с (если не вызвало) очень важной эволюционной адаптацией – значительным сокращением размера и сложности кишечника (особенно толстой кишки). Поскольку работа крупного и сложного кишечника весьма энергозатратна, эти внутренние изменения позволили экономить энергию, которую теперь можно было перебросить на поддержание функций увеличившегося мозга.

Рис. 2.2. Корреляция между средним размером группы и отношением неокортекса для разных антропоидных приматов (данные для обезьян показаны черными кружками, данные для человекообразных обезьян – незакрашенными). Dunbar R. I., Shultz S. Evolution in the Social Brain. Science 317, no. 5843, 2007: 1344–47. Воспроизводится с разрешения AAAS.

Данбар решил проверить свою теорию с помощью единственного показателя уровня социальной организации, который он мог легко контролировать на количественном уровне, – размера социальных групп приматов. Удивительный результат, полученный при проверке догадки проницательного Данбара, представлен на рисунке 2.2 на примере обезьян и человекообразных обезьян. На нем хорошо видно, что зависимость логарифма размера групп нескольких видов приматов от логарифма соответствующего отношения неокортекса[4] представляет собой прямую линию. Поэтому такой график позволяет легко оценить идеальный размер социальной группы вида исходя из отношения неокортекса для этого вида. В честь этого открытия размер группы животных, определенный с помощью такой кривой, называют теперь числом Данбара для конкретного вида животных. Так, для шимпанзе число Данбара равно 50, что означает, что кора мозга этих человекообразных обезьян позволяет им справляться с уровнем сложности социальных отношений в группе примерно из 50 особей.

Рис. 2.3. Предполагаемые значения размера популяций пяти наших предков – гоминидов/австралопитеков, Homo habilis, Homo erectus, архаичных людей (включая неандертальцев) и Homo sapiens – в зависимости от приблизительного возраста окаменелостей. Dunbar R. Grooming, Gossip, and the Evolution of Language. London: Faber and Faber, 1996.

Дополнительным доказательством идеи Данбара о предполагаемом лимите социальной сложности, с которой мы способны справляться исключительно за счет прямых межличностных контактов без каких-либо внешних или искусственных механизмов социального контроля, служат те случаи, когда размер коллектива превышает 150–200 человек. Лучше всего это видно на примере компаний с количеством сотрудников, превышающим число Данбара. Выше этого уровня значительно возрастает потребность в менеджерах, управляющих и административных протоколах – просто чтобы эффективно следить за происходящим.

В этом контексте за последние двадцать лет сформировалась иная точка зрения относительно сочетания факторов, которые могли направлять эволюцию человека и процесс энцефализации. Например, профессор департамента эволюционной биологии человека в Гарварде Джозеф Генрих уверен, что в эволюции человека и, возможно, в увеличении объема мозга главную роль сыграла человеческая культура. В книге «Секрет нашего успеха: как культура способствует эволюции человека, приручению наших видов и делает нас умнее» он подробно излагает свою теорию о том, как передача «практик, методов, техник, обучения, орудий, мотиваций, ценностей и верований» из поколения в поколение сделала нас выдающимися «культурными животными». Обучаясь один у другого, сочетая накопленные знания и передавая их другим членам своей социальной группы и последующим поколениям, люди при помощи культуры не только обеспечили себя могучим подспорьем для выживания, но и в конечном итоге создали новое селективное давление, которое отсеивало тех, кто не умел обучаться и ассимилировать подобные культурные накопления. С этой точки зрения эволюция человека находилась под глубоким влиянием того, что Генрих называет генно-культурной коэволюцией – взаимным рекуррентным влиянием культуры и генов. В первую очередь этот процесс связан с тем, что динамические взаимодействия между людьми в социальных группах в качестве эмерджентного свойства при параллельных взаимодействиях мозга многих индивидуумов в составе групп создают культурные продукты. Генрих называет этот процесс группового обучения, уточнения и передачи знаний продуктом «коллективного мозга» группы. Я считаю его основополагающей функцией человеческих мозговых сетей – главным механизмом, при помощи которого сформировалась человеческая вселенная.

