Глава 4. Тайна «скрытых звеньев»
Как мозг организован в систему

В первой главе мы коснулись некоторых концепций организации работы мозга, которые возникали и даже главенствовали на разных этапах развития физиологии: локализационизм, холизм, павловское «световое пятно», даже голографическая модель мозга. В настоящее время преобладает концепция, представляющая работу мозга в виде динамичной распределенной системы, состоящей из звеньев различной степени жесткости. Вместе с тем достаточно живучим остается представление о существовании различных мозговых центров, обеспечивающих различные функции. Особенно ярко это видно во время нейровизуализации, когда при исследовании мозгового обеспечения практически любой функции можно наблюдать достаточно небольшие активированные участки. Из этого часто делается вывод (широко тиражируемый в прессе), что обеспечение любой функции происходит при участии сравнительно небольшого количества нейронов и что мозг использует свои возможности на какое-то малое количество процентов.

Но это неверно. И в этой главе я попытаюсь подробно объяснить почему. Пока скажу лишь, что наличие якобы «центров» совершенно не объясняет, как миллиарды нейронов мозга самоорганизуются для выполнения определенного действия при скорости обмена информацией порядка тысячи метров в секунду.

В предыдущем издании этой книги в разделе «Заключение» я упомянул результаты, полученные мною и моим сотрудником Максимом Киреевым в Институте мозга человека РАН буквально в последнюю минуту перед сдачей книги в печать. Естественно, описание было не полным, поскольку на тот момент, в 2015 году, мы просто не успели полностью осознать его смысл. Это вообще обычная вещь в науке. Непосвященному кажется, что самое сложное – провести эксперимент. На самом деле это обычно самое простое. Сложно придумать дизайн эксперимента и еще сложнее – осознать и сформулировать, что же получили. Чем важнее полученный результат, тем сложнее его понять. И когда эксперимент дает уже нечто совсем непонятное, можно готовиться к великим открытиям.

Так, в свое время для объяснения результатов знаменитых опытов американских физиков А. Майкельсона и Э. Морли (опыт Майкельсона – Морли), доказавших отсутствие эфира и постоянство скорости света в любых направлениях, – что не согласовывалось с господствующей в то время концепцией существования эфира, – потребовался гений Эйнштейна. Он уничтожил существовавшую тысячи лет веру в эфир и показал, что пространство и время взаимосвязаны. (Раньше считалось, что они существуют сами по себе.) Что существует предельная скорость – скорость света. И еще многое, что составляет суть специальной теории относительности. И его объяснение изменило современную физику.

Да что далеко ходить: когда аспирант академика С.И. Вавилова П.А. Черенков обнаружил в эксперименте странное свечение, которое позже назвали эффектом Черенкова, он решил, что это просто ошибка, и просил, чтобы ему сменили тему. А через четыре года И.Е. Тамм и И.М. Франк объяснили, что это свечение вызвано частицей, которая движется быстрее света в веществе. Все трое получили Нобелевскую премию по физике.

Именно поэтому нам для осмысления значения результата потребовалось время, которое появилось уже после выхода книги. А осмыслив, я понял, что нужно писать новую главу.

У меня очень часто берут интервью журналисты, специализирующиеся на науке. И даже лучшим из них не удавалось избежать двух вопросов:

– Где находится «центр речи», удовольствия, принятия решений и т. п. (нужное подчеркнуть)?

– Правда ли, что человеческий мозг использует только 5 % (10 %, 20 % и т. д.) возможностей?

Ответы на эти вопросы тесно связаны. Они отражают принципиальную особенность в устройстве мозга, а именно – системность. Казалось бы, ясно, как искать элементы системы: если мы видим, что при выполнении какого-то действия происходит увеличение энергопотребления определенной зоны, то полагаем, что эта зона является элементом системы. Практически считалось, что, когда мы наблюдаем на МРТ или на ПЭТ активированную область, то можно делать вывод, что нейроны этой области и образуют систему. Однако возникали два принципиальных вопроса. Первый: как при относительно небольшой скорости передачи сигналов в мозге (порядка 1000 метров в секунду) нейроны этих областей могут самоорганизовываться в систему – ведь их миллиарды. И второй. Меня всегда удивляло, что размеры этих областей достаточно малы. Неужели все задачи решает очень малое количество нейронов? Тогда для чего нужны другие?

Эти вопросы долгое время оставались открытыми, и ответов на них не просматривалось. И вот несколько лет назад сотрудники нашего института наблюдали удивительный результат. Больного готовили к операции по удалению опухоли мозга. Как правило, перед операцией проводится функциональное картирование мозга – определяются точки, непосредственно отвечающие за организацию движений, речи. Это необходимо для того, чтобы не нарушить эти функции во время оперативного вмешательства.

Например, фМРТ показывает, что рядом с опухолью есть речевые области. В этом случае надо оперировать предельно осторожно в окрестности этих точек и стараться их не повредить. Однако у пациента, о котором я рассказываю, мы обнаружили очень спокойную картину около опухоли.

Видно, что около опухоли нет красных пятен – зон, где происходит обеспечение речи. Но в процессе операции, несмотря на предоперационное исследование, всегда проводится перепроверка: производят обратимое выключение разрушаемой зоны, чтобы окончательно удостовериться, что вмешательство не затронет жизненно важные функции. Для этого понижают температуру участка мозга, но не до разрушения, а до его обратимого выключения.

И вот после такой контрольной операционной проверки наш пациент вдруг перестал говорить. Естественно, охлаждение немедленно прекратили и речь вернулась. Операция прошла успешно, но мы заинтересовались, почему же эта речевая область не была видна на фМРТ. Вроде бы все было сделано по науке, правильно. И тут одному из наших сотрудников пришла в голову мысль проверить, есть ли корреляция активности видимых областей с областями около опухоли. Оказалось, что рядом есть две небольшие области, которые связаны с обеспечением речи, но они никак себя не обнаружили – не активировались – во время предоперационного исследования. Тогда мы не стали делать выводов, а лишь оставили для себя «флажок», что так может быть.

Спустя некоторое время решили посмотреть, а можно ли наблюдать похожее явление при изучении мозговой организации различных видов деятельности, на самом деле – как организованы взаимосвязи в мозге. Нам повезло, что незадолго до этого появились методики поиска таких взаимосвязей, причем некоторые методики даже позволяли определить направление и степень воздействия одной зоны на другую.

Во время выполнения испытуемыми заданий на речевую деятельность мы наблюдали активацию в области Брока, что было совсем не удивительно. Однако, исследовав взаимосвязи, обнаружили несколько новых областей, имеющих отношение к обеспечению речи, но находящихся довольно далеко от области Брока и никак не проявляющих себя при обычном картировании.

При этом нам удалось показать их роль в обеспечении речи. В одном случае они тормозили активность в области Брока, а в другом – стимулировали. То есть оказалось, что эти «молчащие» структуры модулируют работу «говорящих» структур, тех, активацию которых мы видим на ЭЭГ или на фМРТ.

На самом деле мы показали, что в нашем мозге существуют элементы, которые не меняют своего энергопотребления, то есть в общепринятом смысле не активируются, не заметны для большинства нейровизуализационных исследований, но тем не менее участвуют в работе системы, являются ее неотъемлемой частью.

Дальнейшее целенаправленное изучение этого феномена позволило сделать вывод, что практически при любой изучаемой деятельности выявляются структуры мозга, которые, не изменяя уровня своего энергопотребления, включаются в систему взаимодействующих звеньев, обеспечивающих текущее поведение. Такая особенность не позволяет их выявить с помощью обычного нейровизуализационного картирования. Впоследствии мы опубликовали несколько работ по целенаправленному изучению локальной активности и дистантных взаимодействий, анализируемых с помощью так называемого метода по анализу психофизиологических взаимодействий. И в каждом случае они говорили нам, что система обеспечения деятельности – ее мозговая организация – существенно сложнее и распределеннее, чем считалось ранее. Оказалось, что мы до сих пор не видели бóльшую часть системы!

