Глава 3
Зачем нужен мозг?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Эволюция — это единственный основополагающий принцип для всей биологии, однако осознать, как в ходе эволюции появился современный мозг, не так уж просто. В самом строгом смысле, как предполагал Дарвин, эволюцию проходит весь организм целиком. Животное должно дожить до половой зрелости и успеть оставить потомство. Отдельные части организма, например мозг, эволюционируют лишь благодаря изменениям, которые дают животному преимущество либо в борьбе за выживание, либо в размножении. Соответственно, хоть мы и вправе говорить об эволюции мозга, нужно учесть, как изменения в его структурах повышают приспособленность животного к условиям окружающей среды, а не просто проследить, как эти изменения делают мозг все больше похожим на человеческий. Отсюда следующий принцип функционирования мозга:

Другими словами, животные существуют не в вакууме. Они — часть окружающего их мира, и одна из функций мозга заключается в том, чтобы выстраивать связь между окружающей средой и системами принятия решений у животного, а также в конечном итоге его организмом.

После червей животные начали становиться интереснее: у них образовался хребет. Первые позвоночные появились пятьсот миллионов лет назад. Поначалу они не слишком отличались от червей, разве что были чуть крупнее, но именно в силу увеличения в размерах им и потребовалось в качестве внутренней опоры нечто более основательное, чем мягкая ткань. Так возникла хорда — стержневидное утолщение, проходившее у этих животных вдоль всего тела. По мере увеличения животных в размерах необходимость контроля и координирования требовала еще большего усложнения нервной системы, что вело к дальнейшей ее консолидации и централизации.

Современным живым примером таких организмов служат миноги и миксины — придонные бесчелюстные обитатели океана. В зависимости от личного восприятия, они могут показаться вам либо самыми восхитительными, либо самыми страшными из океанских существ. Миксины довольно безобидны и большую часть жизни проводят, извиваясь в донном иле. При угрозе выделяют густую слизь. Миноги же выглядят как персонажи научно-фантастического фильма (собственно, миногами и вдохновлялись художники «Звездных войн» и «Дюны», придумывая песчаных червей). Миноги прикрепляются к более крупным рыбам с помощью большой ротовой присоски, за присоской расположено кольцо зубов, которыми этот хищник вгрызается в плоть жертвы. Поскольку первые миноги появились в океане задолго до рыб, зубы у них, скорее всего, возникли как более позднее приспособление.

У ранних бесчелюстных позвоночных уже имелось то, что можно расценивать как первый выраженный мозг. Выпуклость на головном конце спинного мозга содержала все базовые области, имеющиеся в мозге каждого позвоночного: обонятельную луковицу, примитивную кору для принятия решений, область обработки сенсорной информации и область координации и управления системами жизнеобеспечения.

У этих первых позвоночных и тело, и мозг были приспособлены для контроля над действиями в немыслимой для беспозвоночных степени. Однако такое разнообразие населяющих океан животных неизбежно подогревало конкуренцию. Одними рефлексами тут было не обойтись. Выжить в древнем океане могло животное, превосходившее соперников в гибкости принятия решений. Способность варьировать поведение давала виду существенное преимущество перед теми, кого ограничивала намертво вшитая моторная программа. Потребность в гибкости поведения выводит нас на третий принцип функционирования мозга:

В действительности учиться способны даже животные с простой нервной системой, но степень обучаемости при этом будет соответствующая. Связь стимул — реакция — это тоже форма научения, для которой достаточно нескольких нейронов. Научение, осуществляемое полноценно развитым мозгом, гораздо глубже. Разумное существо может и должно осознавать, что окружающая среда таит в себе как блага, так и опасности — в основном второе. Вероятность выжить и дать потомство зависит во многом от умения выстроить длинную цепочку правильных решений и избежать неправильных, чреватых гибелью. Вторую попытку никто не даст. Как же тогда животное учится на собственном опыте, не расставаясь с жизнью?

