Разум, построенный на математике

Книга: Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Исследования конкретных участков мозга и их деятельности дали очень много, но в последние годы нейроученые все чаще отказываются от описания мозга как совокупности участков, строго разделенных по функциям. Все чаще мозг понимают как нейронную сеть, которая связывает различные участки, давая в результате больше, чем просто сумму их частей. Зародился новый тип нейронауки – математика разума, способная раскрыть природу человеческого опыта.

Маленький мир, большие связи

Если выпрямить все нервные волокна мозга, они четыре раза обернутся вокруг земного шара. Внутри черепа они похожи на беспорядочный клубок проводов, но математики хорошо знают такую структуру – это один из видов сетей «тесного мира».

Характерная особенность сетей «тесного мира» – относительно короткий путь между двумя узлами. Яркий пример такой сети – «теория шести рукопожатий» между вами и любым человеком в мире. Между любыми двумя участками мозга среднее число ступеней столь же мало, а незначительные вариации объясняют уровнем интеллекта.

Похоже, структуры «тесного мира» делают коммуникацию между участками сети быстрее и эффективнее. В них относительно немного протяженных связей – всего одно из 25 нервных волокон соединяет отдаленные участки мозга, остальные связаны с близлежащими нейронами. Мартейн ван ден Хёвель из Университетского медицинского центра в Утрехте, Нидерланды, говорит, что длинные нервные волокна дорого выстраивать и содержать, поэтому организация по принципу сетей «тесного мира» может быть лучшим компромиссом между расходом ресурса и эффективностью передачи сигнала.

Однако протяженные соединения распределяются по мозгу неравномерно. Ван ден Хёвель и Олаф Спорнс из Индианского университета в Блумингтоне недавно открыли, что скопления таких соединений формируют прочный «каркас», по которому осуществляется коммуникация между дюжиной основных участков мозга (см. рис. 1.5). Каркас и эти участки мозга вместе называют «элитарным клубом», подчеркивая обилие связей.

Как говорит ван ден Хёвель, никто не знает, зачем мозгу «элитарный клуб», но, очевидно, он очень важен, раз проводит такой большой трафик. Поэтому нарушения в его работе грозят серьезными последствиями. «Развивается теория, что причиной шизофрении может быть проблема с интеграцией информации внутри узлов "клуба"», – говорит он. Улучшение трафика «элитарного клуба» может оказаться лучшим лечением, хотя сложно сказать, как этого добиться.

Схема соединений мозга позволяет быстро передавать информацию через несколько особенно хорошо связанных узлов (т. н. «элитарный клуб»), распределяя значительную часть трафика между участками

Возможно, эти участки очень важны для объединения всех мыслей и чувств в наш сознательный опыт

Рис. 1.5. 12 узлов «элитарного клуба» мозга

Сегодня совершенно понятно, что эта плотно переплетенная сеть – идеальная платформа для нашей умственной гимнастики, и она формирует фон для многих других математических принципов, стоящих за нашими мыслями и поведением.

Грань хаоса

Высокая степень соединений в мозге полезна, но есть и потенциально слабые стороны. Так как каждый нейрон связан с сетью «тесного мира», электрические сигналы могут быстро и широко распространяться, запуская каскад реакций других клеток. Теоретически такие реакции способны породить хаотичную лавину, вызвать приступ и временно вывести мозг из строя.

К счастью, вероятность этого невелика – за всю жизнь подобный приступ переживает лишь около 1 % населения. Мозг поддерживает здоровое равновесие – притормаживает сигналы нейронов, чтобы не допустить хаотичного переполнения, но при этом не останавливает весь поток.

Понимание того, как мозг достигает золотой середины, пришло в 1970-е годы, когда Джек Коуэн из Чикагского университета предположил, что равновесие представляет собой состояние, хорошо известное физикам-теоретикам как критическая точка или «грань хаоса». Он считает, что каскады разряжающихся нейронов, или «нейронные лавины» – это моменты, когда клетки мозга временно проходят критическую точку и затем возвращаются в состояние покоя.

Лавины, лесные пожары и землетрясения также подчиняются правилам систем, оказавшихся в критической точке, и все они имеют некоторые общие математические характеристики. Главная из них – степенной закон распределения, согласно которому серьезные землетрясения или лесные пожары происходят реже, чем мелкие, в соответствии со строгим математическим соотношением; например, вероятность землетрясения, которое в 10 раз сильнее, обратная – одна десятая.

В 2003 году Джон Беггз и Дитмар Пленз из Национального института психического здоровья, США, проверили, работает ли этот закон для мозга. И действительно, они обнаружили, что в мозге крыс разряжающийся нейрон передает сигнал в среднем только одному соседу, как в системе на грани хаоса. Происходят и крупные нейронные лавины, но чем крупнее их масштаб, тем реже вероятность, – в соответствии со степенным законом распределения.

Сравнение изображений фМРТ с учетом такой теории позволяет предположить, что подобный тип активности на грани хаоса существует и в гораздо более крупном масштабе – по всему мозгу человека. Более того, судя по компьютерным моделям, это может быть следствием структуры «тесного мира».

Балансирование на грани хаоса возможно и рискованно, но считается, что критическое состояние дает мозгу максимальную гибкость – ускоряет передачу сигнала и позволяет быстро корректировать деятельность при изменении ситуации. Исследователи начинают задумываться, не являются ли некоторые расстройства, например эпилепсия, результатом нарушения этого тонкого равновесия. «Возможно, именно это нужно для здоровья мозга, как есть здоровый ритм сердца и здоровое кровяное давление», – сказал Беггз.

Идеи: борьба за выживание

Когда ваш разум перескакивает с одной мысли на другую, кажется, что за ваше внимание постоянно борются десятки чувств и идей. И это на удивление близко к истине: сражение нейронных сетей действительно похоже на борьбу за выживание между хищными видами и их добычей. Возможно, ваш отвлекающийся разум – побочный продукт этого процесса.

Михаил Рабинович и Жиль Лоран, работая в Институте исследований головного мозга им. Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, Германия, первыми заметили, что нейронная активность колеблется наподобие волны. Они изучали нейроны органа насекомых, который по функциям соответствует обонятельной луковице, обрабатывающей запах. Ученые предполагали увидеть так называемое привыкание – спад активности после обнаружения нейроном запаха. Но время шло, а показатели колебались вверх и вниз.

Приглядевшись повнимательнее, Рабинович заметил, что график активности подозрительно похож на схему взаимодействия хищников и добычи, описанную математиками Альфредом Лоткой и Вито Вольтеррой в начале ХХ в. Согласно этой схеме, когда хищники практически исчерпывают запас добычи, они голодают и частично вымирают, что позволяет добыче восстановиться. Как только добычи вновь становится достаточно, цикл начинается сначала.

Рабинович говорит, что нечто похожее происходит и в мозге. Однако здесь борьба идет не между соперниками, а между когнитивными сочетаниями, формирующими мысль. Каждое из них получает лишь ускользающее превосходство, и это может объяснить знакомый опыт блуждания мыслей.

Разобравшись, как эти состязания разворачиваются в здоровом мозге, при обсессивно-компульсивном расстройстве и при синдроме дефицита внимания и гиперактивности, мы можем научиться направлять потенциально разбалансированное состязание мыслей к здоровому состоянию.

Вычислить будущее

Еще одна из серьезнейших математических задач мозга – это прогнозирование в условиях шумного потока электрической активности. Какие слова с бóльшей вероятностью всплывут в разговоре? Или достаточно ли места между машинами, чтобы перебежать дорогу?

Одно из объяснений, как это происходит, находится в области математики и называется байесовский вывод, по имени математика XVIII века Томаса Байеса. Теория предлагает способ вычисления вероятности будущего события, основываясь на имеющемся опыте и поступающих новых данных. Нейробиологи десятилетиями рассуждали, как мозг использует этот принцип для построения прогнозов, но Карл Фристон из Университетского колледжа Лондона пошел другим путем.

Фристон исследовал механизм, с помощью которого мозг снижает вероятность ошибок, возможных при байесовских выводах, – другими словами, как мозг избегает сюрпризов. Ученый понял, что для математического описания этих процессов можно использовать математику термодинамических систем, таких как паровой двигатель, и предложил теорию, которую назвал «принципом свободной энергии». Так как прогноз занимает центральное место в работе мозга, Фристон считает, что принцип содержит общий закон для большей части (или для всей) нейронной активности – в плане описательности и простоты это нейрофизиологический эквивалент закона E = mc².

С помощью принципа свободной энергии Фристон описал, как нейроны посылают сигналы назад и вперед в зрительной коре в ответ на поступающие картинки. Он считает, что теория объясняет и некоторые наши физические действия. Ученый симулировал движения глаз при выборе нами знакомых и незнакомых образов и предположил, что таким образом мозг выстраивает картинку с каждым движением, минимизируя ошибки первоначального восприятия. В другой работе Фристон рассмотрел тонкую координацию руки, когда мы тянемся к предмету, и с помощью принципа свободной энергии описал, как мы регулируем движения мышц, объединяя внутренние сигналы от движения сустава с визуальной информацией.

Другие ученые с помощью этой теории объясняют некоторые удивительные проявления мозга. Дирк Де Риддер из Медицинской школы Университета Отаго в Данидине, Новая Зеландия, с помощью этого принципа описал фантомные боли и звуки, которые возникают во время сенсорной депривации. Ученый предполагает, что это следствие нейронных процессов, когда мозг лихорадочно пытается предсказать будущие события в ситуации почти полного отсутствия информации для прогноза.

Интервью.

Неужели я – «всего лишь мозг»?

Все эти разговоры о нейронах, соединениях и математических законах несколько огорчают. Неужели наши надежды, любовь и само существование в действительности просто следствие прохождения электрического тока по массе серых тканей? «Да», – отвечает нейрофилософ Патриция Чёрчленд из Калифорнийского университета в Сан-Диего, но такая реальность должна вдохновлять нас, а не пугать.

– Вы считаете открытия в нейронауке равноценными таким открытиям, как вращение Земли вокруг Солнца, или что сердце – это насос. Что общего в этих идеях?

– Они подрывают устоявшуюся структуру предположений об устройстве мира. Для христиан было очень важно, что Земля – центр Вселенной. Точно так же многие верили, что именно сердце каким-то образом делает нас людьми, но оказалось, что оно – насос из мяса.

Я думаю, то же самое касается понимания, что наше бодрствование, сон, злость, страх – это просто функции физического мозга. Принять нашу нейронную суть очень непросто. Это назвали «нейроэкзистенциализмом», и это довольно точное определение. Мы не привыкли думать о себе подобным образом.

– Почему нам так сложно увидеть, чем мы являемся на самом деле?

– Отчасти это связано с эволюцией нервных систем. Нужно ли мозгу знать о себе? Мы можем прекрасно обойтись без этой информации, как обходимся без знаний о том, как печень отфильтровывает токсины. Но прекрасно, конечно, что наука позволяет нам знать.

– Огорчают ли Вас какие-либо результаты исследований нейронауки?

– Я бы сказала, что нет. К этому надо привыкнуть, но меня они не шокируют. Конечно же, я понимаю двойственное отношение людей. С одной стороны, их завораживает, что болезнь Альцгеймера у их матери объяснима, но, с другой стороны, они думают: «Как же так, моя любовь к моему ребенку – это всего лишь химия нейронов?» Да, так и есть. Но меня это не беспокоит.

– Похоже, Вы считаете естественным, что наука о мозге вызывает протест. Что привело Вас к этому заключению?

