Как правило, шум нам только досаждает. Это вам подтвердит всякий, кто живет возле аэропорта или слушает далекую радиостанцию, вещающую на средних волнах. Но для инженеров эти случайные флуктуации – просто дар божий.

Во время Второй мировой войны летчики, которым приходилось рассчитывать маршруты полетов и траектории бомб, часто обнаруживали, что в воздухе их вычислительные приборы эффективнее, чем на земле. Авиационные инженеры вскоре выяснили, почему это так. При движении сквозь воздушные массы корпус самолета вибрирует в широком диапазоне частот. Благодаря случайности некоторые из этих частот совпадали с резонансными частотами для различных движущихся деталей приборов, тем самым как бы позволяя им двигаться свободнее. Не зная, какие именно частоты играют столь важную роль, конструкторы стали встраивать в приборы небольшие вибрирующие моторчики в надежде добиться нужного резонанса. Так практически впервые был использован «подмешиваемый псевдослучайный сигнал» – сознательное добавление случайного шума.

Но, оказывается, природа нас тут опередила. Эволюция уже давно научилась использовать преимущества случайных сигналов. При некоторых условиях введение небольшого количества шума увеличивает чувствительность организма по отношению к среде обитания. К примеру, речной рак лучше обнаруживает мелкие движения плавников хищных рыб, когда в воде есть турбулентные течения: в спокойной воде ему это удается хуже. Да и человек лучше распознает бледное изображение на экране при добавлении некоторого визуального шума.

В таких ситуациях источник шума является внешним по отношению к организму, но эти примеры наводят на интригующую мысль: а могла ли эволюция включить такой вот привнесенный шум в мозг? Одна группа нейробиологов уверяет, что именно это и обнаружила – в форме «изначально шумных» нейронных цепей. Если они правы, может оказаться, что подмешиваемый псевдослучайный шум – распространенная в природе особенность.

Согласно одному из рабочих определений, применяемых в таких исследованиях, шум – широкополосный сигнал, состоящий из большого набора неупорядоченных частот. К примеру, свист и шипение «белого шума» в динамиках – это полный диапазон слышимых нами частот, от самых низких до самых высоких, и смешаны они в равных долях. А вот осмысленные сигналы концентрируют свою энергию на сравнительно узкой полоске спектра.

Феномен улучшения детектируемости слабого сигнала благодаря шуму носит название стохастического резонанса. Это явление возникает лишь в нелинейных системах – таких, где сигнал на выходе не пропорционален сигналу на входе. Нейроны как раз представляют собой хороший пример нелинейной системы. Они активируются только в тех ситуациях, когда электрический потенциал на их мембранах достигает критического значения. В такой системе слабый сигнал на входе, не достигающий порогового значения, можно усилить, добавив шум: тогда сигнал сумеет преодолеть порог.

Многочисленные теоретические модели позволяют предположить, что стохастический резонанс улучшает процесс обработки сигналов нейронами. Получены убедительные экспериментальные свидетельства того, что добавление внешнего шума при определенных условиях положительно влияет на способности мозга. Именно стохастическим резонансом объясняется и то, что турбулентные потоки помогают клеткам чувствительных волосков речного рака улавливать шевеление плавника далекой рыбы, и то, что визуальный шум помогает человеческому глазу воспринимать бледное изображение. Внешний шум с тех пор научились обращать на пользу человеку. Скажем, кохлеарные импланты помогают слабослышащим улавливать тихие звуки, а вибрирующие стельки уменьшают покачивание у тех, кто перенес инсульт.

Однако долгое время никто не мог отыскать никаких свидетельств того, что мозг вырабатывает собственный внутренний шум с целью использовать явление стохастического резонанса. Но тут на сцену вышел оксфордский нейробиолог Геро Мизенбок. По его мнению, он обнаружил мозговую цепочку (часть обонятельной системы дрозофилы), существующую именно для того, чтобы генерировать шум и тем самым улучшать функционирование мозга. По мнению ученого, его находку можно приложить и к исследованиям человеческого мозга, ибо основы устройства обонятельной системы дрозофилы общие не только для всех насекомых, но и для всех позвоночных – то есть и для человека.