Дело в том, что в ходе эволюции мозг достиг большего, чем просто способности воспринимать информацию и соответственно действовать. Высокоразвитый мозг постоянно прокручивает модели возможных действий и их последствий, как мы просчитываем ходы при игре в шахматы. По мере расширения поведенческого репертуара у позвоночных вынужден был усложняться и мозг. Частично это усовершенствование было направлено на то, чтобы угнаться за усложнением действий, но в основном увеличение размеров мозга отражало растущую потребность обыграть соперников в дарвиновской борьбе за выживание. И хотя научение строится на прошлом опыте, необходимость смотреть вперед и прогнозировать вероятные сценарии ведет к четвертому принципу функционирования мозга:

Спустя еще восемьдесят миллионов лет эволюционного развития появились рыбы. Это были хрящевые — класс, в который входят в том числе акулы и скаты. В ходе дарвиновской борьбы за выживание они становились всё крупнее и сильнее, что, в свою очередь, требовало укрепления скелета. Около четырехсот миллионов лет назад среди обитателей океана уже наблюдалось огромное разнообразие как хрящевых, так и костных рыб. Эволюция костяка привела к возникновению более сложных форм тела. Увеличивалось количество плавников в разных местах, благодаря чему возрастали скорость и маневренность. И наконец, около трехсот девяноста миллионов лет назад произошел, пожалуй, самый важный скачок в эволюции позвоночных: часть плавников окрепла настолько, чтобы выдерживать вес тела на суше. Так произошли четвероногие.

Сначала они были похожи на тритонов и жили в основном в воде, лишь изредка отваживаясь выползать на берег. А тот, несомненно, изобиловал растительностью, и, когда все это изобилие оказалось в единоличном распоряжении земноводных, неудивительно, что они получили в борьбе за выживание огромное преимущество перед соперниками, не способными покинуть водную среду.

Икру земноводные откладывали в воде, поскольку на суше без защитной оболочки она бы погибла. В итоге образовалась еще одна эволюционная ниша — преимущество для тех четвероногих, которые будут откладывать яйца, способные уцелеть на суше, подальше от океанских любителей ими полакомиться. Такие яйца, с достаточной твердой оболочкой в виде скорлупы, появились около трехсот двадцати миллионов лет назад, и от животных, которые их откладывали (завропсид), произошли впоследствии пресмыкающиеся и птицы. Вскоре завропсиды стали царями планеты. Состав у этого класса был достаточно пестрым и отличался большим видовым разнообразием. Но примерно двести пятьдесят миллионов лет назад их сладкая жизнь внезапно оборвалась — в результате массового вымирания, так называемой пермской катастрофы. Причина ее неизвестна, гипотезы выдвигаются многочисленные — от метеоритных ливней до извержения вулканов и безудержного парникового эффекта. После этой катастрофы жизнь на планете восстанавливалась около десяти миллионов лет.

Из класса завропсид уцелели крокодилы и динозавры. У последних бум видообразования случился двести миллионов лет назад, когда большинство их соперников погибло в очередном массовом вымирании (триасово-юрском). Оставшиеся сухопутные, не принадлежащие к динозаврам, вынуждены были мельчать и умнеть, чтобы превзойти гигантов изворотливостью. Именно от них затем произошли млекопитающие.

Древнейшие предки млекопитающих, цинодонты, откладывали яйца, как пресмыкающиеся и птицы. Цинодонты обитали на Земле со времен пермской катастрофы и выглядели как помесь крысы и ящерицы. Конечности у них были прямее, чем у рептилий, и это повышало их мобильность. Не исключено, что у цинодонтов имелись даже примитивные механизмы терморегуляции. В этом случае их можно считать первыми теплокровными. Если самым крупным из цинодонтов хватало массы тела, чтобы сохранять тепло, то более мелких в холода, вероятно, согревала шерсть. Дальнейшая эволюция привела к появлению новой репродуктивной стратегии, позволявшей яйцу развиваться внутри организма, что уберегало зародыш от гибели в зубах хищника. Эта ветвь млекопитающих — терии, или настоящие звери, — рождала детенышей живыми, и именно от них ведут свою историю все ныне живущие млекопитающие.

Динозавры, возможно, обитали бы на Земле по сей день, если бы не астероид, столкнувшийся с нашей планетой шестьдесят шесть миллионов лет назад и погубивший всех динозавров, кроме птиц. Мел-третичная катастрофа стала пятой и самой недавней в череде массовых вымираний, и, хотя потери понесли все виды, во время восстановительного периода млекопитающие получили заметное преимущество. После исчезновения динозавров они стремительно расширили видовое разнообразие, заполнив пустующие экологические ниши.

А еще млекопитающие выросли в размерах — и тут мы снова возвращаемся к разговору о мозге.

