Механика мышления

В этом разделе мы будем следовать причинно-следственной цепочке в обратном направлении от появления линии красной охры на стене пещеры 30 тысяч лет назад. Этот путь поведет нас от сокращений мышц в руке художника, рисовавшего ту линию, обратно к нервным импульсам, заставившим мышцы сокращаться, далее к импульсам в мозге, возбудившим эти нервы, и сенсорному воздействию, которое запускает цепь событий. Наша цель – установить, где сознание вносит свой вклад в эту причинно-следственную цепочку, чтобы исследовать роль квантовой механики в этом событии.

Мы можем представить себе картину, как тысячи лет тому назад неизвестная художница, одетая, возможно, в медвежьи шкуры, всматривалась в темноту пещеры Шове. Рисунки были обнаружены глубоко внутри пещеры, и у нее, наверное, кроме емкостей с красками, был с собой в пещере факел. Затем в какой-то момент художница обмакнула палец в плошку с окрашенным углем и нанесла краску на стену, изображая контур бизона.

Движение руки художницы по стене пещеры инициировал мышечный белок миозин. Миозин – фермент, который использует химическую энергию для подпитки мышечных сокращений, по сути заставляя мышечные волокна скользить друг по другу. Детали этого механизма сокращений вычислялись сотнями ученых в течение нескольких десятилетий, и это замечательный пример биологической инженерии и динамики на наноуровне. Но в этой главе мы опустим увлекательные молекулярные подробности сокращения мышц, сосредоточившись на том, как некая эфемерная идея может заставить мышцы сокращаться (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Нервные сигналы идут от головного мозга по спинному, достигая мышечных волокон и заставляя мышцы сокращаться и двигать конечность – руку

Ответ в данном случае – никак. Сокращения мышечных волокон художницы фактически запустились, когда положительно заряженные ионы натрия направились в ее мышечные клетки. Мышечные клетки имеют больше ионов натрия на внешней стороне их мембраны, чем внутри, что приводит к разнице напряжения на их мембране, и это немного напоминает крошечную батарейку.

Однако в этих мембранах есть поры, называемые ионными каналами, которые, открываясь, впускают ионы натрия в клетку. Именно этот процесс электрической разрядки и вызвал сокращение мышц художницы.

Следующим шагом к началу нашей цепочки причинно-следственных связей будет вопрос: что заставило ионные каналы в мышцах открыться в тот момент? Ответ заключается в том, что двигательные нервы, присоединенные к мышцам руки художницы, высвободили химические вещества, называемые нейротрансмиттерами, которые и открыли ионные каналы. Но что же тогда заставило эти двигательные нервы выпустить дозу нейротрансмиттеров? Нервные окончания выпускают нейротрансмиттеры всякий раз, когда появляется электрический сигнал, называемый потенциалом действия (рис. 8.2). Потенциалы действия имеют основополагающее значение для всех сигналов нервной системы, поэтому нам нужно более внимательно взглянуть на то, как они работают.

Нервная клетка, или нейрон, – чрезвычайно длинная, тонкая змеевидная клетка, состоящая из трех частей. На головном конце у нее паукообразное клеточное тело, где и берет начало потенциал действия. Затем он проходит вдоль тонкой средней части под названием «аксон» («пучкообразный отросток» обонятельного нейрона) к нервному окончанию, где молекулы нейротрансмиттеров высвобождаются (см. рис. 8.2). Хотя аксон напоминает маленький электрический кабель, способ передачи в нем электрического сигнала гораздо сложнее, чем процесс прохода потока отрицательно заряженных электронов через медный провод.

Рис. 8.2. Нервы посылают электрические сигналы от тела клетки вдоль аксона к нервным окончаниям, где они вызывают высвобождение нейротрансмиттера в синапсах. Нейротрансмиттер попадает в тело следующего по цепочке нейрона, возбуждая его и тем самым передавая нервный сигнал от одного нейрона к другому

Нервная клетка так же, как мышечные клетки, как правило, имеет больше положительно заряженных ионов натрия снаружи, чем внутри. Эта разница поддерживается с помощью насосов, которые выталкивают положительно заряженные ионы натрия из нервной клетки через мембрану. Избыток внешних положительных зарядов обеспечивает разницу напряжения на клеточной мембране около одной сотой доли вольта. Хотя это с виду немного, вы должны помнить, что клеточные мембраны толщиной всего несколько нанометров, так что это напряжение возникает на очень коротком расстоянии. Это означает, что мы имеем разность потенциалов (чем и является напряжение на самом деле) на клеточной мембране в миллион вольт на метр. Это эквивалентно ошеломляющим десяти тысячам вольт на отрезке один сантиметр и почти достаточно, чтобы создать искру, какая, например, требуется свече зажигания вашего автомобиля для воспламенения топлива.

Головной отдел двигательного нерва художницы, или тело нервной клетки, соединяется со скоплением структур, называемых синапсами (см. рис. 8.2), которые являются своего рода распределительными коробками между нервами. Верхние нервы высвобождают молекулы нейротрансмиттера в эти распределители в таком количестве, в каком их высвобождается в нервно-мышечном соединении; это вызывает открытие ионных каналов в мембране тела нервной клетки и позволяет тем самым положительно заряженным ионам устремляться внутрь, вызывая резкое падение напряжения.

