We are more than our brains: in search of a subjective beginning

«На самом деле, если какой-либо мастер должным образом создал представление некоторого произведения, то если даже такое произведение никогда не существовало и никогда не будет существовать, тем не менее его мысль истинна, и мысль остается одна и та же, существует ли произведение или нет...».

Б. Спиноза. Трактат об усовершенствовании разума и о пути, которым лучше всего направляться к истинному познанию вещей.

Более миллиарда человек на Земле находят друг друга, совершая до ста миллионов соединений только через популярное сейчас приложение WhatsApp1. Почти 80% населения развитых стран имеют уникальные IP-адреса, позволяющие им обмениваться конфиденциальными сообщениями. Высокая

Александр Яковлевич Каплан — доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии человека и животных, зав. лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (akaplan@ mail.ru).

точность работы этих гигантских коммуникационных систем оказывается возможной лишь потому, что связи между абонентами в этой всемирной паутине определяются закрепленными между ними уникальными телефонными номерами или IP-адресами. Очевидно, что если в эту сетевую структуру раз и навсегда закрепленных связей добавить немного шума — всего 5–10% номеров ежедневно бы менялись случайным образом, — то немедленно наступил бы коммуникационный хаос. Даже малую долю коммуникационного шума невозможно допустить в адресации команд в компьютерном процессоре, в котором одновременно работают до миллиарда и более ячеек памяти. Каким же способом организованы коммутации в мозгу человека между 86 миллиардами нервных клеток, имеющими в сумме более 214 контактов, и которые ежесекундно обмениваются более чем 1015 нервными импульсами, своего рода «звонками» между нейронами2.

В век Просвещения решение этой загадки предложил Рене Декарт, понимавший Природу как единый космогонический механизм. Механику деятельности мозга человека он вписал в этот механизм Природы, предположив существование в мозгу точно настроенного коммутационного узла между возникающими на внешние стимулы ощущениями и целесообразными каждому конкретному случаю ответными действиями. Пример, который приводил сам Декарт: в ответ на прикосновение горячего предмета к пальцу человек отдергивает руку за счет сокращения точно определенных для этого акта мышц, предположительно как раз за счет точного соединения в мозгу чувствительных элементов пальца с двигательными элементами руки. Эта так называемая рефлекторная концепция, предложенная Декартом, а потом уже в XIX–XX вв. развитая целой плеядой великих физиологов от Иржи Про-хазки, Ч. Бела и Ч. Шеррингтона до И. М. Сеченова и И. П. Павлова, казалось бы, логически непротиворечиво сводила механику мозга к большому, чуть ли ни на миллион миллиардов контактов, мозговому коммутатору между нервными клетками.

В Декартовские времена не так важно было задаваться вопросом о том, каким образом адресное пространство мозгового коммутатора оказалось так целесообразно и точно размечено, ибо ответ был очевиден. Важна была сама идея Декарта о мозге, как о своего рода коммутационной карте конкретного человека, в которой были расписаны все его возможные действия. В этом смысле любое действие человека определяется картой его мозга: мы — это наш мозг! Но кто же или что же тогда заставляет срабатывать эту грандиозную механику мозга? Получается, что все субъективно кажущееся произвольным разнообразие и индивидуальная специфика поведения каждого человека, на самом деле, по Декарту, определяется всего лишь комбинацией внешних стимулов, действующих на органы чувств человека в данный момент.

Оставался открытым только вопрос о том, насколько постоянными являются коммуникационные схемы в мозгу человека при воздействии на организм одного и того же комплекса внешних воздействий? Действительно, элементарные жизненные наблюдения свидетельствуют о том, что одни и те же стимулы в разных обстоятельствах могут вызывать у человека разные ответные действия: сытый человек едва ли отвлечется на запах еды, тогда как голодный сразу же отреагирует выделением слюны и желудочного сока. Более того, пищевые реакции у голодного животного можно вызвать не только запахом еды, но, к примеру, и звуком колокольчика, исходно ничего не имеющего с едой. Для этого достаточно, чтобы звонок и подача пищи для собаки несколько раз совпали по времени, а для человека это может быть даже совпадением событий по смыслу или значению. В любом случае, рассуждая вслед за Декартом, можно прийти к выводу, что инициатива поведения человека и животных принадлежит внешним стимулам, их временным, знаковым или смысловым ассоциациям, а целесообразность этого поведения отдается на откуп изначальной точной настройке коммуникационной схемы нервных клеток в мозгу.