Чем крупнее тело, тем крупнее мозг. Вроде бы очевидно, однако споры о предпосылках и последствиях этого факта не утихают уже более ста лет. Чтобы рассмотреть сознание животного с биологической точки зрения, сперва нужно объяснить различия в размерах мозга и понять, что дает — и дает ли — крупным животным вся эта дополнительная нервная ткань.

В 1973 году психолог Гарри Джерисон выдвинул гипотезу — простое правило, объясняющее межвидовую разницу в размерах мозга. Он писал: «Масса нервной ткани, отвечающей за определенную функцию, соответствует количеству обрабатываемой информации, требуемой для выполнения этой функции». Он назвал это «принципом надлежащей массы». Поскольку биологической системе требуется постоянный источник энергии, рассуждал Джерисон, та или иная область мозга способна развиться лишь до тех размеров, которые необходимы для выполнения возложенных на нее задач. Дальнейшее увеличение — это уже расточительство. В таком случае должно быть верно и обратное: размер той или иной структуры мозга позволяет судить об относительном (в сравнении с другими отделами мозга) объеме выполняемой ею работы.

По логике Джерисона, более крупный мозг должен в таком случае обрабатывать больше информации, чем уступающий ему в размерах. Но чем это обусловлено?

Первые подсказки нам дает геометрия тела животных и математическая зависимость между весом тела и мозга. У мелких птиц соотношение веса мозга и тела составляет 1:10, у собак и кошек — примерно 1:100, у слона — около 1:500, у синего кита — приблизительно 1:14 000. Так что хотя у больших животных мозг действительно крупный, увеличивается он не строго пропорционально размерам тела. Его вес пропорционален весу тела примерно в степени ²/₃.

Данный показатель степени важен нам, потому что согласно фундаментальным геометрическим законам площадь поверхности объекта пропорциональна его объему в степени ²/₃. Эта математическая зависимость обусловлена вовсе не тем, что у более крупного животного больше мышц, а значит, больше объектов для контроля. У насекомых, например, количество мышц примерно совпадает с нашим. Дело не в этом, а в том, что, как проницательно подметил Джерисон, с увеличением площади поверхности увеличивается объем поступающих от кожи сенсорных данных, которые мозгу нужно обрабатывать.

Ученые любят объяснять биологические явления с помощью математических правил, однако лучше все же воспринимать эти правила как ориентиры, а не как непреложные законы. У таких правил всегда бывают исключения (и в данном случае исключение довольно примечательное — человек). Наш мозг гораздо крупнее, чем следовало бы предполагать, исходя из правила площади поверхности. Более того, это объяснение не принимает в расчет другие сенсорные системы, в частности зрительную, роль которой сильно различается у разных видов.

В результате появилась новая мера — коэффициент энцефализации, EQ, который выводится из соотношения объемов мозга и организма в целом. Соответственно, несмотря на то что абсолютный размер мозга у слона огромен, EQ покажет, действительно ли он велик в пропорции к гигантскому слоновьему телу. Джерисон определил средний EQ для млекопитающих равным единице. Если у того или иного вида EQ выше единицы, значит, мозг у него достаточно крупный относительно тела, и, наоборот, при EQ меньше единицы мозг для тела таких габаритов мелковат. У кошек показатель составляет ту самую среднюю единицу, у собак чуть выше — 1,2. У обычных обезьян, шимпанзе и слонов EQ равен примерно 2, а вот у дельфина афалины достигает 4. Человек занимает верхнюю ступень этой иерархии с EQ равным 7.

Напрашивается вывод: чем выше EQ, тем умнее животное, однако это верно лишь в грубом приближении. Если расценивать интеллект как владение речью и способность оперировать отвлеченными понятиями, то человек, разумеется, и тут окажется впереди всех, и проще простого объяснить это тем, что наш мозг имеет размер выше среднего. Но, даже если сравнивать между собой только людей, зависимость интеллекта от EQ не выдерживает критики. Возьмем двух человек с одинаковым размером мозга. Предположим, один весит 70 кг, а второй — 110 кг, и тогда у первого EQ будет равен 7, а у второго — 5. Но вроде бы никем пока не доказано, что, похудев, человек становится умнее.

