Два игрока на одном поле мозга

Выросший на ферме в Нью-Гэмпшире Финеас Гейдж демонстрировал необычайную изобретательность с юности. Он получил начальное образование, но где-то в подростковом возрасте (или когда ему было чуть за двадцать) он, должно быть, пришел к выводу, что пора заняться самосовершенствованием и оставить тяжелую жизнь своей семьи. Возможность для этого вскоре представилась. Это было в начале индустриальной эпохи — эпохи железнодорожного бума, когда повсеместно создавались новые компании и прокладывались железнодорожные пути. Гейдж отправился учиться и стал инженером.

Он был хорошим планировщиком, учился на собственном опыте и применял выученные уроки на каждом следующем шаге — а ведь это и есть рецепт успеха. К 1848 году он достиг должности прораба.

13 сентября 1848 года Гейдж руководил строительством ветки железной дороги Ратленд — Берлингтон, которая проходила мимо Кавендиша, штат Вермонт. Вечером с помощью длинного конического металлического инструмента под названием «шпалоподбойка» он утрамбовывал взрывчатку в отверстие в скале. Отвлекшись на мгновение, он случайно ударил шпалоподбойкой по отверстию. Искра вызвала взрыв, и шпалоподбойка вылетела вверх из отверстия, как огромная пуля, и прошла через его щеку и голову, выбив левый глаз и значительную часть мозга.

Шпалоподбойка — три фута и семь дюймов в длину и дюйм с четвертью в диаметре[48] в самом толстом месте, приземлилась в более чем шестидесяти футах позади него.

Гейдж был сбит с ног и, возможно, ненадолго потерял сознание, но, на удивление, через несколько минут связно заговорил и смог подняться и пойти. На воловьей повозке его доставили в близлежащую гостиницу и вызвали к нему местного доктора Эдварда X. Уильямса.

«Доктор, здесь вам есть над чем поработать», — сказал Гейдж, когда прибыл Уильямс. Через некоторое время его случаем занялся д-р Джон М. Харлоу.

Лежа в крови на кровати, Гейдж указал на дыру в левой щеке и сказал Харлоу: «Железяка вошла туда и прошла через мою голову». Так все и было.

Харлоу очистил и перевязал раны Гейджа. При поиске костных фрагментов он вставил в отверстие в верхней части головы Гейджа указательный палец правой руки и смог коснуться им указательного пальца своей левой руки, который вставил в разорванную щеку Гейджа. Харлоу позже написал: «Мозг выступал из отверстия и висел клочьями на волосах… Пульсации мозга были отчетливо видны и ощущаемы».

Выздоровление Гейджа сопровождалось инфекциями и периодами комы. В какой-то момент с него уже снимали мерки для гроба. Однако он выжил, и его речь, память и способность к управлению движениями остались относительно сохранными. В конце ноября Гейдж вернулся к своей семье в Нью-Гэмпшир.

Этот случай привлек внимание прессы. Под заголовком «Поразительный случай» одна бостонская газета опубликовала письмо одного из множества свидетелей, видевших Гейджа, когда он поправлялся в Кавендише. «Мы живем в эпоху, богатую событиями, — писал этот автор, — но если тринадцатифунтовая железка в форме заостренного лома пробивает человеку голову, вышибая часть его мозга, а тот остается жив и сохраняет свои чувства, то нам остается только недоумевать: что же будет дальше?»

Однако Гейдж не остался прежним — и в этом смысле был особо интересен научному сообществу. Харлоу вел хронику глубокого изменения личности Гейджа.

«Не страдает ни от какой боли в голове, но говорит, что у него есть странное чувство, которое он не в состоянии описать», — написал врач, осмотрев Гейджа в апреле 1849 года, через семь месяцев после несчастного случая.

В результате Гейджа ждала печальная участь кочевника. С поврежденным, но продолжающим функционировать мозгом и постоянно закрытым левым глазом Гейдж был буквально обречен блуждать по земле. Сначала он проехался по Новой Англии, показывая себя и свою железяку, очевидно за деньги. Его обследовал хирург из Гарварда Генри Дж. Биглоу, который написал в одном из номеров журнала American Journal of the Medical Sciences за 1850 год, что Гейдж, возможно, пережил «самую невероятную историю повреждения мозга, когда-либо зафиксированную наукой».

Гейдж продолжал плыть по течению, работал некоторое время в качестве экспоната в цирке Ф.Т. Барнума и несколько лет прожил в Чили, куда золотая лихорадка привлекала иностранцев.

