Мозг и сознание. Разгадка величайшей тайны человеческого мозга - читать онлайн

Нейробиологи добились невероятного прогресса в понимании биологических основ сознания и благодаря технологическим достижениям могут даже наблюдать за тем, как оно действует в мозге.

Первичный материал сознания

Мозговые основы сознания загадочны, но это, по крайней мере, доступная загадка. Как недавно заметил Марк Хэддон, первичный материал сознания не находится в другой части Вселенной, не произошел 14 миллиардов лет назад, и он не спрятан где-то глубоко внутри атома. Он расположен прямо здесь, внутри вашей головы.

Фактически, если отбросить философский вопрос о том, почему сознание вообще существует, мы можем начать исследовать мозг с точки зрения физических и электрических паттернов его активности – так называемых нейронных коррелятов сознания.

К сожалению, мозг не уж так просто открывает свои секреты. По последним подсчетам он содержит около 90 миллиардов нейронов с таким количеством связей между ними, что если бы вы стали подсчитывать их со скоростью одна связь в секунду, на полное их перечисление вам потребовалось бы три миллиона лет. Но даже это не отражает всю сложность мозга. В действительности поражает не столько его структура, сколько пронизывающие ее паттерны взаимосвязей, которые каким-то образом лежат в основе всего, что делает вас – вами.

Как эти паттерны взаимосвязей в итоге складываются в сознание – огромный вопрос. Так с чего же мы должны начать в наших попытках понять, как все это работает? Один из подходов состоит в том, чтобы разбить проблему на поддающиеся решению фрагменты и исследовать биологические основы различных аспектов сознания по отдельности.

Так, мы можем дифференцировать уровень сознания (различие между отчетливым состоянием бодрствования и осознанности и состоянием под общей анестезией), содержание сознания (то, что мы чувствуем и на что реагируем) и чувство собственного «я» (таинственное, но в то же время совершенно знакомое ощущение, что все переживается целостным «мной»).

Что в мозге обуславливает наличие или отсутствие сознания? На самом примитивном уровне в мозге есть, по крайней мере, один переключатель «вкл./выкл.» – интраламинарные ядра таламуса, часть таламуса, расположенного в самом центре головного мозга над его стволом. При повреждении этой части мозга сознание полностью отключается. По-видимому, важную роль в том, находимся ли мы в сознании или же бодрствуем, но без сознания, также играет ограда (клауструм), тонкая пластинка серого вещества глубоко внутри мозга (см. далее).

Зона наилучшего восприятия для сознания?

В какой-то момент вы в сознании, а в следующий – уже нет. Может ли в реальности существовать такой переключатель сознания в мозге? Похоже, так оно и есть. В 2014 году исследователи смогли включить и выключить сознание женщины, стимулируя одну небольшую область ее мозга.

Пациентке, которой проводилась эксплоративная операция с целью локализации источника эпилептических припадков, ввели электрод рядом со скрытой глубоко внутри мозга тонкой пластинкой серого вещества, называемой оградой. Данную область мозга никогда ранее не стимулировали.

Когда исследователи стали стимулировать эту область высокочастотными электрическими импульсами, женщина потеряла сознание. Она перестала читать и безучастно смотрела в пространство, не отвечала на слуховые или зрительные команды, а ее дыхание замедлилось. Как только стимуляция прекратилась, она сразу же пришла в сознание без малейшего воспоминания о произошедшем.

Несмотря на то что эксперимент пока был проведен только на одном человеке, это открытие свидетельствует, что ограда играет важную роль в поддержании уровня сознания. Сторонник этой гипотезы Кристоф Кох из Института по изучению мозга им. Пола Аллена в Сиэтле считает, что ограда работает как своего рода проводник сознания, объединяя информацию, поступающую в разное время из разных областей мозга. В 2017 году эта теория получила дальнейшее подтверждение: в мозге мыши были открыты три длинных нейрона, тела которых расположены в ограде, а дендриты опутывают почти весь мозг, пронизывая на своем пути множество важных областей.

Рис. 2.1. Ограда расположена глубоко в мозге и может связывать наши ощущения в единое целое

Однако все согласны, что для сознания характерно нечто большее, чем простое различие между включением и выключением. Мы знаем, например, что человек может спать, переживая состояние, аналогичное нормальному бодрствованию. С другой стороны, человек в постоянном вегетативном состоянии может физически бодрствовать без каких бы то ни было признаков сознания.

Складывается картина, что несмотря на наличие некоторых важных областей мозга и типов клеток, вовлеченных в работу сознания, общее состояние зависит от того, как согласовывается деятельность всего мозга в пространственных и временны́х координатах.

Итак, как же количественно измерить уровень сознания? Одно очень перспективное решение предложил Марчелло Массимини из Миланского университета. Он и его коллеги разработали метод, при котором мозг стимулируют электромагнитным импульсом (с использованием так называемой транскраниальной магнитной стимуляции, или ТМС), а затем измеряют, как волны активности распространяются по мозгу. Это делают с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) – измерения электрической активности мозга, регистрируемой электродами на поверхности кожи головы. Импульс действует как удар в колокол, и нейроны по всему мозгу продолжают «звенеть» с определенным волновым паттерном, который зависит от активности связей между отдельными клетками мозга.

Проанализировав сложность этих волновых паттернов реакции мозга, Массимини и его команда предложили число от нуля до единицы, которое они назвали индексом сложности пертурбаций (ИСП). У людей в вегетативном состоянии, которые не реагируют на импульс и, вероятно, не находятся в сознании, показатель ИСП близок к нулю. По данным одного исследования, уровень ИСП = 0,3 является порогом, по-видимому, отделяющим состояния наличия сознания от его отсутствия.

В последующих исследованиях использовали только измерение ЭЭГ – без электромагнитной стимуляции – чтобы понять, можно ли отдельно применять показатели сложности для определения уровня сознания. Если упростить, эти показатели количественно измеряют, насколько импульсы мозга разнообразны, или непредсказуемы. Как оказалось, показатель спонтанной сложности также последовательно снижается от уровня, наблюдаемого при бодрствующем отдыхе, через мягкую седацию и до полной общей анестезии. Схожим образом исследования пациентов с электродами, имплантированными в мозг для локализации источника эпилептических припадков, показали общее снижение сложности при засыпании. Интересно, что во время быстрого сна (или фазы быстрого движения глаз – БГД), когда люди видят сны, сложность динамики работы их мозга соответствует таковой при нормальном сознательном бодрствовании – а значит, эти показатели сложности отражают именно специфические уровни сознания, а не просто физиологические изменения в работе мозга.

Что касается «высших» состояний сознания, то в некоторых недавних исследованиях с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ – измеряет магнитные поля, возникающие во время активности мозга) изучали динамику работы мозга при употреблении психоактивных веществ, таких как ЛСД, псилоцибин и кетамин. В сравнении с исходным состоянием эти вещества, по-видимому, действуют как полная противоположность анестезии или засыпанию. Похоже, что они повышают уровень сложности мозговой активности – такое наблюдается впервые. Может ли это быть признаком достижения некоторой «вершины» сознания? Повышенного уровня сознания? Говорить об этом с уверенностью слишком рано, однако это многообещающая область для будущих исследований.

Все эти способы измерения уровня сознания связаны с набирающей популярность теорией сознания, называемой теорией интегрированной информации, или ТИИ, которую разработал нейробиолог Джулио Тонони из Висконсинского университета (см. «Интеграция порождает осознанность?»). Однако существующие сегодня методы, подобные вышеупомянутым, дают лишь грубые приближения к теории. А для любой реальной системы измерение интегрированной информации во всей ее полноте пока что практически невозможно.

Интеграция порождает осознанность?

Наши переживания, связанные с восприятием цвета, формы и звука, существуют не по отдельности, а как полностью интегрированное целое. Джулио Тонони, нейробиолог из Висконсинского университета в Мэдисоне, выдвинул теорию, описывающую этот процесс. Он утверждает: для того, чтобы система обладала сознанием, она должна интегрировать информацию таким образом, чтобы целое несло в себе большее количество информации, чем сумма его частей. Для сознания интегрированная информация не может быть редуцирована до более мелких составляющих. Когда вы воспринимаете красный треугольник, мозг не может запечатлеть этот объект как бесцветный треугольник в совокупности с бесформенным пятном красного цвета.

Показатель способности системы интегрировать информацию Тонони назвал Фи. Согласно его теории, эта способность является ключевой характеристикой сознания. Цифровая камера обладает потрясающим объемом памяти, но все миллионы ее пикселей никогда не «видят» фотографию, в то время как ваше сознание способно «увидеть», поскольку ваш мозг активно интегрирует информацию, чтобы придать смысл полученным данным.

Один из способов вычислить Фи – разделить систему на две части и сравнить, как отличаются прогнозы будущего состояния у частей и целой системы. Наиболее радикальное деление будет давать две наиболее независимые части. Если эти части будут полностью независимыми, так что «целое» не превысит их суммы, тогда Фи будет равняться нулю, и система не будет обладать сознанием. Чем выше же созависимость частей при наиболее радикальном делении, тем бо́льшим будет значение Фи и, соответственно, уровень сознания системы.