В последнее время EQ вызывает все больше сомнений, поскольку его расчеты основаны на том, что вещество мозга у всех животных одинаково, а это, возможно, не так. Бразильский нейрофизиолог Сюзана Эркулано-Хузель с 2006 года разрабатывает способ измерения числа нейронов в мозге. Прежде надежного способа не существовало, все сводилось к исследованию случайных образцов разных участков мозга, а затем результаты распространялись на весь остальной мозг. Эркулано-Хузель придумала, как превратить целый мозг в «бульон», из которого затем можно отфильтровать нейроны. И, подсчитав число нейронов в мозге разных животных, она обнаружила, что показатели у человека не такие уж и выдающиеся. Хотя нейронов у человека и вправду много — около восьмидесяти шести миллиардов, количество это вполне соответствует размерам нашего тела в сравнении с другими приматами. А вот между приматами и всеми остальными млекопитающими разрыв действительно большой. Нейроны у приматов мельче и благодаря своей микроскопичности укладываются в мозге заданного объема более плотно. Эркулано-Хузель доказывает, что интеллект определяется именно числом нейронов, особенно в коре мозга, а вовсе не коэффициентом энцефализации.

Однако и объем мозга, и число нейронов — это лишь общие параметры, сообщающие нам ненамного больше, чем сообщает о человеке его рост или вес. Чтобы понять субъективные ощущения животного, нужно проникнуть глубже в устройство его мозга.

Поскольку общие размеры мозга мало что объясняют, придется обратиться к другим переменным, и следующая такая переменная — это размер определенных его частей. Отдельные области мозга все равно должны подчиняться принципу надлежащей массы, то есть более обширные зоны обрабатывают больше данных, и на этом основании можно судить о внутренних ощущениях животного. А поскольку обслуживание нейронов требует от организма крупных затрат, размер области мозга может рассказать и о том, насколько выполняемая ею функция важна для животного.

Но, прежде чем углубиться в изучение отдельных областей мозга, нам нужно уточнить один момент, касающийся размеров. Измерять можно тремя способами. Первый, самый прямолинейный, — вычислить абсолютный размер области, то есть ее объем. Второй — вычислить пропорциональный размер области, то есть ее долю в общем объеме мозга. Этот показатель довольно интересен, поскольку у каждого отдела соотношение с общим размером мозга индивидуально. Так, например, по мере увеличения объема мозга все больше и больше становилась доля коры. Другие отделы, такие как мозжечок и стволовая часть, тоже росли, но менее стремительными темпами, чем кора. Пропорциональные размеры коры, мозжечка и стволовой части отличаются у разных видов удивительным постоянством, особенно у млекопитающих, — на этот счет существует теория, утверждающая, что главные отделы мозга развивались согласованно. Логика в этом есть. Поскольку в мозге все взаимосвязано, то происходящее с одним отделом отражается и на других.

Но, если отделы мозга развивались согласованно, как же тогда в ходе эволюции расширялись или сокращались те или иные функции? Ведь эта дифференциация и лежит в основе того, что отличает мозг кошки от мозга собаки или мозг человека от мозга шимпанзе. Данный парадокс приводит нас к третьему способу определения размера отдельных областей мозга.

Если пропорциональный размер — это отношение отдела мозга к общему объему, то относительный размер — это соотношение отделов между собой. У собак большие обонятельные луковицы, но что значит в данном случае «большие»? На долю обонятельной луковицы у собаки приходится около 0,3% общего объема мозга. Если мы добавим прилегающую нервную ткань (обонятельные пути и обонятельную полоску), доля вырастет до 2% от общего объема. У человека эта доля составляет 0,01 и 0,03% соответственно, однако пропорциональный размер может быть небольшим, поскольку значительную долю объема забрали остальные отделы коры. Поэтому нам нужно определить объем обонятельной системы по отношению к другим сенсорным системам, например зрительной. Только тогда можно будет сравнивать обоняние собаки с человеческим. Если в ходе эволюции менялись относительные размеры областей мозга, может быть, мозг развивался как мозаика, каждый элемент которой подвергался индивидуальному эволюционному воздействию.

Еще одним примером мозаичной эволюции может служить относительность роли слуховой и зрительной информации. В процессе слушания звуковые волны улавливаются ушной раковиной и преображаются в колебания мельчайших косточек внутреннего уха. Волоски особых нейронов внутреннего уха трансформируют эти колебания в электрические импульсы, которые передаются по слуховому нерву в ствол головного мозга. По дороге к мозгу слуховые сигналы проходят через ряд структур, самая заметная из которых носит название «нижнее двухолмие». Левый и правый «холмики» образуют пару выпуклостей на задней поверхности среднего мозга. Как вы, наверное, догадываетесь, если есть нижнее двухолмие, должно быть и верхнее — оно действительно имеется, расположено выше нижнего и представляет собой аналогичную структуру, но для приема зрительной информации. Анатомы давно поняли, что относительные размеры нижнего и верхнего двухолмий соответствуют относительной важности слуховой и зрительной информации для животного. У летучих мышей и дельфинов, пользующихся эхолокацией, нижнее двухолмие крупнее верхнего, тогда как у животных, больше полагающихся на зрение, в том числе у многих приматов, крупнее верхнее двухолмие.