Впрочем, Мизенбок не стал пытаться установить источник шума. Он лишь хотел разгадать тайну, которая много лет тревожила умы исследователей обонятельной системы.

Обонятельная система дрозофилы представляет собой сложнейший комплекс нейронных путей. Начинается все с мушиных антенн, где имеется около 1200 обонятельных рецепторных нейронов (ОРН), каждый из которых несет на себе определенный тип рецепторных молекул. Существует около 60 различных рецепторных молекул, а значит, около 60 различных типов ОРН.

Далее эти ОРН сходятся в клубочки, именуемые гломерулами, где завязываются синаптические связи с клетками, которые называются проективными нейронами. Каждая гломерула получает сигналы лишь от одного типа ОРН, и долгое время нейробиологи полагали, что каждый проективный нейрон способен реагировать лишь на один конкретный запах.

Несколько лет назад нейробиологи обнаружили, что это не так. Измерение электрической активности индивидуальных проективных нейронов показывает: иногда они реагируют не только на те запахи, которые воспринимаются их ОРН.

Но как же им это удается? Ведь каждая гломерула получает сигналы лишь от одного типа ОРН? Работая в Йельской школе медицины несколько лет назад, Мизенбок и его коллега Юхуа Шань сумели распутать эту загадку.

Они взяли мутантную муху, лишенную всех ОРН, которые должна были соединяться с определенной гломерулой, и стали выяснять, получает ли сигналы соответствующий проективный нейрон. В результате Мизенбок и Шань обнаружили неизвестную прежде сеть промежуточных нейронов (интернейронов), связывающих гломерулы друг с другом и передающих сигналы между ними. Такие «локальные возбуждающие нейроны», по-видимому, дают проективным нейронам своего рода диффузный стимулирующий сигнал, когда в среде присутствует определенный запах.

Это позволило решить одну проблему, но тут же возникла другая: зачем добавлять что-то к системе, если такое добавление означает утрату точного однозначного соответствия обонятельных рецепторов и проективных нейронов? «На первый взгляд, это противоречит интуитивным предположениям, – говорит Мизенбок. – Зачем размывать четкий, хорошо обособленный сигнал, делая его более шумным?» Он выдвинул гипотезу, согласно которой этот шум появился по определенным причинам. Возможно, локальные возбуждающие нейроны «намеренно» вводят шум в систему, тем самым используя стохастический резонанс для того, чтобы слабые запахи удавалось легче улавливать.

Вполне разумное предположение, если учесть, что происходит с поступающим сенсорным сигналом дальше. Проективные нейроны посылают сигналы другим нейронам, которые называются клетками Кеньона и располагаются в грибовидном теле – области мушиного мозга, задействованной в процессах обучения и запоминания. Каждая клетка Кеньона получает сигналы от многих проективных нейронов, но у этих клеток весьма высокий порог активации, так что они активируются, лишь когда большое количество проективных нейронов, поставляющих им сигналы, возбуждается одновременно. Если принять во внимание, что проективные нейроны чаще активируются в ответ на «свой» запах, а не на другие, можно сделать вывод, что каждая клетка Кеньона тоже активируется лишь в ответ на один определенный запах, так что избирательность и специфичность системы сохраняется.

А потом группа Мизенбока нашла статью 1983 года, написанную Александром Борстом из Института нейробиологии Общества Макса Планка. В этой статье описывалась сеть локальных ингибирующих нейронов, соединяющая гломерулы. По мнению Мизенбока, такие нейроны могли бы оказывать действие, противоположное действию его возбуждающих нейронов, тем самым приглушая мощные сигналы, поступающие от ОРН.

Зачем вообще идти на такие хлопоты – усиливать слабые сигналы и ослаблять сильные? Мизенбок предполагает: это нужно для того, чтобы сглаживать крайности в концентрации запахов. Он поясняет: «Вы должны иметь возможность почувствовать аромат розы и распознать его именно как аромат розы и при очень малых концентрациях запаховых молекул, и когда вам под нос тычут распустившийся цветок. Поэтому должен существовать какой-то механизм, который нивелировал бы вариации, связанные с разной концентрацией запаховых молекул. Как нам представляется, он-то и работает на промежуточном этапе обработки обонятельного сигнала».