Живя со своей матерью, он умер в Сан-Франциско после серии приступов в 1860 году. Его мозг не сохранили для изучения, но его череп и шпалоподбойка попали в Анатомический музей медицинской библиотеки Гарвардского университета. Череп Гейджа с характерным отверстием и сегодня служит одним из символов домашней страницы музея, являясь мрачным свидетельством непостижимой способности мозга очаровывать и удивлять нас.

Исследователи обычно приводят печальную историю Финеаса Гейджа в качестве доказательства того, что разные аспекты личности базируются на разных частях головного мозга.

Это отчасти верно, но можно сделать и другие выводы о произошедшей с ним трансформации: шпалоподбойка повредила участки верхнего и нижнего отделов коры, нарушив взаимодействие систем верхнего и нижнего мозга. Гейджу было особенно сложно интегрировать свои эмоциональные реакции с целями, мотивами и планами, а также придерживаться намеченного плана и не позволять случайным событиям сбивать себя с пути[49].

Травма мозга не просто нарушила некоторые способности Гейджа, но и изменила способ использования нетронутых функций. И поведение Гейджа после этой трагедии отражает не только факт повреждения систем верхнего и нижнего мозга, но и нарушение способа взаимодействия этих систем.

По аналогии Ричард Грегори в 1961 году[50] указал, что, когда из старомодного радио удаляют резистор, радио начинает издавать пронзительные звуки. Почему это происходит? Дело не в том, что резистор был «подавителем пронзительных звуков», а его удаление нарушило эту функцию. На самом деле это происходит потому, что неповрежденные части радио взаимодействуют по-другому без резистора. Точно так же после несчастного случая системы верхнего и нижнего мозга Гейджа изменили способ взаимодействия, в результате чего изменилось и его поведение.

Нарушение нормального взаимодействия систем верхнего и нижнего мозга серьезно повлияло на один главный аспект поведения Гейджа. Харлоу пишет: «До получения травмы, хотя он и не учился в школах, он обладал хорошо сбалансированным умом, и те, кто его знал, считали его проницательным, дальновидным бизнесменом, очень энергичным и настойчивым в осуществлении всего им задуманного. В этом смысле его ум коренным образом изменился, настолько, что его друзья и знакомые сказали, что это «больше не Гейдж».

Если раньше Гейдж был вдумчивым стратегом, то после травмы он стал импульсивным и непредсказуемым. Система нижнего мозга невпопад прерывала систему верхнего мозга, нарушая его способность придерживаться планов или пересматривать их, когда Гейдж видел последствия предыдущих усилий.

Когда его реакции нарушали планы, Гейджа захлестывали непредсказуемые эмоции, и он не мог реагировать адекватно. Нарушение взаимодействия двух систем мозга сильно сказалось на взаимоотношениях Гейджа с людьми и его поведении в повседневных ситуациях.

Систематические взаимодействия

Мы уже акцентировали внимание на том, что мозг следует воспринимать как систему с информационным входом, выходом и специальными механизмами, которые обеспечивают оптимальное соответствие действий на выходе информации на входе. Также мы подчеркивали, что верхние и нижние участки коры мозга содержат специализированные подсистемы, которые работают вместе, как части большего целого. Здесь напрашивается аналогия с компьютером — и в определенной степени эта аналогия подходит. Действительно, и мозг, и компьютер обрабатывают информацию: в обоих случаях входящая информация (например, от глаз к мозгу или с камеры на компьютер) сохраняется, преобразуется и становится объектом вычислительных манипуляций, в конечном счете формируя сигнал на выходе (например, произнесенное слово или изображение на экране).

Но мозг и компьютер отличаются способами обработки информации.

Компьютер имеет отдельный «центральный процессор», аппаратные средства, которые выполняют инструкции программы; отдельное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, которое может быть увеличено путем добавления дополнительных чипов памяти) для быстрого доступа к данным; и жесткий диск или твердотельный накопитель, «вторую» или «складскую» память аппарата, где хранятся данные и программы (этот вид памяти сохраняет информацию, даже когда питание выключено). Мозг, напротив, не имеет однозначно обозначенного различия между центральным процессором и памятью. И структуры мозга, используемые для хранения информации в течение длительных периодов времени (аналогичные диску или твердотельным накопителям компьютера), также могут хранить информацию в течение короткого времени (по аналогии с ОЗУ компьютера).