Новая плеяда исследователей механизмов мозга во главе с Нобелевским лауреатом физиологом И. П. Павловым объяснила феномены «высшей нервной деятельности» фактически в рамках той же Декартовской схемы, добавив к закрепленным от рождения безусловным рефлексам еще и условные рефлексы, формирующиеся чисто механически — методом проб и ошибок в ответных реакциях на стимулы и их комплексы. Эта дополненная условными рефлексами схема работы головного мозга автоматически накапливает и закрепляет полезные связи между нейронами точно так же, как мы коллекционируем в памяти смартфона нужные телефонные номера и удаляем ошибочные, совершенно не задумываясь, что тем самым выстраиваем какую-то полезную для дела коммуникационную сеть.

В представлениях ученых XX-го века мозг остался все тем же уникальным для каждого человека большим коммуникатором, при этом, конечно, уже оснащенным модулем памяти на часто и редко используемые соединения, с уточненными регистрами входа-выхода (рецепторными и моторными системами), но, самое главное, — с автоматическим механизмом закрепления межнейронных соединений, адекватных новым вызовам среды обитания. Получилась все та же механика, но в ней была выделена необычная для прежних концепций особенность: эта механика по-прежнему управлялась стимульной средой, но под контролем запросов организма на удовлетворение текущих потребностей! Тем самым в работе коммутационной сети нервных клеток обнаружился ранее неизвестный модус — самоорганизация для достижения конкретного биологического результата, причем не в виде предначертанного «сверху» плана, а в тривиальной совокупности контрольных значений параметров состояния внутренней среды организма: уровня глюкозы в крови, содержания кислорода в тканях, давления в сосудах, и т. д. Такими же целевыми установками для формирования и работы нейронной сети могут выступать и контрольные показатели работы сенсорных, моторных и аналитических аппаратов организма, соответствующих, к примеру, наличию или отсутствию во внешней среде тех или иных объектов, позиционированию частей тела относительно этих объектов, необходимых для адаптации к среде обитания. В совокупности эти контрольные точки можно назвать своего рода внутренними целевыми установками, отклонение от которых в ту или иную сторону активирует и задает «смысл» или «направленность» работы коммуникационной механики мозга.

Старые теории автоматического управления и новые кибернетические концепции — от удачливого механика Д. Уатта и знаменитого математика Н. Винера до выдающихся физиологов П. К. Анохина, Н. А. Бернштейна и других — обобщили инициативы внешней стимульной среды с целевыми установками внутри организма в схемах самодостаточной мозговой коммутационной механики, что нашло свое отражение, например, в названии книги выдающегося нидерландского невролога Дика Свааба: «Мы — это наш мозг»3.

Пришло время, когда обобщенную на современный лад механику мозга стало возможным проверить экспериментально. Были, к примеру, разработаны технологии, которые позволяли у свободно подвижных животных или человека регистрировать нервные импульсы одновременно десятков, сотен и даже тысяч отдельных нервных клеток. Стали проясняться механизмы формирования новых нервных связей, заключающиеся в уникальных свойствах контактов между нервными клетками постепенно увеличивать или уменьшать вероятности проведения сигналов в зависимости от того, насколько они в ходе проб и ошибок оказываются нужными для выполнения того или иного акта деятельности животного или человека по достижению контрольных точек состояния организма.

Более того, как оказалось, кластеры нервных клеток выступают в мозгу настоящими ячейками памяти для фиксации впечатлений от значимых для организма объектов и событий во внешнем мире, раскладывая, таким образом, этот мир на крестики-нолики, треугольники-квадратики, элементарные запахи и звуки. Открытие таких нейронов-детекторов, отмеченное Нобелевской пре-мией4, придало функциональную завершенность теориям коммуникационной механики мозга. В рамках этих теорий каждый значимый для организма объект внешней среды имеет в мозгу настроенный на него кластер нейронов, активация которых фактически презентует эти объекты в мозгу и, при необходимости, передает эстафету активации на путь специализированной ответной реакции организма. Таким образом, экспериментальное подтверждение получила высказанная еще И. М. Сеченовым идея о том, что рефлексы могут быть не только двигательными, но и психическими, результатом которых является не двигательная реакция, а мозговая презентация внешнего объекта. Теперь понятно, что эти презентации физически осуществляются в виде активации специализированных для каждого объекта кластера нервных клеток.