В соответствии с представлениями Генриха эволюционная успешность Homo sapiens в гораздо большей степени определяется умением извлекать выгоду из плодов труда нашего коллективного мозга, чем способностями нервной системы отдельных индивидуумов. Эта гипотеза отчасти объясняет, например, почему гоминиды с небольшим объемом мозга, окаменелости которых были найдены на острове Флорес в Индонезии, смогли, судя по всему, научиться пользоваться огнем для приготовления пищи или изготавливать каменные орудия, хотя объем их мозга был сравним с объемом мозга наших родственников австралопитеков. Формирование и передача культурных навыков мозгосетями компенсировала небольшой размер мозга каждого отдельно взятого Homo floresiensis. Соответственно, размер мозга – не единственная переменная, которую следует учитывать при анализе эволюции когнитивных способностей человека.

Смысл теории генно-культурной коэволюции, а также моих замечаний в отношении этой теории можно четко проиллюстрировать на примере одного из главных результатов человеческой эволюции – нашей уникальной способности создавать орудия труда. Встав примерно 4 миллиона лет назад на ноги, наши предки значительно увеличили дальность своих ежедневных перемещений в поисках пищи и крова. В какой-то момент это удивительное биологическое новшество позволило африканским гоминидам распространиться сначала вдоль побережья и вглубь континента, а затем и по всему миру. Таким образом, первым волнам колонизации мира человеком, а также истокам того, что мы сейчас называем глобализацией, мы обязаны босым ногам африканских иммигрантов, искавших лучшей жизни. Кто бы напомнил современным политикам, что без этих масштабных миграций не сформировался бы наш современный мир, каким мы его знаем.

Явление одновременной активации одинаковых структур мозга у нескольких наблюдателей при виде двигательных действий индивидуума называется моторным резонансом. Если наблюдатели начинают повторять наблюдаемые движения – это называют моторным заражением. Если такое заражение проявляется очень быстро, данное явление называют мимикрией. Особые сети в мозге приматов (см. главу 7) играют ключевую роль в создании моторного резонанса, который у макак-резусов, шимпанзе и человека вызывает либо заражение, либо мимикрию. Однако сравнительные анатомические и физиологические исследования этих кортикальных сетей у трех данных групп приматов выявляют значительные различия как в функциональной связности, так и в картине активации в процессе резонанса. Это очень важные наблюдения, поскольку они подчеркивают влияние эволюционного процесса сначала на связность сигналов между разными отделами коры височных, теменных и фронтальных долей, а затем и на схемы функциональной активации, что привело в итоге к формированию различных мозговых сетей у разных приматов.

В среднем макаки-резусы опираются на социальные взаимодействия для обучения новым навыкам меньше, чем шимпанзе, которые, в свою очередь, выполняют меньше сложных действий, выученных через социальное общение, чем люди. Это означает, что в поведении макак-резусов редко можно обнаружить примеры моторных навыков, приобретенных за счет социальных взаимодействий – через моторный резонанс и моторное заражение. У диких шимпанзе же, напротив, проявляется моторное заражение навыками, такими как коммуникационные жесты и изготовление орудий. В отличие от макак и шимпанзе, люди превосходно умеют использовать механизмы моторного резонанса и моторного заражения для распространения новых навыков в своей социальной группе – либо на локальном уровне с помощью жестов и речи, либо на расстоянии посредством огромного разнообразия способов коммуникации и технологий, созданных «коллективным мозгом».

Появление речи, изготовление орудий, создание модели психического состояния и социальный интеллект – все это ключи к пониманию причин невероятного увеличения размеров коры головного мозга за последние 2,5 миллиона лет нашей эволюции. И в то же время появление такого количества эволюционных инноваций поднимает важный вопрос: как все эти способности могли сочетаться в едином подвижном разуме?

