Глава 3

От замирания к страху

Оборонительное поведение и элементарные свойства эмоций

Страх — одна из древнейших эмоций человека. Это центральное мотивационное состояние, цель которого — не допустить, чтобы нас убили или покалечили. А поскольку большинство других животных тоже сталкивается с опасностью быть съеденными хищником, логично, что и в их мозгах должны были развиться системы контроля поведения, которые защищают их от превращения в чью-то еду. Даже случайный наблюдатель легко распознает так называемое оборонительное поведение, будь то замирание или бегство у наземных млекопитающих, быстрый отскок мухи от надвигающейся мухобойки или выброс чернил у осьминога. Но всегда ли такое поведение отражает внутреннее состояние страха? Или же это всего лишь рефлексы, подобные запрограммированным реакциям тележек Брайтенберга, описанным в главе 2? И можем ли мы отличить одно от другого, заглянув в мозг?

Для того чтобы рассуждать об этом вопросе, вначале надо понять некоторые фундаментальные аспекты обработки информации мозгом. Сенсорная часть мозга создает внутреннюю репрезентацию внешнего мира: например, она превращает зрительный объект, такой как лицо, в распределенную нейронную активность. Распределение этой активности в пространстве выглядит не как проекция объекта на экран: это абстрактный код, записанный на языке нервных импульсов (коротких всплесков электрической активности, которые возникают в отдельных нейронах), — во многом это похоже на перевод предложения на английском языке в запись азбукой Морзе. Затем закодированный сигнал «прочитывают» или интерпретируют другие части мозга, чтобы определить точное значение объекта, например: «Что это?», «Это хорошее или плохое?» или «Что мне следует с этим сделать?». На сетчатке глаза изображение объекта представлено в виде активности фоторецепторов, и на этом начальном этапе оно напоминает проекцию на матрицу цифрового фотоаппарата. Но по мере продвижения информации от глаза к мозгу репрезентация образа становится все более абстрактной, как если бы женский портрет XVIII века был перерисован в стиле позднего Пикассо. Задача нейробиолога — понять, как «читать» эти абстракции, и узнать, что в них закодировано: нейронная репрезентация объекта, эмоциональная реакция на объект или план действий, реализующих поведенческую реакцию организма.

Определить, за что отвечает или что кодирует тот или иной паттерн нейронной активности где-то глубоко в мозге, бывает непросто. Например, если я покажу вам изображение испуганного лица, когда вы лежите в томографе, и в вашем мозге активируется некоторая область, значит ли это, что данная область отвечает за эмоцию страха, вызванную этим изображением? Не факт. Эта активность может отражать нейронную репрезентацию всей картинки или отдельных ее характеристик и частей, таких как овальная форма, лицо, раскрытые глаза, поднятые брови, открытый рот и т.д. Можно привести еще более простой пример: допустим, вид крови вызывает у вас тошноту. Если я загляну в ваш мозг, когда вы видите кровь, как я смогу понять, наблюдаемая активность связана с вашим ощущением тошноты или это просто нейронная репрезентация крови или одной из ее черт — текучести или красноты? Отличить, связана ли определенная нейронная активность с восприятием физических характеристик стимула или с эмоцией, им вызванной, бывает очень сложно.

Один из способов различить эти два типа репрезентаций в мозге — подобрать стимул, который изначально был бы эмоционально нейтральным (то есть не вызывал бы автоматически никакого эмоционального ответа), например звуковой тон. Затем каким-то образом напугать вас, когда вы слышите этот звук, и сравнить реакцию вашего мозга на стимул изначально и после того, как он стал пугающим. Новые активные области, появившиеся в мозге, не могут просто отражать физические характеристики стимула (такие как частота, амплитуда и длительность звукового сигнала), поскольку сам стимул абсолютно одинаков в первом и во втором случае. Можно сделать обоснованный вывод, что регионы мозга, которые начали активироваться в ответ на предъявление звука после того, как он стал страшным, связаны со страхом, а не с самим звуком.

Как вы могли бы это сделать? Как можно, взяв изначально безобидный стимул, превратить его в нечто, внушающее ужас? Ответ кроется в способности мозга учиться и запоминать. Например, моя жена, когда была маленькой девочкой, любила всех собак. Однажды, когда она ехала на велосипеде, на нее напала большая черная злобная собака. С тех пор моя жена напрягалась и пугалась всякий раз, когда видела большую черную собаку. Такой тип обучения называется ассоциативным: человек выучивает связь (ассоциацию) между конкретным стимулом и неприятным событием. К счастью, эта реакция не распространилась на других собак, мою жену пугают только большие и черные особи.

В настоящее время сложно привести в лабораторию большую черную собаку и показать ее человеку, лежащему внутри узкой трубки томографа — устройства, издающего ревущие и скрежещущие звуки. Кроме того, намеренно формировать у человека страх ради экспериментальных целей неэтично. И наконец, на удивление сложно заставить испытуемого чувствовать подлинный страх в лабораторном эксперименте, даже показывая фильмы ужасов. Люди знают, что это всего лишь эксперимент, и это знание блокирует их эмоциональную реакцию.