Группе Мизенбока еще предстоит как следует доказать свою гипотезу «полезного шума», но ученые работают над этим. Упражняясь с локальными нейронами, они надеются выяснить, как менять уровень шума. Мизенбок предполагает: уменьшение уровня шума или полное его подавление снизит вероятность того, что слабые запахи будут активировать клетки Кеньона. Согласно еще одному его прогнозу, поведение дрозофил при этом также будет отражать снижение чувствительности насекомых к слабым запахам, а это можно показать экспериментально, следя за тем, насколько мухи избегают неприятных для них запахов.

Впрочем, такие манипуляции требуют немалой изощренности – отчасти из-за того, что ученые пока понятия не имеют, сколько вообще локальных нейронов в мозгу дрозофилы. Им придется модифицировать большинство этих нейронов, если они хотят увидеть искомые эффекты.

Если ученые преуспеют в этом, следующим шагом станет попытка показать, что нечто подобное происходит и в мозгу млекопитающих. Но отыскать там генерирующую шум клетку, напоминающую локальный нейрон дрозофилы, будет чрезвычайно трудно, полагает Томас Клаусбергер, также работающий в Оксфорде. Сейчас Клаусбергер выявляет все новые и новые разновидности промежуточных нейронов в крысином гиппокампе – структуре, которую сравнивают с грибовидным телом мозга насекомых, поскольку она тоже играет важную роль в процессах обучения и запоминания. Ученый подчеркивает, что одна только эта область содержит не меньше 21 различного типа интернейронов.

А вот Фрэнк Мосс, биофизик из Миссурийского университета в Сент-Луисе, решил в 1993 году поисследовать речных раков. Мосс давно подозревал, что животные используют стохастический резонанс, дабы увеличить свои шансы при размножении. Его очень впечатлили находки Мизенбока.

Одна из работ Мосса стала первой, где удалось показать, что привнесенный извне шум может действовать в рамках стохастического резонанса. Мосс изучал веслоносых рыб, которые отыскивают пищу, пользуясь электросенсорами в своем рыле, чтобы улавливать слабые электрические сигналы, испускаемые планктоном, их обычной добычей. Мосс поместил такую рыбу в резервуар с водой, содержащий планктон и два электрода, которые генерировали шум в форме случайно варьирующегося электрического поля. Замерив эффект шума, он обнаружил: существует некоторая промежуточная амплитуда, при которой охота рыбы на планктон гораздо успешнее.

Оптимальность этого успеха при «среднем» уровне шума – одна из характерных особенностей стохастического резонанса: если шума слишком мало, сигнал не достигает порогового значения, а если шума слишком много, сигнал в нем попросту тонет. Таким образом, соотношение уровня шума и уровня пользы от этого шума можно в данном случае изобразить как перевернутую вверх ногами букву U.

Затем Мосс решил заняться дафниями – мелкими водяными рачками. Он полагал, что эти изыскания помогут ему получить новые доводы в пользу существования стохастического резонанса, порождаемого самим организмом.

Дафния кормится характерным образом: последовательность ее движений при этом – прыжок, пауза, поворот под углом и еще один прыжок. Углы поворота различны и невооруженному глазу кажутся случайными.

Однако Мосс считал иначе. Вместе с коллегами он записал на видео поведение пяти видов дафний, добывавших себе пищу в мелководном аквариуме, и замерил сотни углов поворота. Построив частотное распределение для этих углов, ученые обнаружили, что оно не носит совершенно случайный характер: некоторые углы наблюдались заметно чаще, чем другие. Общее распределение можно математически описать, применив параметр, именуемый «интенсивностью шума». Это мера его случайности («шумности»).