Профессор археологии из Университета Рединга в Англии Стивен Митен тщательно исследовал эту проблему и выдвинул очень интересную гипотезу о том, как в результате сочетания ряда определенных ментальных навыков мог возникнуть целостный разум, способный на подобный уровень когнитивной подвижности. Находясь под сильным влиянием теории множественного интеллекта, сформулированной Говардом Гарднером, Митен выделил три основные фазы в процессе объединения возможностей человеческого разума. По мнению Митена, поначалу разум наших древнейших предков из гоминидов был «сферой общего интеллекта – сводом общих правил обучения и принятия решений». С течением времени наши предки приобретали новые индивидуальные интеллектуальные способности, такие как навыки изготовления орудий, речь и модель психического состояния, но их мозг не был способен интегрировать все эти модули. Скорее, в соответствии с приводимой Митеном аналогией, их мозг действовал подобно сложному швейцарскому армейскому ножу – устройству, обладающему множеством отдельных функций, которые невозможно объединить в одном инструменте. На заключительной стадии в модели Митена индивидуальные модули объединились или слились в единую функциональную сущность, дав начало разуму современного человека. С этого момента информация и знания, накопленные каждым отдельным модулем, стали доступны для свободного обмена и передачи, что привело к возникновению новых ментальных производных и когнитивных способностей, обеспечивающих человеческий разум подвижностью, творческим потенциалом, интуицией и возможностью генерировать предположения и инновационные идеи, которые не могли бы возникнуть ни в одном отдельном модуле.

В целом неокортекс образован двумя основными компонентами – серым и белым веществом. Серое вещество содержит крупные кластеры главных типов клеток, определяющих функцию мозга: это нейроны и поддерживающие их клетки другого типа, называемые глией. Белое же вещество образовано большим количеством пучков нервных волокон. Эти пучки волокон ответственны за обширные связи между разными зонами коры, формирующими четыре доли (лобную, теменную, височную и затылочную[5]) в каждом из полушарий мозга – в левом и в правом. Также они обеспечивают прочную связь между правым и левым полушариями мозга через выросты так называемого мозолистого тела – нейрональной трассы, через которую кора получает и отправляет сообщения к субкортикальным структурам, таким как спинной мозг. Серое и белое вещество неокортекса легкоразличимы. Первое образует шестислойную нейронную структуру. Эти нейроны, принадлежащие собственно неокортексу, располагаются поверх плотного и толстого слоя белого вещества.

Объем белого вещества = (Объем серого вещества)^4/3

Это уникальное увеличение объема белого вещества в лобной доле человеческого мозга, а также сопутствующий рост ассоциативных зон в теменной и височной долях показывают, что гораздо большая часть человеческого неокортекса стала отвечать за концептуальное и абстрактное мышление более высокого уровня, требующееся для реализации развитых когнитивных навыков. Следовательно, не случайно нейробиологи, которые ищут неокортикальные сети, отвечающие за речь, изготовление орудий, четкое осознание самих себя, социальный разум и модель психического состояния – все те атрибуты, которые возникли за последние 4 миллиона лет эволюции гоминидов, – находят их в лобно-теменно-височных участках коры и в связывающих их аксональных путях. Я считаю, что именно такое распределение, скорее всего, породило органический вычислительный субстрат, давший начало Истинному творцу всего.

Оптимально подключенный внутри для гиперконнективности снаружи – кажется, именно таков лозунг эволюционной истории развития нашего мозга.

Глава 3
Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

Вжаркий влажный день лета 2015 года веселая толпа молодежи заполняла пасторальный променад в деревне Кларанс на швейцарской стороне Женевского озера, двигаясь, казалось, в ритме очередного концерта на открытом воздухе в рамках джазового фестиваля в Монтрё. С удовольствием отобедав в ресторане «Пале Ориенталь», расположенном всего в нескольких сотнях метров, мы с моим лучшим другом швейцарско-египетским математиком и философом Рональдом Сикурелом решили совершить послеобеденную прогулку и проанализировать еще один принципиальный элемент теории, которую мы выстраивали совместными усилиями. Мы шли бок о бок, подбрасывая друг другу идеи и обсуждая одну из наших любимых тем того богатого на события швейцарского лета (а именно – последовательность событий, позволивших жизни возникнуть на Земле несколько миллиардов лет назад, эволюционировать и преуспеть в непрестанном сопротивлении безжалостной и возрастающей во вселенной энтропии), пока вдруг не остановились перед странным деревом (рис. 3.1).