Для иллюстрации хитросплетений взаимодействия систем верхнего и нижнего мозга мы можем использовать аналогию коммерческой пекарни с двумя этажами.

Давайте предположим, что осталась неделя до Дня благодарения. Пекарне нужно выпечь больше тыквенных пирогов, потому что потребительский спрос растет, как это бывает в праздники. На верхнем этаже находится руководство, которое планирует, сколько пирогов и других хлебобулочных изделий следует выпечь.

Их планы должны учитывать различные виды информации, например, время года, день недели и наличие конкретных ингредиентов (таких как тыквы). Затем они размещают заказы на ингредиенты.

По мере приближения праздничного дня руководители отслеживают продажи, предварительные заказы и другие показатели и решают, сколько пирогов из тыквы требуется выпечь. Они формулируют планы на основе своих ожиданий, реализуют их, а затем пересматривают свои планы по мере поступления новой информации.

В то же время на нижнем этаже множество работников проверяют, получены ли тыквы, мука, сахар и другие ингредиенты, сортируют их, следят, чтобы они были свежими (и выбрасывают любые испорченные ингредиенты), отправляют их в соответствующие смесители и печи, и так далее. Они организуют то, что поступает из внешнего мира, сортируют это по категориям и решают, как их употребить.

Если бы этажи не взаимодействовали, никаких тыквенных пирогов (или хлеба, или других хлебобулочных изделий) не получилось бы. Но они взаимодействуют. Планы, сформулированные на верхнем этаже, передаются рабочим, находящимся ниже, так, чтобы они были готовы к приему определенных ингредиентов и отслеживали определенную информацию. И затем результаты усилий по выпечке и отслеживанию информации внизу (в том числе информация о продажах) отправляются обратно на верхний этаж, так что руководители могут узнать, насколько хорошо реализуются их планы, и скорректировать их соответствующим образом.

Что происходит, когда продажи тыквенных пирогов идут не так хорошо, как ожидалось? Эта информация, отслеживаемая на нижнем этаже продавцами, передается руководителям наверх. Затем руководители оценивают, сколько пирогов необходимо сделать на следующий день, и соответственно заказывают меньше тыкв и других ингредиентов.

Рабочих внизу предупредят, что сегодня должно поступить меньше первичных продуктов для пирогов. Затем эти рабочие сообщают на верхний этаж о фактически прибывшем количестве продуктов. Если какой-то ингредиент доставили сверх или меньше ожидаемого количества, то руководители связываются с его поставщиками (поставщиками тыквы, муки, сахара и т.д.) и настаивают, что пекарня не будет платить за ингредиенты сверх заказа и т. п.

Давайте вернемся к мозгу и рассмотрим следующий пример. Вы хотите выйти в Интернет, поэтому система верхнего мозга сначала помогает вам сформулировать план: включить компьютер и после его включения открыть ваш браузер. Затем вы ожидаете увидеть экран регистрации; а когда он появляется (и фиксируется системой нижнего мозга), следует ввести пароль. Когда вы начинаете печатать, система верхнего мозга не только генерирует команды для управления пальцами, но и предвосхищает, что именно вы должны увидеть, когда появляется каждая буква. Она получает сигнал от нижнего мозга о том, какая буква появляется, и замечает, если неожиданно появляется неверная буква — и если этот так, — пересматривает план и исправляет ошибку.

Однако мы не хотим преуменьшать вклад системы нижнего мозга. Когда вы смотрите на экран монитора, система нижнего мозга преобразует пиксели в паттерны, которые соответствуют словам и изображениям; затем сравнивает эти паттерны со всеми образами, виденными вами раньше; если она находит соответствие, то применяет к данному случаю информацию, которую вы ранее связывали с идентифицированным объектом или паттерном. Например, когда вы видите круг с косой диагональной линией, вы знаете, что это означает «запрещено», потому что вы видели этот символ раньше и его значение было сохранено в вашей памяти. Когда ваша система нижнего мозга сопоставляет сигнал от ваших глаз с этим сохраненным паттерном, вы можете учесть информацию, которую вы ранее связали с ним, и в текущей ситуации.

Более того, эмоциональная окраска, связанная с объектом, который производит этот сигнал, поможет вам принять решение о приоритетных действиях. Если вы столкнулись с тем, что представляет для вас ценность (например, купюра в сотню долларов на тротуаре) или вызывает отвращение (собачьи экскременты там же), ваше текущее поведение может быть прервано для того, чтобы выбрать новое приоритетное действие (наклониться, чтобы поднять деньги, или отойти в сторону, чтобы не наступить на собачьи экскременты).