Большинство падений напряжения, вызванных открытием нескольких ионных каналов в синапсе, не будут иметь практически никакого эффекта. Но если поступает большое количество нейротрансмиттера, то и множество ионных каналов будет открываться. Последующее движение положительных ионов в клетку приводит к снижению напряжения ее мембраны ниже критического порога, около –0,04 В. Когда это происходит, вступает в дело другой набор ионных каналов. Это потенциалозависимые ионные каналы, то есть они чувствительны не к нейротрансмиттерам, а к разности напряжений на мембране. В примере нашей художницы, когда напряжение в теле клетки упало ниже критического порога, целое скопление этих каналов открылось, чтобы позволить большему количеству ионов устремиться в нерв, после чего их участок мембраны замкнулся. От последующего падения напряжения открылось еще больше потенциалозависимых каналов, позволяя еще большему числу ионов двинуться внутрь клетки, вызывая больше замыканий на мембране. Длинный проводящий элемент нерва, аксон, выстлан этими потенциалозависимыми каналами, и как только короткое замыкание произошло в теле клетки, это вызвало своего рода эффект домино в замыканиях на мембране – потенциал действия, – который быстро пошел вниз по нерву, пока не достиг нервного окончания (см. рис. 8.3). Там он стимулировал высвобождение нейротрансмиттера в нервно-мышечное соединение, в результате чего мышцы руки художницы сократились так, чтобы очертить контур бизона на стене пещеры (см. рис. 8.1).

Рис. 8.3. Потенциалы действия перемещаются по аксонам посредством работы потенциалозависимых ионных каналов в мембранах нервных клеток. В состоянии покоя мембрана имеет больше положительных ионов на внешней стороне, чем на внутренней. Тем не менее изменение напряжения, вызванное верхним потенциалом действия, вызовет открытие ионных каналов, и волна положительно заряженных ионов натрия – потенциал действия – устремится в клетку, временно изменяя напряжение мембраны. Этот электрический импульс откроет нижние ионные каналы эффектом домино, что обусловит всплеск электричества, идущий по нерву, до нервных окончаний, где он вызывает высвобождение нейротрансмиттера. После того как потенциал действия спадает, ионные насосы возвращают мембрану в обычное состояние покоя

Из описания видно, как отличаются нервные сигналы от электрического сигнала, перемещающегося по проводу. Скажем, ток, как движение зарядов, идет не по всей длине нервных проводов по направлению нервного сигнала, а перпендикулярно к направлению потенциала действия – извне внутрь, с помощью тех самых ионных каналов в клеточной мембране. Кроме того, когда потенциал действия инициируется открытием первых ионных каналов, они немедленно снова захлопываются и ионные насосы начинают работать на восстановление исходного напряжения по всей мембране. Так что еще один способ исследования нервного сигнала состоит в волнообразном открытии и закрытии ионных дверей мембран с перемещением от тела клетки к нервным окончаниям: движущийся электрический импульс.

Нерв-нервные соединения большинства двигательных клеток располагаются в спинном мозге, где они получают нейротрансмиттерные сигналы от сотен или даже тысяч верхних нервов (см. рис. 8.1). Некоторые верхние нервы выбрасывают нейротрансмиттеры в распределительную коробку (синапс), открывающую ионные каналы в теле клетки, для увеличения вероятности возбуждения двигательного нерва, в то время как другие, как правило, каналы закрывают. Таким образом, тело каждой нервной клетки действует подобно логическому элементу компьютера, генерируя выход – срабатывающий или нет – на основании входов. И если нейрон похож на логический элемент, то мозг, состоящий из миллиардов нейронов, может рассматриваться как своего рода компьютер; по крайней мере это предположение большинства когнитивных нейробиологов, присоединившихся к так называемой вычислительной теории разума.

Но мы забегаем слишком далеко вперед – мы еще не достигли мозга. Двигательный нерв нашей художницы должен был получить множество нейротрансмиттеров в его нерв-нервных распределительных коробках, чтобы возбудиться. Эти входящие сигналы пришли из верхних нервов, которые в основном возникали в ее мозге. Если вернуться по причинно-следственной связи назад, головные отделы этих нервов могли принять свои решения о том, возбуждаться ли им, на основании многочисленных входных сигналов, а также входов для этих входных сигналов и так далее все дальше и дальше в обратном направлении через причинно-следственную цепь, пока мы не достигнем нервов, получивших входные сигналы от глаз, ушей, носа и тактильных рецепторов художницы, а также центров памяти, которые получили бы сенсорные сигналы от предыдущих наблюдений за живым и мертвым бизоном. Между сенсорными входами и двигательным выходом стоит нейронная сеть мозга, которая выполняла вычисления, определяющие решение о генерировании на выходе точного движения для рисования контуров бизона.

И вот что мы имеем: полная цепочка событий, приведших к сокращению мышц, двигавшему руку художницы вдоль стены. Мы что-нибудь пропустили? То, что мы описали, является полностью механистической причинно-следственной цепью от сенсорного входа к двигательному выходу, с некоторой информацией, поступающей через центры памяти. Это своего рода механизм, о котором Декарт говорил, когда заявил (обсуждено в главе 2), что животные суть просто машины; все, что мы сделали, – это заменили его блоки и рычаги нервами, мышцами и логическими элементами.

Но помните, что Декарт отвел роль и духовной сущности, душе, как первоочередному двигателю человеческих поступков. Где находится душа среди входов и выходов в этой цепи событий? До сих пор мы описывали художницу только как зомби. Где же ее сознание, ее идея о том, что она должна изобразить что-то значащего бизона на стене пещеры, вошли в цепь событий между входом и выходом? Это остается самой большой загадкой науки о мозге.