Выдающаяся эвристическая перспектива этих открытий заключалась в том, что теперь можно было себе представить, что каждый объект или явление внешнего мира имеют в головном мозгу своих агентов, которые на просторах нейронных полей могут взаимодействовать между собой и таким образом выстраивать новый ментальный мир! Дальше — больше. В последнее время оказалось, что специализированные нейронные кластеры репрезентируют в мозгу не только внешние чувственные воздействия, но и результаты анализа мозгом тех или иных свойств внешней среды. В частности, в крысином мозгу обнаружены так называемые «клетки места», которые активируются только тогда, когда крыса оказывается в том месте, где ее уже несколько раз кормили, или наоборот, где с ней случались какие-то неприятности5. Долгое время оставалось непонятным, как крысы находят эти места активации «приносящих пищу» нейронов, или обходят зоны, где начинают сигналить клетки «неприятностей», если координаты этих мест мозгу неизвестны? Спустя десятилетие бывшие аспиранты О’Хара супруги Эдвард и Май-Брит Мозес6 в пару к «клеткам места» обнаружили и «клетки-решетки», которые активировались при вполне определенном положении крысы в пространстве координат узлов этой незримой решетки. Значит, крысы путешествуют не только или не столько в физическом мире, сколько в пространстве нейронных сетей своего мозга.

Открытие оказалось настолько значимым, что было обозначено еще одной Нобелевской премией (2014 год) в области нейрофизиологического исследования механизмов мозговой репрезентации внешнего мира.

Наконец, в мозгу нашлись нейронные кластеры, специфически активирующиеся уже не на внешние объекты типа крестиков-ноликов или знаковых объектов и лиц, не на метки и координаты физического пространства, но на сами намерения к тому или иному двигательному или когнитивному действию. Удалось, к примеру, нащупать нейронные репрезентации намерений к движению рукой в том или ином направлении7.

Эти детекторы намерений к движению стали особенно ценным открытием для создания ранее выглядевших фантастическими, а в настоящее время уже работающими в клинике так называемых «интерфейсов мозг-компьютер». В этих технологиях перехваченная электроникой активность нейронов-детекторов намерений к движению трансформируется в команды для исполнительных систем, например, для манипулятора, заменяющего у человека парализованную руку8.

Каким же образом при такой подвижности репрезентаций может работать точная коммуникационная механика мозга, признание которой, казалось бы, существенно упрощает объяснение самоорганизации мозговых процессов и их независимость от внешних операторов (кроме самой внешней среды), но заводит в тупик при попытках объяснения не только явлений интуитивного знания, озарения в поиске глубоких закономерностей, но даже элементарной игры в шахматы, в которой каждый ход — это никак не расчетная операция, а результат какого-то видения позиции «в целом».

Сомнения в существовании этой точной мозговой механики закрадываются, как только принимается во внимание то, что нервные клетки — это далеко не кремниевые переключатели, как транзисторы в процессоре ЭВМ, а клеточные организмы с присущими всему живому проблемами жизни и смерти. Каждый день в мозгу человека выходят из строя десятки тысяч нервных клеток. Частично это происходит по исходному генетическому плану, частично по разного рода другим причинам, но в любом случае это наносило бы непоправимый ущерб функциональности, декларируемой начиная с Декарта, точно настроенной коммуникационной сети нейронов.

Нельзя же предположить, что вместе с исчезающими нервными клетками уходят в небытие и целые фрагменты нашего жизненного опыта в реакциях на вызовы окружающей среды, в способности распознавать не только крестики и нолики, элементы пространства и образы людей, но и управляться с собственными намерениями, путешествовать согласно мозговой координатной сетке. При грубых патологических процессах именно так все и происходит, но почему же это не замечают за собой здоровые люди, хотя у них нервные клетки тоже гибнут десятками тысяч каждый день? Откуда берется — и это далеко не редкость — ясность памяти и мысли, четкость речи, способность к новым синтезам у людей в возрасте, когда уже за долгую жизнь в мозгу исчезли или изменились сотни миллионов связей?