Один из самых убедительных примеров взаимосвязи между относительным размером и функцией того или иного отдела дает нам птичий мозг, а точнее, структура под названием гиппокамп, находящаяся между корой и стволом. У млекопитающих она образует восходящую дугу с внутренней части височной доли. У птиц — скобку в верхушечной части больших полушарий. В одном из классических исследований Джон Кребс, зоолог из Оксфордского университета, измерил относительный размер гиппокампа у птиц, которые запасают еду (например, ворон), и не запасающих (таких, как зяблики). Сравнив в том числе размер тела и общий объем мозга, Кребс обнаружил, что у запасающих гиппокамп крупнее, чем у не запасающих.

Гиппокамп уже достаточно давно известен как одна из ключевых структур, отвечающих за формирование памяти. В 1950-х годах некому Генри Молисону, страдавшему эпилепсией, удалили обе части гиппокампа в надежде тем самым избавить его от заболевания. В этом смысле операция увенчалась успехом. Но Генри Молисона (точнее, пациента Г. M., как его до самой кончины называли во всех научных работах) ждал и другой «успех» — слава самого знаменитого больного в истории неврологии, поскольку после операции он лишился способности формировать новые воспоминания. У животных гиппокамп важен, прежде всего, для пространственной памяти — помнить, где что расположено. Поэтому вполне логично, что в мозге птиц, запасающих еду впрок, ему должно быть отведено больше места.

В поддержку теории мозаичной эволюции мозга эти примеры приводят чаще всего. Примеры убедительные и хорошо иллюстрируют основополагающую взаимосвязь между относительным размером отделов мозга и их функцией. Однако в большинстве остальных случаев доказательство получается не особенно убедительным. Вариации в размерах других отделов мозга в основном соотносятся с общим его размером. Животные становились крупнее, а значит, рос и мозг вместе со всеми его составляющими.

Хотя нейронам достается львиная доля внимания исследователей, толщина серого вещества коры головного мозга, в котором находятся клеточные тела нейронов, составляет ничтожные три миллиметра. Бóльшая часть мозга состоит вообще из другого — из глиальных клеток, служащих нейронам опорой и метаболическим проводником. Спинномозговая жидкость (ликвор) создает что-то вроде подушки безопасности, поддерживая мозг на плаву. Далее идет белое вещество, которое тоже занимает существенную часть объема. Белый цвет ему придает похожая на воск субстанция под названием миелин, выполняющая роль электроизолирующей оболочки у аксонов. Синапсы, где происходит передача информации между нейронами, расположены в сером веществе, однако наличие белого вещества позволяет сообщаться и нейронам, находящимся на значительном расстоянии друг от друга — в разных отделах мозга или в головном и спинном мозге. Длина аксонов в белом веществе спинного мозга может достигать метра.

Джерисон изучал серое вещество, потому что именно там располагаются нейроны. До недавнего времени мало кто из нейробиологов интересовался белым веществом, поэтому обнаруженная Кэчэнем Чжаном и Терренсом Сейновски (специалистами из Института биологических исследований Солка) значимая связь между белым и серым веществом оказалась для всех полной неожиданностью. Чжан и Сейновски измерили объем серого и белого вещества в мозге пятидесяти девяти разных млекопитающих — от крохотной малой бурозубки до слона и дельфина гринды. Отраженные на логарифмической шкале результаты измерений выстроились в прямую линию. На таком типе графиков крутизна кривой дает показатель степени для пересчета — в данном случае объем белого вещества оказался равен объему серого в степени 1,23.

Эта величина представляет интерес по двум причинам.