Мы стояли, застыв посреди променада и сосредоточив все свое внимание на этом необычном дереве, и тут мне в голову неожиданно пришла одна идея. «Жизнь есть диссипация энергии с целью записи информации в органическую материю», – вдруг ни с того ни с сего произнес я, а затем повторил эту фразу несколько раз, чтобы точно ее не забыть.

В то утро перед нашей обычной ежедневной встречей я по случайности обратил внимание на ветки и листья деревьев, росших по берегам этого швейцарского озера. Вспоминая типичные огромные кроны тропических деревьев Бразилии, которыми я восхищался с самого детства, я хорошо видел теперь, насколько разница в широте влияла на форму листьев деревьев и общую пространственную конфигурацию растений в разных уголках планеты. Я помню, как подумал об удивительном механизме адаптации, придуманном природой для оптимизации биологических солнечных панелей, используемых деревьями для извлечения максимального количества солнечной энергии в зависимости от того, где именно на планете Земля им выдалось пустить корни. Эта мысль заставила меня вспомнить почти забытый урок школьной учительницы ботаники, услышанный мною сорок лет назад. Речь шла о дендрохронологии – одном из увлечений нашей учительницы в 1977 году. Как считала мисс Зульмира, великий Леонардо да Винчи первым заметил, что каждый год на стволах деревьев образуется новое кольцо, ширина которого отражает климатические условия этого сезона (в определенных климатических условиях некоторые деревья могут образовывать за год несколько колец). Вооруженный этими знаниями, американский ученый и изобретатель Александр Твининг предположил, что путем сопоставления рисунка колец большого количества деревьев можно восстановить историю климатических условий в любой точке Земли. Годы с большим количеством влаги приводят к появлению более широких колец, а в засушливые периоды древесина нарастает лишь очень тонкими слоями.

За исключением воздаяния должного за дендрохронологию мисс Зульмире, я не смог сделать никаких важных выводов из двух, казалось бы, несвязанных наблюдений – изысканной формы листьев деревьев в парке Монтрё и записей о возможных временных событиях в стволах деревьев. Поэтому я занялся рисованием – хобби, к которому я вернулся во время сбора материала для этой книги, – пока до встречи с Рональдом в ресторане «Пале Ориенталь» еще оставалось время.

Хотя за последние сто лет многие авторы обсуждали такие концепции, как энергия, информация и энтропия в приложении к живым организмам, нам казалось, что за время той нашей прогулки нам удалось прийти к чему-то новому. Для начала наше открытие требовало нового определения информации, которое бы точнее отражало основы функционирования живых систем и отличалось от более известной версии термина, предложенной Клодом Шенноном в электротехнике для описания сообщений, передаваемых через зашумленные каналы в искусственных устройствах. Кроме того, тщательно обдумав свою теорию, мы поняли, что выработали в процессе еще одну новую идею, приравняв организмы и даже их клеточные и субклеточные компоненты к новому классу вычислительных устройств – к органическим компьютерам, о которых я уже упоминал в 2013 году в статье, написанной при совершенно иных обстоятельствах.

В отличие от механических, электронных, цифровых или квантовых компьютеров, создаваемых инженерами, органические компьютеры возникают в процессе естественной эволюции. Их главная особенность заключается в том, что для приобретения, обработки и хранения информации они используют свою органическую структуру и законы физики и химии. Это фундаментальное свойство означает, что функционирование органических компьютеров в первую очередь основано на аналоговом вычислении, хотя в некоторых важных случаях встречаются элементы цифрового вычисления. (Аналоговые системы для расчетов используют непрерывные вариации заданных физических параметров, описывающих электрический ток, механическое перемещение или поток жидкости. Простейший пример аналогового вычислительного устройства – логарифмическая линейка. Аналоговые компьютеры использовались повсеместно до появления в конце 1940-х годов цифровой логики и цифровых компьютеров.)