Более того, недавно в тонких экспериментах на крысах было показано9, что карта нейронных репрезентаций внешнего мира и навыков вырабатываемого поведения постоянно модифицируется и дрейфует по нейронным полям, практически не закрепляясь на каких-то конкретных нейронных кластерах, не нарушая при этом ни целостность восприятия, ни память, ни выработанные навыки. Одновременно морфологические исследования показали, что в зрительной коре головного мозга даже при неизменном составе нервных клеток ежедневно перестраивается до 1% их нервных связей, а в гиппокампе и в соматосенсорной коре этим процессом затрагиваются уже от 5 до 15% нервных связей10.

Каким образом сохраняется целостность нашего восприятия, наших навыков, памяти, наконец, нашего представления о мире в каждый момент жизни, при столь значительных изменениях коммуникаций между нервными клетками?

Представим, что, хотя бы раз в неделю в таком же объеме перемешивались бы на телефонном коммутаторе соединительные провода, а мы, между тем, каким-то волшебным образом не замечали бы ничего, по-прежнему успешно выбирая нужного абонента в телефонной памяти по его имени несмотря на то, что его актуальный номер уже многократно поменялся. В чем бы мог состоять секрет такого устойчивого к помехам коммутатора? Не в том ли, что где-то в какой-то другой памяти хранятся не столько номера и телефонные узлы, сколько целостная картина о мире контактов данного абонента, включающая помимо номеров телефонов еще массу деталей, по совокупности которых можно безошибочно определить нужный канал связи даже не зная конкретный номер телефона. И тогда, каким бы ни был текущий расклад коммутационных линий, контакты устанавливались бы в соответствии с текущей целесообразностью и по совокупности совпадающих признаков необходимого контакта.

Все это наводит на мысль о том, что над механизмами деятельности отдельных коопераций десятков миллиардов нейронов осуществляется некий процесс, который поддерживает целостность репрезентируемого на этих нейронах объектов и свойств внешнего мира. Здесь напрашивается аналогия с проекцией фильма, которая может перемещаться по элементам экрана, переходить на стены и потолок, не теряя при этом целостности изображения. Но магия кино здесь легко объясняется именно тем, что исходно эта целостность зафиксирована в матрице пространственных отношений элементов исходного изображения, а не в привязке к элементам экрана, на который это изображение проецируется. В случае с мозгом трудно себе представить, что 86 миллиардов нейронов являют собой пиксели мозгового экрана, на которые из какого-то источника вне мозга проецируется некое целостное изображение.

Вот здесь позволим себе высказать гипотезу о том, что эта проекция действительно существует, и действительно может быть одновременно цельной и подвижной относительно конкретных нейронов, но ее источником является не сторонний излучатель, а построенная в мозгу динамическая ментальная модель внешнего по отношению к мозгу мира вещей и явлений. Понятно, что такая модель реализована в специфическом многообразии связей между нейронами, но ей не требуется жесткая привязка к определенным нейронам, так как целостность ее репрезентаций поддерживается постоянством топологических отношений в пространственно-временных, вербально-логических, семантических, образных и других абстрактных координатах единого для всех людей физического мира. Таким образом, способные к пластическим перестройкам нейронные сети находятся под контролем генерализованных моделей реальности и постоянно модифицируются таким образом, чтобы при формировании новых навыков и познавательных актов сохранить целостность накопленного опыта.

Трудно себе представить организацию мозговой деятельности без ментальной модели внешнего мира у человека, озаряемого великими открытиями, изначально не имевшими алгоритмического вывода (Великая теорема Ферма, гипотеза Пуанкаре и др.), или просто обдумывающего следующий ход в шахматы, прикидывающего последствия визита к начальнику, строящего планы на отпуск и т. д. Что-то всегда подсказывает нам некие шаги, которые мы не можем объяснить не только исходя из имеющихся знаний, но даже обычной логикой происходящего. Это «что-то» и есть динамическая ментальная модель внешнего мира. Как и кластеры нейронов-детекторов, эта модель не дается нам от рождения, но формируется по мере накопления жизненного опыта. И репрезентации внешнего мира по мере развития этой модели в большей или меньшей мере становятся самостоятельными и активными агентами этого мира, взаимодействие между которыми может привести к новому опыту, новому знанию и даже к новому представление о мире. Все это будет теми подсказками ученому, шахматисту или агроному, которые субъективно воспринимаются как акты озарения или интуиции, а иной раз, — как и откровениями, но на самом деле основаны на предсказательных свойствах динамической ментальной модели.