И дело не в том, что система верхнего мозга просто использует сигнал от системы нижнего мозга как часть обратной связи о последствиях действий по плану; ожидания, просчитанные системой верхнего мозга, могут влиять на систему нижнего мозга так, что та будет классифицировать сигналы определенным образом. То есть верхний мозг регулирует расчеты нижнего мозга таким образом, что он может легко воспринимать то, что ожидается. Например, фермер, ищущий своих коров в сумерках, даже мимолетную тень подходящего размера может принять за корову. Почему? Ожидания фермера, созданные системой верхнего мозга, настроили систему нижнего мозга классифицировать подобный сигнал как корову — и эта преднастройка настолько сильна, что относительно слабого входного сигнала достаточно, чтобы распознать его как ожидаемый объект.

Кроме того, система нижнего мозга полагается на структуры верхнего мозга при интерпретации окружающего мира. Нижний мозг автоматически классифицирует объекты и интерпретирует сцены и разворачивающиеся события путем сопоставления их с информацией, ранее сохраненной в памяти. Но иногда мы сталкиваемся с объектами и событиями, которые в сочетании не соответствуют ничему знакомому; мы можем быть знакомы с каждым объектом по отдельности, но не с таким их сочетанием.

Скажем, вы видите парня, прыгающего на одной ноге, с носками на обеих руках, и при этом поющего «Прекрасная Америка». Система нижнего мозга распознает каждую из деталей и отправляет информацию верхнему мозгу, который затем пытается интерпретировать этот набор данных. Похоже на обряд посвящения в какое-то студенческое братство, рассуждает он. Верхний мозг может создать план, чтобы подтвердить или отклонить эту гипотезу. Скажем: стоит посмотреть на молодых людей неподалеку, которые могут быть членами предполагаемого братства, наблюдающими за этой сценой. При этом верхний мозг повлияет на нижний мозг, облегчив ему задачу опознания людей в качестве представителей братства. Несомненно, эти две системы взаимодействуют.

В зависимости от ситуации подобная работа мозга может происходить в течение длительного периода времени или в мгновение ока. Давайте посмотрим на когнитивные функции, задействованные в ситуации, когда пилот реактивного самолета возвращается на авианосец. Летчику, когда он подлетает к взлетно-посадочной полосе на палубе, авианосец видится размером примерно с почтовую марку. Пилот осторожно управляет самолетом, замедляя его и готовя к приземлению (все это в соответствии с планами, составленными системой верхнего мозга). При этом он ожидает увидеть изменения образа палубы: она должна увеличиться в размерах по мере приближения к ней самолета. Но если изменение (первоначально зарегистрированное в системе нижнего мозга) не соответствует ожиданиям (это регистрируется в системе верхнего мозга), пилоту придется пересмотреть свой план.

Например, был неправильно настроен или неисправен контроль посадки, и самолет не начал снижать скорость. А если система нижнего мозга зафиксирует, что взлетно-посадочная полоса на палубе увеличивается в размерах гораздо быстрее, чем ожидалось, то немедленно передаст эту информацию системе верхнего мозга. В ответ процессы в системе верхнего мозга заставят пилота проверить элементы управления и попытаться найти причину этого сбоя. Ему, возможно, придется прервать посадку и набрать высоту. А затем авиадиспетчеры помогут ему справиться с этой ситуацией.

Мгновенные решения, которые принимает пилот, выполняющий посадку, служат доказательством сплоченной работы двух систем мозга. Без взаимодействия этих систем пилот никогда не смог бы поднять самолет в воздух, не говоря уже о том, чтобы благополучно его посадить.

Как мы разобрали в главе 3, системы верхнего и нижнего мозга соединены многочисленными связями. Например, большой дугообразный пучок нервных волокон проходит от височной доли к отделам лобных долей, участвующим в продуцировании речи. Множество связей имеется между областями височных долей, обеспечивающих память, и различными областями системы верхнего мозга. Очевидно, что эти две системы мозга представляют собой интегрированное целое. Как мы увидим в следующей главе, особенности взаимодействия между системами верхнего и нижнего мозга приводят к появлению четырех возможных когнитивных режимов. Эта тема останется в фокусе нашего внимания до конца книги.