Во-первых, степень больше единицы, то есть объем белого вещества увеличивается быстрее, чем объем серого. По мере увеличения мозга белое вещество занимает все больше места. Вполне закономерно, ведь чем больше в мозге нейронов, тем больше связей друг с другом им требуется. Поверхность коры в основном покрыта полотном нейронов, поэтому чем крупнее становится мозг, тем обширнее площадь этого полотна. Если бы все нейроны были связаны между собой, прирост числа соединений должен был бы составлять квадрат от количества нейронов. Но это не так.

Соответственно, во-вторых: степень меньше квадрата, то есть белое вещество увеличивается быстрее серого, но не настолько, чтобы все нейроны оставались связаны между собой. Неспособность обеспечить полную связь означает, что более крупный мозг распадается на обособленные отделы. Иными словами:

Чжан и Сейновски пришли к выводу, что взаимосвязь между объемом серого и белого вещества можно объяснить простым принципом, согласно которому мозг минимизирует количество дальних связей. Если волокно тянется на дальнее расстояние, оно занимает много места и грозит замедлением проводимости. Тракты в белом веществе похожи на автострады, по которым гонят дальнобойные фуры, — полезная штука, но очень дорогая в обслуживании. Представьте, что вам нужно разослать некое количество товаров по всей стране. Можно отправлять каждый отдельно из центрального отделения, а можно накапливать на местных складах и рассылать по окрестностям. Расходы на дальнюю пересылку минимизируются за счет объединения отправок на местные склады.

В математической зависимости, ничего нам не говорящей при других обстоятельствах, скрывалась труднопостижимая истина, касающаяся организации мозга. До Чжана и Сейновски ученые спорили о том, почему у разных животных отличается внешнее устройство мозга. Согласно принципу надлежащей массы, размер того или иного отдела связывали с объемом выполняемой работы — либо пропорционально, либо относительно. Чжан и Сейновски доказали, что размер связан, кроме того, с определенными затратами. По мере увеличения отделов объем тех областей мозга, которые отвечают за сообщение между этими отделами, увеличивался еще быстрее. В результате возник парадокс. Эволюция стремилась к централизации управления организмом, но по мере увеличения животных в размерах мозг становился все более дискретным. Современный большой мозг представляет собой уже не единое целое, а совокупность полуавтономных модулей.

Но, хотя взаимосвязь между объемами белого и серого вещества имеет основополагающее значение для понимания принципов устройства мозга, она все же относится лишь к размеру. Она не объясняет, почему мозг собаки не похож на мозг обезьяны резуса, хотя и тот и другой весят по сто граммов. Чтобы разобраться, за счет чего собачий мозг делает собаку собакой, а не обезьяной, нам нужно проникнуть в его устройство еще глубже и посмотреть, как распределены в нем белое и серое вещество. Нам нужна подробная карта взаимосвязей между разными частями.

Анализировать, как связаны между собой части мозга, — это примерно как вычислять принципы устройства экономики той или иной страны, глядя из космоса. Представьте, что вы находитесь на орбитальной Международной космической станции в двухстах пятидесяти милях от поверхности Земли. Как вы будете изучать Соединенные Штаты? Наверное, для начала присмотритесь к самым заметным элементам ландшафта — океанам, горам, рекам, городам. Они подскажут вам, где сосредоточена наибольшая активность, но и только. Если у вас острый глаз, возможно, вы разглядите магистрали, по которым осуществляется сообщение между центрами активности. Постепенно у вас сложится представление о том, как функционирует эта страна.

В конце XX века нейронаука занималась, прежде всего, «заметными элементами» — размером разных отделов мозга и предпосылками их активности. В XXI веке парадигма сместилась в сторону построения карты магистралей, и нейробиологи этого поколения уклонились в картографию. Эта область исследований называется коннектомикой.

Коннектомика, которая, разумеется, не сводится к простому построению карт, имела неплохие перспективы проникнуть, наконец, в разум животных. Связи между нейронами в разных отделах мозга выполняют важную функцию. Они координируют активность, и только благодаря этим связям животное воспринимает окружающую среду и осознает собственные действия. Соответственно, карта этих связей будет для нас чем-то вроде атласа, в котором можно наметить путь к разуму. Точно так же, как отличаются дорожные атласы Соединенных Штатов и Канады, будут отличаться эти карты у собаки и обезьяны. И чтобы понять, каково это — быть собакой, нам нужно взглянуть на ее «атлас автодорог».