Это принципиальнейший вывод. Если хотите – открытие. Оно не является просто новым знанием – оно меняет наше представление о работе мозга и делает несовершенными почти все исследования по картированию мозга, которые проведены до сих пор.

Для проверки универсальности этого эффекта мы предприняли целенаправленное сопоставительное исследование зависимости локальных характеристик энергопотребления и дистантных взаимодействий от сложности целенаправленной деятельности. Например, для звена в веретенообразной извилине было продемонстрировано динамическое изменение набора структур мозга, с которыми устанавливались дистантные функциональные взаимодействия в зависимости от сложности (абстрактности) запоминаемой инструкции при подготовке к реализации действия. Похожий эффект был получен при изучении сознательных ложных действий – помимо изменений локального кровотока в структурах лобно-теменной нейроанатомической системы и хвостатых ядрах, вовлечение правого теменно-затылочного стыка выявлялось только при анализе психофизиологических взаимодействий. И наконец, исследование процессов порождения и восприятия слов русского языка, а также восприятия ошибок согласования при чтении предложений выявило воспроизводимое взаимодействие левой нижней лобной извилины с зонами височной коры, изменение локальной активности в которых не обнаруживалось в активационном исследовании.

Что все это означает? Какие выводы мы можем сделать на основании полученных данных? Первый – это явление универсально, данные подтверждаются не только серией наших собственных экспериментов, но и в независимых исследованиях. Второй – о физиологическом значении наблюдаемого непостоянного (гибкое звено) характера вовлечения одних и тех же звеньев в обеспечение текущей деятельности. Правомочно говорить о феномене «скрытых звеньев» мозговых систем. Не изменяя своего энергопотребления, такие звенья включаются в системную работу мозга, что можно наблюдать на микро- и макроуровнях организации его функциональной активности.

Таким образом, вместо чрезвычайно ограниченного набора активированных областей мы имеем дело с разветвленной в пространстве скрытой системой. Ее скрытые элементы непрерывно загружены и не изменяют своего энергопотребления при обеспечении той или иной деятельности. Остается открытым вопрос о быстродействии, поднятый в начале главы. Принимая во внимание описанные результаты исследования нейронной активности, можно сделать предположения о том, как это может быть организовано.

Это, по сути, смена эпох. Практически все исследования мозговой организации высших функций у человека шли по пути, показанному И.П. Павловым в его известном высказывании о световом пятне. Процитирую еще раз:

Это павловское предвидение сыграло важную роль в физиологии мозга. Оно было очень своевременным. В то время. Другими словами, искали активации или деактивации – зоны мозга, которые значимо изменяли «энергетику» своей работы. Почти все работы по картированию мозга построены на этом «принципе светового пятна». Выявление локализации и направление перемещений «светового пятна», как отражение перемещения по коре «системы возбуждения», является важным этапом изучения работы мозга.

Пример современного исследования в парадигме «светового пятна». ПЭТ-исследования произвольного и непроизвольного внимания

Но «световое пятно» показывает лишь часть работающей системы! Некоторые структуры мозга, участвующие в обеспечении деятельности, проявляют свое участие в формировании «светового пятна» только путем изменения дальних взаимодействий, что остается незамеченным при изучении показателей локальной активности. Активность выявленных структур коррелирует с активностью в «световом пятне». Но «за кадром», вне поля зрения остаются другие.