Затем ученые построили компьютерные модели кормящихся дафний, основываясь на разных интенсивностях шума. Наиболее выгодной стратегией сбора пищи стала именно та, где уровень интенсивности шума совпадал с тем, который зафиксировали, наблюдая реальных дафний. Более низкая или более высокая интенсивность шума уменьшала успешность охоты – в полном согласии с перевернутой U для стохастического резонанса. Пока никто не знает, каким образом дафнии генерируют именно такое распределение углов поворота, но команда Мосса заявляет, что это пример стохастического резонанса в действии, а кроме того, что это распределение порождается где-то в организме дафнии – возможно, в ее мозгу. По мнению Мосса, оптимальная интенсивность шума должна являться продуктом естественного отбора, поскольку дафния, которая пользуется оптимальной интенсивностью шума, будет находить больше пищи, тем самым максимизируя свою приспособленность к условиям среды обитания.

Однако идея, согласно которой биологические системы используют генерируемые ими же шумы, по-прежнему вызывает массу вопросов. Вот один из главных: является ли истинным шумом то, что порождается локальными нейронами дрозофилы? Барт Коско, инженер-электротехник из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, автор книги «Шум» (2006), заявляет: он в этом отнюдь не убежден.

Шум имеет строгое математическое определение, и то, что в сложной биологической системе выглядит как шум, обычно оказывается просто утечкой сигнала. «Необходимо вычленить источник этого «шума» и узнать, действительно ли он обладает статистическими характеристиками шума», – указывает Коско. Если выяснится, что это не «истинный шум», тогда, по определению, вы имеете дело не со стохастическим резонансом.

Нейробиолог Георги Бузаки из Нью-Йоркского университета идет еще дальше. Он заявляет: если нечто усиливает поступающие в мозг слабые сигналы, позволяя им преодолевать пороговые значения, то это «нечто» – вряд ли шум. «Генерирование шума – процесс весьма дорогостоящий, – подчеркивает ученый. – Хорошая система попросту не может себе этого позволить. А мозг мы все-таки считаем хорошей системой».

Бузаки согласен с Мизенбоком в том, что касается возможности существования «шумоподобного» сигнала, модулирующего мозговую активность у млекопитающих. Но, по мнению Бузаки, для этого не нужны специальные схемы, вырабатывающие шум. Он напоминает о спонтанной нейронной активности, свойственной всем участкам мозга.

Нейроны способны на два типа активности – спонтанную и наведенную (индуцированную). Первая возникает независимо от внешних раздражителей, тогда как вторая служит откликом на них. Спонтанная активность вызывает интерес у нейробиологов, поскольку может дать представление о механизмах усиления умственной активности человеческого мозга. Спонтанная активность может распространяться через нейронные сети, с краткими периодами синхронной активации нейронов со скоростью до сорока «импульсных пиков» в секунду. Предполагалось, в частности, что так называемые гамма-волны могут связывать воедино различные когнитивные процессы, тем самым порождая восприятие.

По мнению Бузаки, поступающие слабые сигналы могли бы путешествовать «на загривке» у этих спонтанных волн активности и благодаря этому преодолевать пороговые значения. Он утверждает, что это стало бы более эффективным (с точки зрения затрат) способом усиления слабого сигнала, поскольку спонтанная активность требует меньше энергии.

Разумеется, есть одно ключевое сходство между этими двумя возможностями: обе подразумевают, что один сигнал позволяет другому преодолеть порог. «Принцип один и тот же», – подчеркивает Мизенбок. Однако здесь очень важны конкретные подробности – как для понимания основ работы мозга, так и для того, чтобы в дальнейшем, быть может, использовать случайный шум и феномен стохастического резонанса при разработке сенсорных устройств для помощи людям с ограниченными возможностями – скажем, при создании сетчаточных имплантов.

Пока мы еще не сумели выяснить, что же создал естественный отбор – мозг со встроенным генератором случайного шума или же просто мозг, способный заимствовать какой-то иной нейронный сигнал, чтобы использовать его как шум. Как бы там ни было, похоже, мозг дрозофилы не может работать без некоторого привнесенного случайного шума. То же самое, по-видимому, относится и к нашему собственному мозгу.