Не только деятельность человека в этом мире, но и его восприятие не может быть объяснено без функционирующей на мозговых нейронах, но подвижной относительно них ментальной модели. Иначе как бы можно было объяснить быстроту, с которой мы выхватываем важный звук из шума, знакомое лицо из толпы и образы дворцов в облаках? Это все возможно потому, что в процессах восприятия участвуют и наработанные опытом шаблоны, те же нейроны-детекторы крестиков-ноликов, и более сложные, вплоть до образов людей и вещей. Но, очевидно, нельзя напастись никаких шаблонов, чтобы различать хотя бы конкретные знакомые лица, породы собак или художественные стили, так как даже одно и то же лицо при разном освещении формальными системами будет признано как два разных лица, и только в динамической модели данное лицо будет представлено во всем многообразии своих вариантов, даже не реализованных в действительности. В этом смысле динамическая ментальная модель в областях практической деятельности человека может быть намного богаче реального мира. Это означает, что подобные модели, в соответствие со своей природой, могут предсказывать даже то, с чем человек не сталкивался в реальном опыте: никем еще не доказанные гипотезы, эффективные ходы в шахматах, в бизнесе или в отношениях, неявные природные закономерности, трактовку событий и др. Вспомним, как «недорисованные» картины импрессионистов с формально неузнаваемыми деталями, тем не менее, создают необыкновенно богатое впечатление в интерьерах собственного опыта … Этот опыт включает в себя не только и даже не столько схемы ассоциаций между входами и выходами, т. е. между сенсорными впечатлениями и двигательными действиями, сколько формирующиеся на основе проб и ошибок, а также аналитических познавательных процедур представления о внешнем мире, идеи и образы этого мира, свои собственные намерения и убеждения, — словом, все то, что и составляет нашу индивидуальность в ее самых высоких духовных проявлениях.

Опустим сейчас философский вопрос о том, где же этот переход от структуры связей в нервной системе, поддерживающей непрерывное движение несметного числа нервных импульсов, к области психических переживаний, к миру образов и мыслей. Многое здесь станет ясным, если задаться тем же самым вопросом относительно структуры и функции компьютерного процессора: где переход от схемы соединений между транзисторами к производимым в нем вычислениям, к обучению работающих в нем алгоритмов, формированию машинных решений относительно предъявляемых извне задач? Укажем здесь лишь на тот очевидный факт, что даже минимальная ошибка в адресации между ячейками памяти в компьютере приведет к сбою в его работе точно так же, как ошибка в наборе телефонного номера даже на одну единицу неминуемо перешлет звонок в ненужном вам направлении.

Наконец, отметим еще одно, наверное, самое «человеческое» свойство ментальных моделей, субъективно ощущаемое как некая когнитивная задолженность, как переживание неполного знания, незавершенного образа или действия. Это естественным образом подталкивает человека к поиску нового опыта, определяемого уже высокоуровневой потребностью к завершенности знания, а фактически — к более детальному описанию реального мира в ментальной модели вне пределов биологической адаптации. В этом отношении человек действительно выделяется из мира животных своей избыточной потребностью в познании мира как такового, без меркантильной заинтересованности в биологической адаптации. Это возможно в силу того, что функционирующая в мозгу человека динамическая ментальная модель способна преодолеть «земное притяжение» и выйти на просторы познания глубинных закономерностей Природы за пределами необходимостей биологической сущности человека.

По-видимому, Бенедикт Спиноза был прав. Конечный человеческий разум не в силах охватить весь ряд единичных вещей ввиду его бесконечной сложности. Задача разума — открыть «законы, по которым всё единичное возникает и упорядочивается, и объяснять на основе этих законов сущности вещей» (Б. Спиноза. Трактат об усовершенствовании разума и о пути, которым лучше всего направляться к истинному познанию вещей).