К счастью, в конце XIX века физиолог Иван Павлов показал, что возможно провести эксперимент по ассоциативному обучению у животных. В его знаменитом опыте было продемонстрировано, что у собаки можно вызвать слюноотделение в ответ на звонок, если собака голодна, и вслед за звонком всегда следует подача корма. Поэтому такой тип ассоциативного обучения получил название «павловское обусловливание». Если бы вы позвонили в звонок до обучения, слюноотделения не было бы. А после обучения звонок запускал слюноотделение. Стимул оба раза был одинаковым, а реакции — очень разными.

Оказывается, с помощью этого метода можно легко вызвать поведение, напоминающее страх, у лабораторных крыс и мышей. Если предъявить грызуну безобидный звук и сразу после этого ударить животное слабым током, подведенным к полу клетки, то на следующий день оно будет замирать в ответ на звук (см. рис. 3.1Б). Такой вариант ассоциативного обучения обычно называют условно-рефлекторной реакцией страха. В этом примере изначально нейтральный (не пугающий) звук — условный стимул (УС), удар током — безусловный стимул (БС), а само замирание в ответ на звук — условная реакция (УР).

На протяжении десятилетий психолог и нейробиолог из Нью-Йоркского университета Джозеф Леду и другие ученые вели исследования, в результате которых были выявлены внутримозговые нейронные цепочки, обеспечивающие условно-рефлекторную реакцию страха. В большинстве таких работ показано участие миндалевидного тела — структуры в медиальной части височной доли обоих полушарий мозга.

Миндалевидное тело получает входящие сигналы от УС (звука) и БС (удара током), а также оно контролирует реакцию замирания. В процессе обучения условно-рефлекторной реакции страха исходящие из разных регионов мозга импульсы, несущие информацию о звуке и о токе, встречаются в миндалевидном теле. Соответственно, нейроны миндалевидного тела становятся более чувствительны к этому звуку, чем были до обучения. В результате после обучения звук способен возбудить миндалевидное тело сильнее, чем раньше. Благодаря такой более сильной активации после обучения звук может запускать реакцию замирания, чего не было до обучения.

После обучения звук вызывает не только замирание, но и ряд других измеряемых физиологических изменений, которые обычно сопровождают ощущение страха у человека, в том числе увеличение частоты сердцебиения, повышение кровяного давления и содержания в крови гормонов стресса, таких как кортизол. Благодаря совокупности этих поведенческих и физиологических реакций многие исследователи убеждены, что у животных, подвергшихся такому обучению, присутствует состояние страха. Если в эксперименте разрушить миндалевидное тело, то крыса не сможет установить связь между звуком и током. Получается, что миндалевидное тело крайне важно для выученной реакции страха в ответ на звук. На самом деле, роль миндалевидного тела в формировании выученной реакции страха получила столь широкую известность, в том числе благодаря популярным книгам Леду, что многие люди теперь считают так: страх в мозге локализован в миндалевидном теле. Поиск в Google по паре терминов «миндалевидное тело» и «страх» дал 5,7 миллиона результатов по состоянию на июнь 2021 года. Очевидно, что в общественном сознании возникла прочная выученная связь между миндалевидным телом и страхом.

Однако, как упоминалось в главе 2, в 2012 году Леду в значительной мере пересмотрел свои взгляды: теперь он утверждал, что миндалевидное тело не отвечает за эмоцию страха. При аргументации ученый опирался на определение эмоций как осознанных, субъективных чувств. А поскольку субъективные чувства можно выявить только в ходе устного отчета и только люди способны дать такой отчет, следовательно, мы не можем знать, есть ли эмоции (в таком узком смысле) у животных.

Отсюда следует, что если страх — особый тип эмоций, то это слово описывает субъективные переживания и поэтому мы не должны использовать понятие «страх» применительно к оборонительному состоянию животных. Правильнее говорить только об угрозах (стимулах) и оборонительном поведении (реакции, позволяющей животному защитить себя от угрозы). В соответствии с новыми взглядами Леду, нам следует говорить не об условно-рефлекторном страхе, а только об оборонительных условных реакциях. Леду считает, что если мы действительно хотим изучать страх, то должны выяснить, работа каких нейронов (предположительно, в коре больших полушарий) лежит в основе сознания. И с этой точки зрения благодаря активности миндалевидного тела контролируется оборонительное поведение, но на формирование субъективного переживания страха это никак не влияет. Учитывая статус и влиятельность Леду, это был очень резкий разворот, который оставил многих его коллег (в том числе и меня) с ощущением, что мы внезапно лишились интеллектуальной опоры.