По мнению Пригожина, все организмы – от бактерий до деревьев и людей – представляют собой открытые системы, которые выживают только благодаря поддержанию себя в максимально далеком от равновесия состоянии. Это означает, что для жизни необходим постоянный обмен энергией, материей и информацией внутри самого организма и между ним и его окружением, что позволяет поддерживать химический и тепловой градиенты в клетках, в организмах в целом и между организмами и окружающей средой. И эта борьба длится на протяжении всей жизни организма. Нарушение этого удаленного от равновесия состояния неизбежно приводит организм к смерти и распаду.

С явлением диссипации, то есть рассеивания энергии, мы сталкиваемся каждый день. Например, когда мы поворачиваем ключ зажигания в машине – двигатель начинает работать, и часть энергии, образующейся при сгорании бензина, затрачивается на перемещение автомобиля, но значительное ее количество рассеивается в форме тепла, которое уже не используется для полезного действия. Это и есть диссипация: преобразование одной формы энергии, которая может совершать большее количество работы, в энергию, которая может совершать меньшее количество работы. Возникающие в природе крупные структуры также являются результатом процессов, происходящих с диссипацией большого количества энергии. Хороший пример – ураганы. Гигантские закрученные белесые пятна на спутниковых снимках – результат процесса самоорганизации с участием облаков и ветра; они образуются за счет диссипации большого количества энергии в виде гигантских масс горячего и влажного воздуха, формирующегося в районе экватора и поднимающегося от поверхности океана на большую высоту. Поднимаясь все выше и выше в атмосфере, он оставляет позади себя зоны пониженного давления, которые вскоре заполняются более холодным воздухом из соседних зон высокого давления. Этот воздух нагревается, увлажняется и поднимается вверх. При достижении больших высот с более низкой температурой водяные пары из воздуха конденсируют и образуют облака, которые вращаются под влиянием сильных ветров, возникающих из-за быстрой циркуляции горячего и холодного воздуха. Наблюдаемая нами структура урагана и его перемещение – результат самоорганизующегося процесса диссипации энергии, являющегося следствием этого погодного механизма, который в самых экстремальных случаях может быть сравним с мощнейшей климатической бомбой.

1 Здесь и далее цит. по: Гомбрих Э. История искусства. АСТ, 1995. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.

2 Глейзер М. Остров знаний. Питер, 2017.

3 Персонаж научно-фантастических телесериалов и фильмов «Звездный путь».

4 Отношение неокортекса – это отношение массы неокортекса к массе остального мозга.

5 В современной литературе также дополнительно выделяют островковую и лимбическую доли. – Прим. науч. ред.

Скачать книгу

Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем бесплатное чтение

Мигель Николелис Истинный творец всего Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

* * *

ziminbookprojects.ru

Предисловие научных редакторов

Предисловие автора

Вначале

Истинный творец всего сказал:

Да будет свет!

А после короткого молчания

провозгласил:

И да будет

E = mc2

Глава 1 Вначале…

Глава 2 Эволюционное происхождение Истинного творца всего

Объем белого вещества = (Объем серого вещества)4/3

Глава 3 Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

E = k × log n,

H (X) = ∑ pilog2 pi

Глава 4 Динамическая подпитка мозга. Биологические соленоиды и принципы функционирования

Предисловие научных редакторов

Предисловие автора

Глава 1Вначале…

Глава 2Эволюционное происхождение Истинного творца всего

Глава 3Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

Мигель Николелис
Истинный творец всего
Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

E = mc²

Глава 1
Вначале…

Глава 2
Эволюционное происхождение Истинного творца всего

Объем белого вещества = (Объем серого вещества)^4/3

Глава 3
Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

H (X) = ∑ p_ilog₂p_i

Глава 4
Динамическая подпитка мозга. Биологические соленоиды и принципы функционирования

Глава 1
Вначале…

Глава 2
Эволюционное происхождение Истинного творца всего

Глава 3
Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя