Индуктивные рассуждения как наилучшая модель для научных размышлений имеют очень долгую историю, и к ним прибегали многие великие философы, в том числе, помимо Аристотеля, Дэвид Юм («Трактат о человеческой природе»), Иммануил Кант («Критика чистого разума») и Джон Стюарт Милль («Система логики силлогистической и индуктивной»). Они утверждали, что сначала ученый должен собрать данные о предмете своего интереса, не задумываясь о связи между фрагментами полученной информации (потому что размышления о причине и следствии могут повлиять на сбор данных), а затем последует ослепительная вспышка озарения, и ответ станет ясен. Философы ХХ века, такие как Карл Поппер («Предположения и опровержения: рост научного знания») и Томас Кун («Структура научных революций»), утверждали, что истинная индукция бесплодна (она ограничена доступными данными) и, кроме того, ученые все равно действуют иначе. У ученого всегда есть по крайней мере общие соображения (догадки) о том, что важно, и именно они указывают, какие данные следует собирать; здесь начинается цикл «предположение – проверка – интерпретация». Интересная дискуссия по этому вопросу содержится в эссе Питера Медавара The Philosophy of Karl Popper (1977) из опубликованного после его смерти сборника под названием The Threat and the Glory (New York: Harper Collins, 1990). Каждый начинающий ученый должен прочесть эту работу и вдохновиться ею, прежде чем переступить порог лаборатории, а всем прочим для лучшего понимания было бы неплохо прочесть ее дважды.
Есть и другие синонимы: например, «правильная догадка», или более напыщенно – «удачный всплеск творческого таланта»; но мы предпочитаем «предположение». «Удачный всплеск» – это цитата из Уильяма Уэвелла (History of the Inductive Sciences, London: John W. Parker, 1837), приведенная в книге Питера Медавара The Limits of Science (New York: Harper and Row, 1984). Сэр Питер Медавар был чрезвычайно успешным британским иммунологом (в 1960 году он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине) и написал множество научно-популярных эссе и книг для широкой публики, а также философских работ для ученых. Все его произведения – образцы ясности мышления, и читать их – истинное удовольствие.
Этой теме посвящено множество книг. Самая авторитетная из них – «Логика научного исследования» Карла Поппера, впервые опубликованная в Германии в 1935 году. (Философы считают ее немного старомодной, однако ученые-исследователи утверждают, что в ней описано почти все, чем они занимаются ежедневно.) Более современная и доступная книга на эту тему – Failure Стюарта Файрштейна (New York: Oxford University Press, 2016).
J. C. Weeks and W. B. Kristan, Jr., «Initiation, Maintenance, and Modulation of Swimming in the Medicinal Leech by the Activity of a Single Neuron», Journal of Experimental Biology 77 (1978): 71–88.
Новейшие представления о нейронной цепи, отвечающей за плавание пиявки, изложены в обзорной статье: W. B. Kristan, Jr., R. L. Calabrese, and W. O. Friesen, «Neuronal Basis of Leech Behaviors», Progress in Neurobiology 76 (2005): 279–327.
В последнее время стали возможны аналогичные эксперименты с мозгом, который больше похож на мозг человека, чем мозг пиявки, и это позволило ученым задаться вопросом, есть ли в нашем мозге нейроны с такими же функциями, как у клеток 204 в мозге пиявки. Серьезным препятствием к выяснению функций отдельных нейронов стало огромное количество нервных клеток в мозге млекопитающих. Однако в последнее десятилетие методы визуализации и селективной экспрессии молекул, регистрирующих активность нейронов, позволили исследовать поведенческие функции множества нейронов одновременно. В результате эксперименты, подобные тем, что описаны для клеток 204, теперь могут проводиться и на более сложном мозге, например рыбьем и мышином. Ученые визуализируют нейроны с известной функцией, выясняя корреляцию их активности с поведением животного. После генетической модификации нейроны начинают вырабатывать чувствительные к свету белки, и в результате ученые получают возможность воздействовать на эти нейроны светом с определенной длиной волны, включая или выключая их во время поведенческого теста, чтобы определить их достаточность и необходимость для данного поведения. Подобные эксперименты – наряду с другими – привели к настоящему перевороту в исследованиях нейронной основы поведения животных со сложным мозгом. Подробную информацию об этой методике можно найти в приведенных ниже работах. В первых двух рассматривается сам метод, а в остальных описаны эксперименты, выполненные с его помощью. K. Deisseroth, «Controlling the Brain with Light», Scientific American 303 (2010): 48–55; K. Deisseroth, «Optogenetics: 10 Years of Microbial Opsins in Neuroscience», Nature Neuroscience 18 (2015): 1213–1225; E. Pastrana, «Primer on Optogenetics. Optogenetics: Controlling Cell Function with Light», Nature Methods 8 (2010): 24–25; V. Emiliani, A. E. Cohen, K. Deisseroth, M. Haeusser, «All-Optical Interrogation of Neural Circuits», Journal of Neuroscience 35 (2015): 13917–13926.
Карл Поппер писал о последовательном приближении к истине в нескольких своих работах, но наиболее доступно эта идея изложена в эссе под названием «Наука: предположения и опровержения»; изначально это была лекция, прочитанная в Кембридже, а в 1953 году ее текст вошел в книгу «Предположения и опровержения: рост научного знания».
Стюарт Файрштейн в своей работе Failure соглашается, что отклонение предположений – обычный путь научного прогресса, но рассматривает этот вопрос под иным углом. Файрштейн утверждает, что лишь немногие ученые постоянно применяют стратегию «предположение – проверка – интерпретация», хотя все пишут статьи так, будто следовали именно ей. Он называет отклонение гипотезы одним из типов неудач и считает, что именно неудачи этого типа приносят наибольшую пользу научному прогрессу.
В книге «Логика научного исследования» Карл Поппер рассказал, что заинтересовался философией, задумавшись, чем наука отличается от таких разных областей знания, как астрология, метафизика и психоанализ. Он пришел к выводу, что отличие научных теорий в том, что их можно проверить и опровергнуть: «Каждая “хорошая” научная теория является некоторым запрещением: она запрещает появление определенных событий. Чем больше теория запрещает, тем она лучше» (К. Поппер, «Предположения и опровержения»). (Файрштейн в работе Failure добавляет к этому списку современные феномены, такие как саентология, теория разумного замысла и ряд направлений альтернативной медицины, в качестве примеров принципиально неопровержимых теорий.) Поппер указывал, что существуют вполне достойные области интеллектуальной деятельности – например, метафизика и этика, – которые очень важны для культуры и для выживания человечества, но по природе своей ненаучны, поскольку не могут быть проверены. Этот вопрос был блестяще освещен Питером Медаваром в книге The Limits of Science. Вот две цитаты из нее:
«Если искусство политики – это действительно искусство возможного, тогда искусство научного исследования – это, без сомнения, искусство объяснимого».
«За ответами на вопросы, которые имеют отношение к происхождению мира и эсхатологическим событиям [например, в чем смысл жизни], мы должны обращаться не к науке, а к метафизике, художественной литературе или религии. Эти ответы не выводятся из эмпирических данных и не требуют подтверждения ими, и поэтому бессмысленно спрашивать, истинны они или ложны. Вопрос в том, помогут ли они кому-то обрести душевное спокойствие, избавят ли от тревоги непонимания и рассеют ли страх перед неизвестным».
F. Galton, Inquiries into Human Faculty and Its Development (London: J. M. Dart, 1907), доступно на сайте www.galton.org.
D. K. Belyaev, «Destabilizing Selection as a Factor in Domestication», Journal of Heredity 70 (1979): 301–308 (на русском языке: Беляев Д. К. Дестабилизирующий отбор как фактор доместикации // Генетика и благосостояние человечества. М.: Наука, 1981); L. Trut, «Early Canid Domestication: The Farm-Fox Experiment», American Scientist 87 (1999): 160–169.
T. J. Bouchard, D. T. Lykken, M. McGue, N. L. Segal, and A. Tellegen, В «Sources of Human Psychological Differences: The Minnesota Study of Twins Reared ApartВ», Science 250 (1990): 223–228.
N. L. Segal, Born Together – Reared Apart: The Landmark Minnesota Twin Study (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2012).