Мнение, что миндалевидное тело не имеет никакого отношения к страху и, более того, такие эмоции, как гнев и страх, вообще не закодированы и не представлены в какой-то отдельной области мозга, отстаивала и психолог Лиза Фельдман Барретт. Выполнив обзор работ по томографическим методам анализа мозга человека, она заключила, что нет убедительных доказательств наличия специфической активности миндалевидного тела при переживании чувства страха у человека, а данные разных лабораторий плохо согласуются между собой. Взамен она предложила теорию, согласно которой нет таких базовых биологических сущностей, как страх или гнев, которые контролировались бы определенной областью мозга. Фельдман Барретт утверждала, что эти эмоции возникают будто «на лету», мозг создает их по-разному у разных людей и даже по-разному у одного и того же человека в зависимости от обстоятельств. Эта теория также рассматривает эмоции как субъективные чувства и, следовательно, присущие только людям.

Существует несколько причин, почему я вместе со многими коллегами считаю неразумной концепцию, что эмоции и страх следует рассматривать и изучать как чисто субъективное явление. Прежде всего, есть риск создать у людей впечатление (пусть даже непреднамеренно), что нейробиологи считают животных безэмоциональными роботами. Во-вторых, такой подход означает, что использование методов каузальной нейронауки на животных, особенно применительно к таким подкорковым структурам, как миндалевидное тело и гипоталамус, не сможет нам сказать ничего о том, как мозг порождает эмоции. При этом мой коллега по Технологическому институту Ральф Адольфс исследовал пациентку S. M., у которой было двустороннее повреждение миндалевидного тела. Она не сообщала о субъективном переживании страха в ответ на те стимулы, которые вызывали страх у контрольных испытуемых. Кроме страха, другие эмоции оставались у нее неизмененными. Другими словами, наличие миндалевидного тела по меньшей мере необходимо для субъективного переживания страха, хотя только его активности может быть недостаточно для возникновения чувства страха. И наконец, при использовании этой концепции изучение эмоций оказывается частью более широкой проблемы сознания и субъективных чувств. Кристоф Кох из Алленовского института и покойный Френсис Крик еще жестче столкнулись с этой проблемой при изучении зрительной системы. А если вы планируете изучать сознание, то было бы неразумно пытаться делать это в очень сложном контексте эмоциональных переживаний.

Однако самое значимое последствие кульбита Леду заключается в том, что изучение эмоций выводится из поля каузальной нейронауки как раз тогда, когда происходит стремительное развитие новых мощных технологий (например, оптогенетики), позволяющих находить причинно-следственные связи в деятельности мозга. Как я уже объяснял во введении, эти новые каузальные методы неприменимы в исследованиях на человеке, поскольку они инвазивны, технически сложны и могут нарушать медицинскую этику. То есть практически их можно использовать только на животных. Но если, как утверждает Леду, эмоции можно изучать лишь у людей, следовательно, методы каузальной нейронауки неприменимы к изучению эмоций.

Я не вижу причин, почему нейробиологам нельзя исследовать эмоции, как другие функции мозга, которые успешно изучают на животных, например зрение, обоняние, принятие решений, обучение и память, мотивацию, подкрепление и двигательный контроль, при условии что мы не занимаемся субъективными чувствами. Как уже упоминалось в главе 2, нейронные основы мотивационных состояний, таких как голод и жажда, которые у людей сопровождаются субъективными чувствами, успешно изучаются у мышей и мух методами каузальной нейробиологии без попыток объяснить, как возникают подобные чувства. Тут уместно вспомнить Дарвина, который интуитивно догадывался, что эмоции — эволюционно древние способности и развились они вследствие естественного отбора. А чутье Дарвина редко подводило. С такой эволюционной точки зрения эмоции — не уникальная человеческая черта, а часть широкого спектра внутренних состояний, представленных у разных видов животных (рис. 2.7) с разной степенью сложности, точно так же как и другие функции мозга.

Это возвращает нас к проблеме, как определить и измерить страх (или, если хотите, «внутреннее оборонительное состояние») у животных. Некоторые исследователи, как покойный Яак Панксепп, утверждали, что если что-то, например внезапный громкий звук наподобие взрыва, способно сделать так, что животное будет бояться чего-то другого, произошедшего в то же самое время (звонка, запаха апельсина), — значит, громкий звук вызвал внутреннее состояние страха. Таким образом, суть состояния страха — в его способности распространять испуг на ранее нейтральные объекты с помощью павловского ассоциативного обучения.

И хотя на первый взгляд это может показаться разумным — определить страх (да и эмоции в целом) как нечто, способное «помечать» ранее нейтральные стимулы эмоциональной реакцией с помощью обучения, — такая точка зрения проблематична и неоправданно ограниченна по ряду причин. Во-первых, как бы парадоксально это ни звучало, но выученный страх можно объяснить (теоретически) без привлечения субъективного переживания страха к процессу обучения. В этом случае процесс обучения просто объединяет через ассоциативную связь один стимул (УС) с другим (БС). То есть звонок или запах апельсина оказывается связанным с самим громким звуком, а не с эмоциональным эффектом от него. Даже если вы не боитесь громких звуков — например, если в детстве любили играть с петардами, — ваш мозг выучит, что всякий раз, когда вы чувствуете запах апельсина, вы будете ожидать услышать «бум». Но вы не «выучите» страх перед запахом апельсина, поскольку вы изначально не боялись взрыва. То, что вы почувствуете после запаха апельсина, будет зависеть от того, что вы обычно чувствуете, услышав взрыв. С этой точки зрения состояние страха не является необходимым для «обучения страху».