Подход Тонони позволяет объяснить некоторые любопытные аспекты сознания. Почему мы утрачиваем сознание, когда ложимся спать? Тонони ответил бы, что во время сна информация из специализированных сетей мозга не интегрируется. Почему эпилептические припадки связаны с потерей сознания? Возможно, потому что припадки перегружают сеть, блокируя сложный процесс обмена информацией.

В контексте конкретных областей мозга, участвующих в поддержании уровня сознания, в последнее время внимание было приковано к «горячей точке» задней коры, расположенной в теменной и затылочной долях коры больших полушарий головного мозга. По всей видимости, активность в этой области является очень надежным отличительным признаком наличия и отсутствия сознания, что было показано в исследовании Франчески Сиклари и ее коллег из Висконсинского университета в Мэдисоне. Вместо того чтобы сравнивать бодрствование со сном – сравнение, которое включает в себя, помимо потери сознания, еще множество изменений в мозге и теле, – исследователи наблюдали за мозгом только во время сна. Они будили испытуемых много раз в течение каждой ночи и спрашивали их, видели ли те сны. Это позволило им сравнить активность мозга при сновидениях и отсутствии каких бы то ни было сознательных переживаний. В данном случае общее состояние мозга и тела было одинаковым, так что любые найденные различия должны были быть связаны именно с сознанием. Как оказалось, задняя «горячая точка» играет настолько заметную роль в работе сознания, что исследователи смогли предсказывать, сообщит ли испытуемый о сновидениях еще до его пробуждения, основываясь только на активности этой зоны.

Есть ли сознание у младенцев?

У взрослых осознание того, что они что-то ощутили, увидели или услышали, связано с двухэтапным характером деятельности мозга. Так, сразу же после предъявления визуального стимула активируются области зрительной коры, а спустя приблизительно 200–300 миллисекунд активируются и другие области, включая префронтальную кору, которая отвечает за когнитивную деятельность более высокого уровня. Некоторые исследователи полагают, что осознание появляется только после того, как активность нейронов на втором этапе достигает определенного порога.

Исследовать этот процесс у взрослых достаточно просто, потому что они способны сообщить, когда осознают что-то. Но задать те же самые вопросы младенцам, чтобы узнать, осознают ли они что-либо происходящее в окружающей среде, и если да, то как осознают, невозможно.

Сид Куидэ и его коллеги из Высшей нормальной школы в Париже решили эту проблему так. Они надели шапочки для ЭЭГ на группы младенцев в возрасте 5, 12 и 15 месяцев и фиксировали активность их мозга в ответ на предъявляемую серию быстро меняющихся изображений. Как и взрослые, все младенцы реагировали на человеческое лицо, демонстрируя ожидаемый двухэтапный паттерн. Но на втором этапе – этапе деятельности, связанной с осознанием, – ответ был намного медленнее.

Самая медленная и наименее выраженная реакция была зарегистрирована у пятимесячных младенцев: задержка перед началом второго этапа составила более секунды. У 12-месячных младенцев второй этап регистрировали в период от 800 до 900 миллисекунд после предъявления изображения. 15-месячная группа показала очень схожий результат.

По-видимому, младенцы обладают тем же механизмом сознательной регистрации происходящего в окружающем их мире. Им просто требуется для этого немного больше времени.

Содержание сознания

Хотя нам кажется, будто то, что мы видим, слышим и чувствуем, очень реально, есть веские доказательства: наше восприятие – своего рода «контролируемая галлюцинация» – «лучшая догадка» мозга относительно того, что вызывает входящую сенсорную информацию.

Подумайте об этом: мозг заперт внутри костного черепа. У него нет прямого доступа к окружающему миру. У него нет прямого доступа даже к собственному телу. Все, что мозг получает, – это электрические сигналы от разных органов чувств: глаз, ушей и так далее. Эти сигналы зашумлены и противоречивы, но, тем не менее, мозг должен каким-то образом решить, что все это значит.

Еще в XIX веке немецкий физиолог Герман фон Гельмгольц выдвинул гипотезу, что мозг как бы делает предсказание. Он объединяет сенсорную информацию, поступающую из окружающего мира, с предварительными предположениями (или ожиданиями) относительно того, каков этот мир. Это приводит к «лучшей догадке» о том, что вызвало сенсорные сигналы, – вот что мы и воспринимаем сознательно.

Поначалу эту концепцию непросто принять на веру, но ее довольно легко проиллюстрировать с помощью простой зрительной иллюзии – иллюзии с тенью на шахматной доске (иллюзия тени Адельсона) (см. рис. 2.2).

На первый взгляд клетки, обозначенные A