Тезис «в среднем у разнояйцевых близнецов совпадают 50 % генов» – это сокращенный вариант более точного утверждения: «у разнояйцевых близнецов вероятность наследования одного и того же варианта любого гена от каждого из родителей составляет 50 %». Например, если у матери есть два разных варианта гена, определяющего цвет глаз, то каждый из близнецов с вероятностью 50 % унаследует первый вариант и с вероятностью 50 % – второй. Из этого утверждения читатель без труда выведет все возможные комбинации наследования и увидит, что в среднем разнояйцевые близнецы в половине случаев наследуют один и тот же вариант гена, а в другой половине случаев – разные.
Важно подчеркнуть, что результаты теста на IQ, как и всех стандартизированных тестов, следует интерпретировать с учетом культурного контекста. Несмотря на то, что существование и измеримость «врожденного» интеллекта можно считать общепризнанными, маловероятно, что стандартизированный тест позволит измерить его объективно, без искажений, вызванных культурными стереотипами.
L. J. Eaves, H. J. Eysenck, and N. G. Martin, Genes, Culture, and Identity: An Empirical Approach (New York: Academic Press, 1989).
G. E. McLearn, B. Johnasson, S. Berg, N. L. Pederson, F. Ahern, S. A. Petrill, and R. Plomin, «Substantial Genetic influence on Cognitive Abilities in Twins 80 or More Years Old», Science 276 (1997): 1560–1563.
E. S. Lander, «Initial Impact of the Sequencing of the Human Genome», Nature 470 (2011): 187–197.
Теоретически нейронные связи могли бы выстраиваться, подчиняясь комбинаторному коду. Однако даже если бы несколько сотен сигнальных молекул сгенерировали множество уникальных комбинаций, это не решило бы проблему, поскольку задача найти точное место каждой из таких молекул в селективном кодировании крайне сложных моделей формирования связей между миллиардами нейронов выглядит не менее трудной.
S. Ramón y Cajal, Histology of the Nervous System, trans. N. Swanson and L. W. Swanson (Oxford: Oxford University Press, 1995; впервые издана на испанском языке в 1909 году).
J. DeFelipe, Cajal’s Butterflies of the Soul (Oxford: Oxford University Press, 2010).
A. L. Kolodkin and M. Tessier-Lavigne, «Mechanisms and Molecules of Neuronal Wiring: A Primer», Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 3 (2011): 1–14.
S. Benzer, В «From Gene to BehaviorВ», Journal of the American Medical Association 218 (1971): 1015–1022; D. Anderson and S. Brenner, В «Obituary: Seymour Benzer (1921–2007)В», Nature 451 (2008): 139.
E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232. Такая организация нейронных связей у «продвинутых» мух, таких как дрозофила, называется суперпозицией нейронов, и мы пока не знаем, каким образом формируется сложная схема связей между фоторецепторами соседних омматидиев и одним патроном ламины.
E. Agi, M. Langen, S. J. Altschuler, L. F. Wu, T. Zimmermann, and P. R. Hiesinger, «The Evolution and Development of Neural Superposition», Journal of Neurogenetics 28 (2014): 216–232.
M. L. Langen, E. Agi, D. J. Altschuler, L. F. Wu, S. J. Altschuler, and P. R. Hiesinger, «The Developmental Rules of Neural Superposition in Drosophila», Cell 162 (2015): 120–133.
Нейроны фоторецепторов были помечены путем встраивания гена медузы, кодирующего зеленый флуоресцентный белок (GFP). В результате отдельные помеченные фоторецепторы в глазу дрозофилы светились, и ученым удалось пронаблюдать рост их аксонов в реальном времени.
Один из исследуемых методов замещения нейронов, поврежденных в результате инсульта или травмы, заключается в непосредственном введении в поврежденный мозг человека нервных клеток определенного типа, полученных из стволовых клеток. Вполне вероятно, что нервные клетки этого типа подчиняются внутренним программам роста, и эти программы помогут новым нейронам встроиться в существующие цепи и тем самым поспособствуют восстановлению нервной системы.
Я благодарю Томаса Ллойда за рис. 2А и Натали Хэмилтон за рис. 2B–2D.
S. Aamodt and S. Wang, Welcome to Your Child’s Brain: How the Mind Grows from Conception to College (New York: Bloomsbury, 2011).
Некоторые действия новорожденного носят автоматический характер. Например, младенец сразу после рождения умеет делать простейшие вещи, в том числе искать и сосать материнскую грудь.