Вторая проблема заключается в том, что если исследовать страх только в контексте обучения (в модели условно-рефлекторной реакции страха), то очень сложно интерпретировать результаты эксперимента, где выученный страх нарушается торможением или удалением определенных регионов мозга (например, миндалевидного тела). Если после удаления миндалевидного тела мышь не может выучиться ассоциировать звук с ударом током, это происходит потому, что я сделал мышь бесстрашной или глупой, не способной эффективно учиться или вспоминать? Это различие важно, оно влияет на то, чем мы считаем миндалевидное тело: мозговым «движком» страха или, как полагают некоторые исследователи, обучающейся машиной? И действительно, как показали исследования нейробиолога из Института Солка Кэй Тай и нобелевских лауреатов Сусуму Тонегавы из Массачусетского технологического института и Ричарда Аксела из Колумбийского университета, есть свидетельства, что миндалевидное тело важно для запоминания как плохого, так и хорошего. Похоже, экспериментальное изучение миндалевидного тела у грызунов рассказало нам про обучение столько же, сколько про страх, если не больше.

Итак, если мы хотим исследовать, как мозг кодирует страх, и не использовать для этого обучение, то как нам быть? Один из подходов связан с изучением врожденных реакций животного на пугающие стимулы, которые обычно встречаются в естественной среде. Например, мыши, с рождения выращенные в лаборатории, будут замирать или убегать при первом же появлении над ними расширяющегося темного пятна, которое имитирует приближающегося по воздуху хищника (например, пикирующую на них сипуху). Легко понять, почему в эволюции возникла такая врожденная реакция: если бы животному пришлось учиться убегать от хищника, у него могло бы не быть второй попытки. Врожденные реакции полезны, поскольку позволяют исследовать, как мозг контролирует то или иное поведение, не прибегая к какому-либо обучению мыши. И действительно, в некоторых лабораториях, в том числе в Калифорнийском технологическом институте под руководством нейробиолога Маркуса Майстера, изучали, как зрительная система мыши выявляет надвигающуюся угрозу и обеспечивает реакцию бегства или замирания. Но отражают ли эти реакции страх, или это просто автоматические оборонительные рефлексы?

Чтобы ответить на этот вопрос, можно искать у такого врожденного оборонительного поведения элементарные свойства эмоций. Преимущество этого подхода в том, что рассматривается не что животное делает, а как. Одинакова ли реакция всякий раз, когда животное сталкивается с данным стимулом, или нет? Прекращается ли реакция сразу после того, как перестает действовать стимул? Сохраняется ли реакция животного на другие сигналы (например, пищевые или половые) неизменной после того, как оно подверглось воздействию данного стимула? Если да, то более вероятно, что перед нами автоматический рефлекс. Но если реакция варьирует в зависимости от силы и частоты стимулов, остается после стимула и может менять последующий ответ животного на другие стимулы, то, скорее всего, это поведение отражает внутреннее эмоциональное состояние.

Еще одно преимущество этого подхода: его применение не зависит от того, проявляется ли у животного та же специфическая оборонительная реакция, что и у испуганного человека. Иначе зависимость от антропоцентрической гомологии могла бы ограничить нас изучением только тех организмов, чьи оборонительные реакции такие же, как и у людей. Например, если мы судим о наличии страха по крику, то мы никогда бы не смогли изучать страх на тех животных, которые не кричат.

Аналогично, если бы мы изучали организм, который в ответ на угрозу бьет хвостом или хлопает крыльями, мы не смогли бы соотнести это поведение со страхом у человека, поскольку у нас нет ни хвоста, чтобы им бить, ни крыльев, чтобы ими хлопать. Применение концепции элементарных свойств позволяет нам выявить поведение, отражающее внутреннее эмоциональное состояние, по общим (надповеденческим) характеристикам такого поведения, описанным в главе 2, а не по его конкретным особенностям. Это говорит нам о наличии определенного внутреннего состояния, а проявление конкретных реакций (замирание, бегство, атака и т.д.) помогает установить, какая именно перед нами эмоция.

В главе 1 мы использовали элементарные свойства, чтобы определить, какой именно механизм оборонительного поведения у мух: эмоциональный или рефлекторный. Другой подход — это выявить особые нейроны в мозге, стимуляция которых запускает у животного врожденное оборонительное поведение, и определить, будут ли у этого поведения элементарные свойства эмоций. Преимущество здесь заключается в том, что вам не требуется приносить в лабораторию разных хищников, чтобы найти того, который будет стабильно вызывать выраженные оборонительные реакции. Еще важнее то, что, если вы сможете найти такие нейроны, это откроет возможность изучать, как мозг контролирует сами элементарные свойства эмоций. А это еще один шаг к пониманию того, как эмоциональные состояния формируются в мозге.

И хотя миндалевидное тело, как мы обсуждали ранее, сильно вовлечено в обучение реакции страха, есть свидетельства, что для реализации врожденного поведения в нем нет необходимости. Вместо него во врожденное оборонительное поведение вовлечен гипоталамус — эволюционно древняя структура, расположенная в мозге глубже миндалевидного тела. В массовом сознании, однако, гипоталамус обычно ассоциируется с пищевым, питьевым поведением и терморегуляцией, а не с эмоциями. Например, на сочетание «миндалевидное тело» и «эмоции» Google выдает 9 230 000 результатов, а на «гипоталамус» и «эмоции» — всего 1 530 000. Отчасти причина в том, что в исследовании начала 1940-х годов утверждалось, что гипоталамус не является центром эмоций, поскольку его электрическая стимуляция не усиливает рефлекторную реакцию страха. Однако отрицательный результат этого эксперимента тяжело интерпретировать, поскольку он может быть связан не с биологическими факторами, а с техническими. Кроме того, как обсуждалось выше, чтобы обеспечивать обучение, эмоции необязательны. Как мы вскоре увидим, в настоящее время появляется все больше доказательств, что гипоталамус играет важную роль в таких базовых эмоциональных состояниях, как страх и гнев.

Гипоталамус — большая и анатомически сложная структура, и мы подробнее опишем особенности его строения в последующих главах, где речь пойдет об агрессии. Здесь же достаточно сказать, что гипоталамус в мозге подобен континенту на планете Земля. Так же как на каждом континенте есть страны с определенными границами, в гипоталамусе есть области тоже с определенными границами. Рядом с нижней поверхностью мозга располагается одна из таких областей. Она имеет грушевидную форму. Это — вентромедиальный гипоталамус (ВМГ) (рис. 3.2, центр). Узкая часть ВМГ направлена к верхней части мозга, словно это груша на вашем кухонном столе. Поскольку в анатомических координатах мозга направление к верхней поверхности, где находится кора, называется дорсальным, а вниз — вентральным, то узкая часть ВМГ будет его дорсальной частью. А поскольку эта «груша» наклонена медиально (в сторону центральной оси мозга), а не латерально (к краям мозга), то узкая часть ВМГ называется «дорсомедиальный ВМГ», или, для краткости, дмВМГ (рис. 3.2, справа). А дмВМГ — это как провинция или штат в государстве ВМГ. Он получает сигналы от носа и уха, улавливая запах и звук хищника, и отправляет сигналы в ствол мозга, где запускается замирание или бегство. Ладно, закончим на этом урок нейроанатомии.

Недавно моя лаборатория и лаборатория Даю Линь — моей бывшей аспирантки, ставшей сейчас профессором нейронаук в Нью-Йоркском университете, — идентифицировали подпопуляцию нейронов в дмВМГ, которые экспрессируют маркерный ген SF1 (рис. 3.2, справа). Примечательно, что искусственная оптогенетическая стимуляция этих нейронов (дмВМГSF1) приводила к тому, что мышь останавливала любую свою деятельность (в том числе спаривание, драку, питание) и замирала. И наоборот, торможение этих нейронов блокировало проявление нормального оборонительного поведения у мышей в ответ на присутствие хищника (в данном случае — крысы). Удивительно, но мыши, лишенные таких нейронов, ползали по сетчатой корзине, в которой находилась крыса (сетка служила для того, чтобы крыса не съела мышь), и просовывали нос сквозь сетку, чтобы обнюхать крысу, как будто не испытывали страха перед хищником.

Однако подобных экспериментов было недостаточно, чтобы определить, действительно ли эти нейроны SF1 контролируют внутреннее состояние, похожее на страх. Например, если мышь распознает хищника в первую очередь по запаху, то, заткнув ей ноздри, мы увидим такое же бесстрашное поведение по отношению к крысе. Но это не значит, что страх закодирован в мышином носу. То же самое возражение можно применить и к дмВМГSF1: возможно, эти нейроны просто «чуют» крысу. Нет запаха крысы — нет оборонительного поведения. Нужно было провести эксперимент с постепенным увеличением активности этих нейронов и посмотреть, будут ли проявляться какие-то элементарные свойства эмоций из тех, что мы описали ранее.

Короткий ответ: да, проявятся. Когда мы искусственно возбуждали эти нейроны, мыши либо замирали, либо пытались выпрыгнуть из клетки. Более того, этот эффект был масштабируемым: по мере увеличения интенсивности стимуляции вызванное ею поведение менялось от тигмотаксиса (тревожное поведение, когда животное двигается вдоль стенок, не выходя в открытое пространство центра) до замирания и, наконец, панических попыток убежать, когда мыши отчаянно пытались выпрыгнуть из клетки. Эффект был и продолжительным: даже после выключения стимуляции животные продолжали замирать или двигаться вдоль стенок на протяжении многих секунд. А если стимуляция застигала мышей в процессе спаривания, им требовалось время, чтобы неуверенно вернуться к своему партнеру и возобновить свои амурные дела. Кроме того, у стимуляции была явно выраженная отрицательная валентность: если во время стимуляции животное находилось в одной из двух соседних камер, соединенных проходом, то оно сразу переходило в другую камеру. И даже когда мышь повторно помещали в эту установку спустя 10 минут и уже без всякой стимуляции, она все равно избегала той камеры, где ей стимулировали нейроны дмВМГSF1, что свидетельствует о генерализации эффекта через кратковременную память. И наконец, стимуляция вызывала увеличение концентрации гормонов стресса, а также расширение зрачков и учащение сердцебиения, что говорит об общей координации деятельности всего организма.

Таким образом, оптогенетическая активация нейронов дмВМГSF1 запускала оборонительное поведение, у которого проявлялись некоторые элементарные свойства эмоций. Это позволяло предположить, что такая стимуляция создает устойчивое внутреннее состояние оборонительного возбуждения или тревоги (страха), а не запускает автоматические рефлексы. Я не вижу причин, почему не следует называть такое состояние словами «страх» или «тревога», если мы обозначаем ими только внутреннее состояние, не приписывая животным каких-либо «чувств» или субъективного переживания того, что с ними происходит. Итак, мы можем сказать, что активация нейронов дмВМГSF1 — способ запуска врожденного состояния, подобного страху, без необходимости формирования условных рефлексов, то есть из эксперимента с «обучением страху» мы убрали «обучение».

Поскольку оборонительное поведение (замирание и прыжки), вызванное искусственной стимуляцией нейронов дмВМГSF1, демонстрирует такие элементарные свойства эмоций, как продолжительность, валентность, генерализация и масштабируемость, возникает вопрос: как и где в мозге закодированы эти свойства? Это результат работы тех же нейронов, что контролируют наблюдаемое поведение, или они создаются совсем другими клетками? Сначала мы посмотрели, проявятся ли какие-то из этих свойств в импульсной активности самих нейронов дмВМГSF1, возникающей в ответ на присутствие естественного хищника (крысы). Особенно нас интересовало свойство продолжительности — способности эмоционального состояния пережить вызвавший его стимул. Как мы обсуждали в главе 2, если что-то вас напугало, то на протяжении нескольких минут (в зависимости от силы испуга) ваше сердце будет продолжать биться сильнее, ладони — потеть, а тревога — сохраняться, даже если пугающий стимул исчезнет.

В нашем эксперименте мы обнаружили, что если поместить мышей в огороженную, открытую сверху арену и поводить живой крысой над их головами всего 15 секунд, то мыши будут жаться к стенкам и бегать по периметру еще в течение нескольких минут после того, как мы убрали крысу. Как уже упоминалось ранее, в целом такое поведение (тигмотаксис) отражает тревожность: если вы дадите мышам анксиолитическое средство, например препарат на основе алпразолама, то такое поведение не проявится. Важно отметить, что кратковременная оптогенетическая стимуляция нейронов дмВМГSF1 в той же арене вызовет такой же продолжительный тигмотаксис, как если бы мышам показали на короткое время живую крысу.

Теперь возникает вопрос: сами ли дмВМГSF1-нейроны кодируют свойство продолжительности эмоционального состояния? Или они служат лишь датчиком, передающим информацию в другой отдел мозга, который, в свою очередь, обеспечивает продолжительность поведенческой реакции? Чтобы ответить на этот вопрос, мы зарегистрировали активность нейронов дмВМГSF1 до и после предъявления крысы. Мы с удовлетворением наблюдали, что активность этих нейронов возрастала, как только мы в течение 15 секунд проводили крысой над мышиными головами. Но более примечательно то, что после того, как крысу убирали, активность этих нейронов сохранялась, медленно снижаясь по мере того, как мыши бегали по периметру арены. Можно сказать, что эти нейроны выдавали не эквивалент короткого вскрика, а длительный вопль, который медленно затихал только через несколько минут после исчезновения угрозы.

Эти результаты означают, что нейроны дмВМГSF1 работают не просто как «детектор крысы», который либо включен, либо выключен. Они, предположительно, кодируют как присутствие крысы, так и устойчивый след, который сохраняется после исчезновения хищника. Можно считать это короткой «памятью» о крысе или устойчивым внутренним состоянием, которое запускается в ответ на появление крысы (или и тем и другим). Хотя есть много доказательств, что гипоталамус важен для кодирования внутренних физиологических состояний, таких как голод и жажда, почти нет данных о его роли в формировании памяти, за которую отвечают в первую очередь гиппокамп и кора больших полушарий.

Конечно, наше наблюдение показало всего лишь корреляцию между продолжительным тревожным поведением и продолжительной активностью в нейронах дмВМГSF1, а корреляция еще не доказывает наличие причинно-следственной связи. Чтобы проверить, действительно ли нейроны дмВМГSF1 контролируют тревожное поведение животного, мы провели еще один эксперимент. В нем мы предъявили мышам крысу на 15 секунд, подождали, пока мыши начнут передвигаться вдоль стенок арены, убрали крысу и затем с помощью онтогенетики быстро выключили нейроны дмВМГSF1. Удивительно, но, как только мы выключили эти нейроны, мыши сразу перестали жаться к стенкам и вернулись в центр, как будто их страх внезапно пропал. Этот эксперимент показал, что у мышей продолжительная активность в нейронах дмВМГSF1 необходима для проявления продолжительного тревожного поведения.