Соединения в мозге настолько тесно связаны с психическими состояниями, что расстройства, вызванные их сбоями, в медицине описываются как «синдром разъединения». Когда связь между отделами мозга нарушается, они начинают функционировать обособленно, что приводит к возникновению ряда неврологических заболеваний. Так, например, левое и правое полушарие вполне тянут на два отдельных мозга. Эксперименты по разделению полушарий в 1950-х годах показали, что каждое из них способно обрабатывать информацию и управлять противоположной стороной тела. Однако без сплетения нервных волокон под названием «мозолистое тело», соединяющего полушария, человек уже не может объяснить, почему одна его рука делает одно, а другая — другое. При разъединении снижается осознанность. И если разделение полушарий — это результат хирургического вмешательства, то другие расстройства часто возникают из-за инсульта или травмы. Так, например, поражение пучка волокон, связывающего область восприятия речи с областью, отвечающей за порождение речи, ведет к синдрому разъединения, называемому проводниковой афазией. Больные, страдающие этим расстройством, говорят свободно, однако в силу отключения области, отвечающей за обработку услышанного, не отслеживают сказанное, поэтому речь их представляет бессвязный поток сознания.

Черепно-мозговая травма, например в результате резкого торможения при автомобильной аварии, приводит к обширному повреждению белого вещества. Если повреждение достаточно сильное, может нарушиться связь между корой и стволом. А поскольку в стволе находятся скопления клеток, ответственных за бодрствование, разрыв этой связи заканчивается для человека комой. Через какое-то время пострадавший может от таких повреждений оправиться, однако процесс восстановления идет неравномерно. Какие-то связи уже функционируют, а другие по-прежнему разорваны. И когда такое происходит, даже крошечная сенсорная стимуляция способна вызвать шквал активности в коре. Эта активность, в свою очередь, может проявляться буйством, воплями, бесцельной беготней. Больной зачастую не отдает себе отчета в своих действиях. В прошлом такое поведение купировали сильными успокоительными, теперь же, благодаря открытиям коннектомики, врачи научились минимизировать сенсорное раздражение для больных, выходящих из комы, а не глушить их транквилизаторами, и восстановление при таком подходе продвигается быстрее.

Травмы мозга и их лечение немало могут поведать нам о том, каково быть животным, поскольку при таких травмах выявляются связи между согласованной электрической активностью мозга и сознанием. Собственно, сознание и есть не что иное, как согласованная электрическая активность. Из этого также следует, что сознание — это континуум осознанности, варьирующейся в зависимости от физического состояния организма и внешних стимулов. Даже в здоровом человеческом мозге сознание может колебаться от минимального восприятия внешнего мира, как во сне например, до высочайшей сосредоточенности во время целенаправленной деятельности, как, скажем, во время операции на мозге. Разница кроется в степени согласованности электрической активности. Когда части мозга разъединяются, пропадает способность согласовывать деятельность, и это ведет к расстройству сознания.

И хотя такие колебания характерны для всех животных, модель связей в мозге животного может послужить нам дорожной картой, которая укажет путь к возможному уровню сознания. Где-то между нервной сетью медузы и человеческой корой головного мозга располагается карта нейронных соединений, достаточно сложная и разветвленная, чтобы обеспечить возникновение ключевых составляющих сознания — восприятия, эмоций, движения, памяти и коммуникации. А за ними лежат те области сознания, которые позволяют преодолеть границы субъективного восприятия, например признать, что у других животных тоже есть психический опыт.

Пожалуй, главным условием наличия высших уровней сознания является память. Лишь сохраняя воспоминания о событиях прошлого, можно осознавать себя во времени. Память позволяет, просыпаясь поутру, ощущать себя тем же, кем ты был вчера. В мозге нет единого центра памяти, ее функции рассредоточены в разных областях коры и в других структурах мозга, и только благодаря координации их активности воспоминаниями можно пользоваться. Когда этот процесс нарушается, как, например, при болезни Альцгеймера, нарушается и самоощущение. При деградации мозга гибнут нейроны и нейронные связи, а с ними и воспоминания. Личный опыт в буквальном смысле слова идет прахом.

И хотя у животных, насколько нам известно, болезнь Альцгеймера не встречается, при определенных обстоятельствах их система памяти может пострадать под воздействием экзогенных (полученных из окружающей среды) токсинов. Известен случай, когда воздействию того же токсина подверглись и люди, — параллели между возникшими нарушениями у человека и животных изумляли. Расстройства памяти, как и расстройства сознания, многое могут поведать о том, каково это — быть человеком или, применительно к животному, каково быть этим животным.