Для понимания нейрофизиологических основ этого феномена необходимо дополнительно изучать организацию функциональных отношений между отделами мозга, которые обеспечивают текущую деятельность. А ведь именно этот путь указал В.М. Бехтерев в своей книге «Проводящие пути мозга», изданной в Казани в 1893 году (рис. 38). В предисловии к первому изданию монографии «Проводящие пути спинного и головного мозга» он писал, что главнейшая цель этой работы – «…передать в кратком изложении важнейшие проводящие системы в мозгу и таким образом облегчить лицам, получившим уже некоторое знакомство с анатомией мозга, изучение взаимных соотношений между содержащимися в нем гнездами серого вещества». В этой работе дополнены и впервые приведены в систему знания о проводящих путях мозга, как мы сейчас знаем, структурной основе формирования функциональных нейроанатомических систем обеспечения деятельности. Это действительно подвиг научного предвидения – предсказать направление исследований, которые станут актуальными через 120 лет.

Рис. 38. Книга В.М. Бехтерева «Проводящие пути мозга» (Казань, 1893)

Надо сказать, что о системе в мозге не говорил только ленивый (в научной статье я бы привел обширную библиографию системных исследований), но основным недостатком почти всех этих работ было то, что они искали и обнаруживали не связи, а корреляции, – и лишь между активированными зонами. Поясню отличие. Представим двух танцоров, мужчину и женщину. Связь – это когда танцор «ведет» танцовщицу. А корреляция – это когда они под одну и ту же музыку независимо синхронно исполняют па в разных углах сцены. И вообще, когда говорилось, что зона вовлечена в обеспечение исследуемой деятельности, подразумевалось, что она активирована. Я уже отметил, что внутренне эта концепция была мне не очень понятна при ее сравнении с фактами. Практически во всех работах мы видим довольно малое количество этих активированных зон. Посмотрите на приведенные в книге результаты фМРТ. Неужели любая, часто сложная, функция мозга обеспечивается лишь несколькими его кубическими сантиметрами?

В настоящее время появилась (и была использована нами при исследовании «скрытых звеньев») возможность находить именно связи и, более того, выяснять – что на что влияет. Другими словами, определять «иерархию» связей в мозге: кто «командует», а кто «подчиняется». Причем, повторю, необязательно связи между активированными зонами.

Еще раз сформулирую, что же мы обнаружили, какое значение имеет наше открытие и как оно меняет представление о работе мозга. Показано, что наряду с активированными участками мозга в обеспечение исследуемой деятельности вовлекаются зоны, чья активность не меряется в процессе исследования, другими словами, не происходит изменения энергопотребления. Это радикально меняет наши представления о размере и числе звеньев системы обеспечения высших видов деятельности. Причем эти звенья расположены на значительном расстоянии друг от друга. Мы назвали такие звенья «скрытыми звеньями».

Системы, состоящие из активируемых в контексте задачи звеньев и скрытых звеньев, работа которых связана с контекстом задачи, но не проявляется в виде активации

Активационные и скрытые звенья. Количество «классических» и «скрытых» звеньев от общего числа областей интереса в речевом задании составило 27,2 % и 51,9 %, в задании на социальное познание составило 16,3 % и 33,1 %, в задании на рабочую память составило 16,8 % и 36,0 % соответственно. Таким образом, среди различных тестовых заданий количество «скрытых звеньев» практически в два раза превышает количество «классических звеньев»

Современный коннектом. Организация связей белого вещества мозга человека (Fornito A. et al., Fundamentals of brain network analysis., 2016)

Как же это работает? Представьте себе государственное устройство обычного типа. Во главе – президент, министры, их замы, руководители отделов и, наконец, офисные работники. Предположим, президент вызывает министра и в кратких, но доходчивых выражениях ставит перед ним важную задачу. Это показывают в новостях, обсуждают, комментируют. Это и есть «активация», она привлекает внимание. Затем министр возвращается в свой кабинет, вызывает замов и демонстративно ставит перед ними задачу. Он и ответственный за выполнение работы сотрудник дают интервью, и это тоже «активация». Ответственный сотрудник корректирует ход работы, и это тоже заметно. Если задание важное, то он засиживается в кабинете, и все видят, что он вовлечен в работу. Но одновременно текущие задания распределяются среди клерков, которые степень своей вовлеченности не меняют: они продолжают заниматься своими рутинными делами (но уже в рамках выполнения этой новой задачи), по-прежнему работают с девяти до восемнадцати. Финансовый отдел конструирует бюджет, как он это всегда делает. Порядок работы, его темп не изменились: постройка самолета или строительство жилого дома – процесс бюджетирования одинаковый. Такое же, как обычно, количество звонков, исходящих и входящих. Они спокойно работают и раз в неделю или в десять дней посылают служебные записки, которыми руководствуются другие отделы. То есть они не активированы, а перенаправлены на выполнение другой задачи.