В совокупности эти эксперименты позволили сделать несколько важных выводов. Во-первых, было показано, что определенная популяция нейронов в глубине гипоталамуса активируется в ответ на появление хищника; во-вторых, эта нейронная активность необходима для оборонительного поведения, вызываемого хищником; в-третьих, специфическая активация именно этих нейронов может имитировать присутствие хищника и заставить животных демонстрировать оборонительное поведение. В-четвертых, у мышей после кратковременного контакта с крысой эти нейроны сохраняют свою продолжительную активность. В-пятых, и это самое важное, такая активность была необходима для длительного оборонительного поведения, вызванного появлением крысы.

Следовательно, не только были выявлены нейроны, контролирующие врожденное оборонительное поведение, вызванное угрозой нападения хищника, но и показано, что в ответ на угрозу эти же самые нейроны способствуют формированию устойчивого внутреннего состояния. Это означает, что такие гипоталамические нейроны обеспечивают нечто большее, чем просто управление оборонительными рефлексами. Такой вывод подтверждается и недавней работой Корнелиуса Гросса — нейробиолога из Европейской молекулярно-биологической лаборатории. Он показал, что по мере уменьшения расстояния между хищником (крысой) и жертвой (мышью) активность нейронов дмВМГSF1 возрастает. Можно предположить, что эти нейроны кодируют не только наличие угрозы, но и ее приближение: чем ближе угроза, тем выше интенсивность состояния страха. И это — прямая демонстрация масштабируемости нейронного ответа. По сути, активность этих нейронов позволяет нам заглянуть в мозговые системы, контролирующие внутреннее оборонительное состояние: среди всех попыток подобраться к «страхометру» на сегодняшний день эта — самая удачная.

Наше открытие, что электрическая активность в нейронах дмВМГSF1 может сохраняться на протяжении нескольких минут после исчезновения хищника, объясняет нечто важное про контроль длительности процессов в мозге. Традиционно мы связываем продолжительные реакции (учащенное сердцебиение, сухость в рту, потеющие ладони) на кратковременную угрозу с гуморальным механизмом — выбросом надпочечниками в кровь адреналина (гормона реакции «бей или беги»). Предположительно, сердце продолжает колотиться после первого испуга, поскольку организму требуется некоторое время, чтобы вывести весь этот адреналин. В крови повышается содержание и других сигнальных веществ, например гормона стресса кортизола: они тоже требуют некоторого времени для выведения. Хотя такие эндокринные механизмы, безусловно, важны, наши эксперименты показывают, что стойкая электрическая активность определенных нейронов в мозге также может способствовать возникновению продолжительного состояния страха. Хотя эта активность остается повышенной всего несколько минут, это очень долго для нейрона, который работает с импульсами длительностью пару миллисекунд. Возможно, эта постоянная электрическая активность запускает выделение гормонов, которые поддерживают состояние страха и стресса в течение более длительного периода времени.

Естественно, эти открытия порождают и новые вопросы. Как именно нейроны дмВМГSF1 поддерживают свою активность на протяжении нескольких минут после исчезновения хищника? За счет чего повышается активность нейронов дмВМГSF1 при приближении хищника? Как уровень активности этих нейронов приводит к замиранию или бегству? Какие другие нейроны с ними связаны и какова их роль? Я также не хочу, чтобы у вас сложилось впечатление, что врожденный страх контролируется одной-единственной популяцией нейронов в гипоталамусе. Из совсем недавних исследований стало очевидно, что есть и другие связанные между собой области в гипоталамусе, которые также активируются в присутствии хищника и могут запускать реакцию замирания или бегства при оптогенетической стимуляции. Поэтому точнее считать нейроны дмВМГSF1 одним из узлов распределенной сети, которая контролирует врожденное оборонительное поведение и внутренние эмоциональные состояния. Более того, эта сеть четко отличается от сети нейронов миндалевидного тела, контролирующей условно-рефлекторное обучение и описанной выше в этой главе. Как указывали и другие исследователи, это позволяет предположить, что страх — не цельное состояние, контролируемое единой сетью, и что мозг с помощью разных нейронных цепочек может кодировать разные виды страха. Пациентка S. M., которая потеряла миндалевидные тела, а вместе с ними — и субъективное переживание определенных видов страха, все еще может пережить приступ паники в ответ на стимул, вызывающий панику и у здоровых людей (например, при дыхании в бумажный пакет), что подтверждает идею о наличии нескольких систем страха у человека.