– Многие годы я преподавала философию нейронауки, и мои студенты часто спрашивали, не шокирует ли меня то, что мы – всего лишь мозг. Не беспокоит ли это меня? Мы обсуждали, почему это беспокоит их. Я знаю, некоторые люди испытывают опасения и противоречивые чувства.

– Вы согласны, что многим высшим функциям, в том числе сознанию, сну и сновидениям, пока нет удовлетворительных объяснений. Мы правда готовы утверждать, что мы – это наш мозг?

– Верно, у нас пока нет адекватных объяснений для явлений, и важно не переоценивать ситуацию. Но все новые данные, которые мы получаем, указывают именно на это.

– Вы говорите, что нейронаука оспаривает веру в такие вещи, как существование души и жизнь после смерти. Но такая вера все еще широко распространена?

– Думаю, в разных культурах по-разному. Возможно, в Британии меньше необходимость оспаривать такие идеи, но здесь, в Америке, это важно. У многих людей, не обязательно с сильными религиозными взглядами, есть чувство, что после смерти есть что-то еще.

– Даже тех людей, которые в целом приняли нейронауку, беспокоят некоторые идеи – например, свобода воли. Она у нас есть?

– Лучше задать вопрос, есть ли у нас самоконтроль – и эволюционное объяснение ему несложно разглядеть. Нам необходима способность держать цель, несмотря на отвлекающие моменты. Нам необходимо подавлять некоторые импульсы. Мы действительно кое-что знаем о нейробиологии самоконтроля, и нет сомнений, что мозг демонстрирует самоконтроль.

С моей точки зрения, лучше и быть не может. Когда нам необходимо принять решение о чем-то – например, купить новую машину – механизмы самоконтроля работают понятными для нас способами: мы решаем не тратить больше, чем можем себе позволить, выбираем более или менее практичную машину. Именно это и есть свобода воли. Но свобода воли – это вовсе не формирование решения без каких бы то ни было предпосылок.

– Может ли нейронаука предложить практически применимое мировоззрение?

– Нейронаука не дает сценария, как прожить жизнь. Но я думаю, что некоторое понимание природы мозга способствует здравомыслию.

– Кто-то может сказать, что теория «мы – это всего лишь мозг» делает жизнь унылой, безжалостной и, в конечном итоге, бесплодной. Что Вы ответите на это?

– Она совсем не унылая. Я не понимаю, как существование бога или души придает смысла моей жизни. Как именно это работает? Никто так и не дал адекватного ответа. Моя жизнь имеет смысл, потому что у меня есть семья, значимая работа, потому что я люблю играть, у меня есть собаки. Это наполняет мою жизнь смыслом, и я думаю, для большинства людей это тоже так.

И что произойдет в конце? Я умру – вот и все. Возможно, я сумасшедшая, но мне нравится эта идея.

Чем отличается мозг человека от мозга других приматов?

Мозг человека крупнее и лучше развит, чем у других приматов. Особенно это касается полушарий головного мозга. Фронтальные и префронтальные области полушарий связаны со сложными видами мышления и социального взаимодействия: планированием, принятием решений, сочувствием, ложью, моральными суждениями и др. Но с поправкой на размеры тела различия довольно малы.

Судя по всему, различия между мозгом человека и шимпанзе или гориллы касаются в первую очередь связей между нейронами. У людей есть несколько уникальных генов, которые управляют миграцией нервных клеток во время развития мозга, и разные варианты проявления генов. Поэтому мозг не сильно отличается по строению, но работает по-другому.

У других млекопитающих мозг меньше, с менее развитыми лобными долями. У животных, более далеких от людей по эволюционному древу, вообще нет коры мозга – например, у рептилий весь мозг напоминает наш мозговой ствол. У простых животных мозг – это просто вздутие вверху нервной цепочки или вокруг области рта.

Не стоит судить о разуме, исходя только из размера мозга: соотношения сильно меняются в зависимости от метода измерения

Рис. 1.6. Размер – это еще не все

Назад: Две половинки и множество частей

Дальше: Как развивался ваш мозг