Так вот, продолжая аналогию: начальники – это активационные звенья, а клерки – скрытые. Вообразив такую картину, по-другому начинаешь понимать основу быстродействия мозга. Внутри маленьких объемов скрытых звеньев можно представить более быстрые, чем синаптические, способы обмена информацией, которые не действуют при больших расстояниях. Тогда можно предположить, что самоорганизация мозга происходит не сразу в целом мозге, а сначала в этих микросистемах, и уже потом «начальники отделов договариваются» между собой.

Это кардинально другие временны́е рамки. Одно дело, когда считается, что в мозге всё со всем связано и каждый нейрон должен знать обо всех других (это как если бы каждый солдат был бы в курсе деятельности каждого другого солдата в армии), и совсем иначе, если его интересует только его собственный взвод. А полковник уже в курсе состояния дивизии. И так далее… Получается, на фМРТ мы видим лишь активацию штаба, потому что только его работа существенно меняется в зависимости от результата.

Это совершенно новый взгляд на организацию самосогласованной работы мозга, объясняющий, каким образом при малом быстродействии можно объединить миллиарды нейронов. Действительно, если считать, что единственным средством коммуникации нейронов является синаптическая передача и распространение нервного импульса подчиняется механизму, открытому Ходжкиным и Хаксли (за что они получили Нобелевскую премию), то понятно, что скорость общения нейронов удручающе мала – в районе километра в секунду. Скорость же реакции мозга на изменение ситуации – доли секунды. Как же можно вызвать самосогласованную реакцию 10 миллиардов нейронов при такой малой скорости взаимодействия? С учетом этих новых данных понятно как: все низовые клерки и отделы продолжают работать, как и раньше, а меняется лишь работа штаба, на его реорганизацию необходимо существенно меньшее время.

Между прочим, это и объяснение устойчивости мозга: «отделы в министерстве» все время реорганизуются, иногда сокращаются, а мозг продолжает работать. Это касается и набившего оскомину вопроса почти всех журналистов: правда ли, что мозг использует только 5–10 % своих возможностей. Нет, неправда. Просто активность скрытых звеньев мы не видим.

Итак, системная организация работы мозга существенно сложнее, чем предполагалось ранее. Причем она состоит не только из жестких и гибких звеньев, как было показано в работах Н.П. Бехтеревой, но также из видимых и скрытых звеньев. Ну и еще одна аналогия. Получилось, как если бы мы смотрели транспортную структуру города и не понимали, как троллейбусы и автобусы перевозят множество людей. Их же явно не хватает. И вдруг узнали, что есть метро. А ведь сейчас именно метро перевозит бо́льшую часть пассажиров. Когда ломается автобус – это мелкая задержка. А когда останавливается метро – кризис.

Подытожим: обнаружен новый класс мозговых систем: системы, состоящие из активируемых в контексте задачи звеньев и скрытых звеньев, работа которых связана с контекстом задачи, но не проявляется в виде активации.

Знание того, какие структуры принимают участие в обеспечении той или иной деятельности (являются элементами нейроанатомических систем) является необходимым, но недостаточным.

Для понимания механизмов работы мозга необходимо знание того, как именно структуры мозга взаимодействуют друг с другом и как меняются их отношения в зависимости от характеристик реализуемой деятельности.

Что ж, стало яснее, что изучать…