По сравнению с ролью миндалевидного тела роль гипоталамуса в формировании страха у человека все еще остается малоизученной — даже несмотря на данные, полученные на мышах. Одна из причин в том, что гипоталамус человека — маленькая структура, расположенная в основании мозга, которая плохо видна в томографе. Другая причина: гипоталамус изучается в основном в контексте пищевого поведения, которое он тоже контролирует. Еще одна причина: большое число работ, посвященных участию миндалевидного тела в реакции страха, заставляет ученых сосредоточиться на этой структуре, исключив из рассмотрения другие. Подобно пьянице из анекдота, который ищет свои ключи под фонарем, хотя потерял их в темной части переулка, нейробиологи тоже предпочитают искать там, где светло. К счастью, ситуация начинает меняться, и в недавнем исследовании нейробиолог Ави Адхикари из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе выявил активацию гипоталамуса у людей в ответ на вызывающие отвращение изображения.

Но вернемся к теме. Очевидно, эти эксперименты обеспечивают важную связь между внешним наблюдаемым оборонительным поведением и внутренним эмоциональным состоянием. Они предполагают, что мы можем судить о наличии внутреннего оборонительного состояния по результатам тщательного анализа поведения животного, не только определяя конкретный тип реакции животного (замирание, прыжки или бегство), но и анализируя, как проявляется это поведение: есть ли у него постоянство, изменение интенсивности, валентность и способность к генерализации. Более того, эксперименты показывают, что некоторые из элементарных свойств эмоций (например, продолжительность и масштабируемость) проявляются в характере электрической активности нейронов, контролирующих это поведение. И это совершенно неочевидный результат. Он говорит нам о том, что внешне наблюдаемое поведение и внутреннее состояние могут быть проявлениями общего глубинного мозгового процесса, детали которого мы теперь исследуем на животных моделях с помощью методов каузальной нейронауки.

Могу себе представить, как некоторые из вас сейчас подумали: «Ну хорошо, но неужели надо было приложить столько усилий, чтобы просто показать, что у мышей есть что-то вроде страха? Разве не видно по их поведению, что маленькие бедные зверьки безумно напуганы? Разве замирание не то же самое, что и страх?» Вам, может быть, удобно так рассуждать, смотря на мышей, крыс, собак или кошек. Но плодовые мушки тоже замирают в ответ на угрозу сверху. Готов поспорить, что многим из вас уже будет неловко приписывать мухе страх только потому, что она замирает. Действительно, как мы уже обсуждали в главе 2, такое поведение может представлять собой просто автоматический рефлекс, без влияния каких-либо внутренних эмоций. Однако, как описано в главе 1, мухи, которым угрожала движущаяся над головой мухобойка, в процессе бегства демонстрировали элементарные свойства эмоций, включая продолжительность, валентность и масштабируемость, — точно так же, как это делали и мыши, которых мы изучали.

Если согласиться, что у мышей в ответ на появление хищника может возникать оборонительное состояние, похожее на страх, обладающее элементарными свойствами эмоций (что вполне соответствует нашим интуитивным представлениям о наличии страха у пушистых зверюшек), то становится сложнее назвать простыми автоматическими рефлексами оборонительные реакции плодовых мушек, в которых проявляются схожие свойства. И действительно, с помощью элементарных свойств эмоций мы можем подтвердить, что у мух в ответ на угрозу сверху тоже возникает внутреннее оборонительное состояние. Значит ли это, что страх у мух тот же самый, что и у млекопитающих? Конечно нет, но это означает, что у обоих видов поведение управляется внутренним состоянием, а не просто рефлексами. Если хотите, можете называть это предшественником эмоционального состояния, или протоэмоцией. Главное, что вы можете в общих чертах различать у разных видов рефлекторное поведение и поведение, контролируемое внутренним состоянием, руководствуясь объективными наблюдениями, а не интуицией.

Это важно по двум причинам. Во-первых, это открывает путь для применения мощных методов нейронауки и широкомасштабного генетического скрининга при изучении того, как элементарные свойства эмоций закодированы в крошечном мозге мухи. Такие подходы нельзя использовать на мышах из-за стоимости, объема и длительности. Вдобавок у нас есть коннектом мозга мухи (напомню главу 1: коннектом — это карта всех синаптических связей каждого нейрона, полученная с помощью электронной микроскопии), позволяющий детально изучать имеющиеся нейронные цепочки, а для мышей в течение ближайших лет такой карты не будет, поскольку их мозг устроен гораздо сложнее. А во-вторых, сравнительные исследования покажут, есть ли сходства в том, как мозг мыши и мухи обеспечивает элементарные свойства эмоций. Таким образом, использование концепции элементарных свойств может связать воедино результаты изучения внутренних состояний у разных видов животных, разделенных 500 миллионами лет эволюции. В свою очередь, это позволит понять, как эмоции эволюционировали на нашей планете.

В следующих главах мы увидим, как этот подход можно расширить, используя его для исследования не только оборонительного поведения и состояний, подобных страху, но и более сложного явления, агрессии — социального поведения, которое может выражать множество разных эмоций. И мы снова сравним, как мозг контролирует это поведение у мышей и у мух. Вместе с информацией, представленной в главах 1–3, это позволит нам сравнить два разных поведенческих состояния у одного вида (например, страх и агрессию у мышей), а также одно и то же поведение у разных видов (агрессию у мышей и мух).