Эволюция разума

Старый мозг — тот, который имели наши предки еще до того, как стали млекопитающими, — никуда не исчез. Он по-прежнему решает многие задачи, такие как стремление к удовольствию и уход от опасности. Однако эти задачи модулируются новой корой, которая у человека является доминирующей частью мозга как по массе, так и по активности.

Животные жили и выживали, не имея новой коры, причем не млекопитающие и сегодня без нее обходятся. Мы можем воспринимать новую кору в качестве мощного сублиматора: наше примитивное желание избежать встречи с опасным хищником сегодня трансформируется новой корой в стремление решить поставленную задачу так, чтобы угодить начальству. Охота, возможно, подменяется написанием книг (например, о мозге), а задача воспроизводства — стремлением к популярности или страстью к оформлению домашнего интерьера (впрочем, последнее обычно не скрывают).

Новая кора способна помочь нам решить эти проблемы по той причине, что прекрасно моделирует окружающий мир, отражая его истинно иерархическую природу. Но задачи перед нами ставит старый мозг. Конечно, как любой умный чиновник, новая кора часто переформулирует проблемы, прежде чем их решать. Учитывая это, давайте все же рассмотрим процессы обработки информации, происходящие в старом мозге.

Сенсорное восприятие

Хотя нам кажется, что глаза воспринимают изображение с высоким разрешением, на самом деле зрительный нерв посылает в мозг лишь набор очертаний и указаний относительно объектов, попадающих в поле нашего зрения. А затем мы воображаем себе окружающий мир на основании воспоминаний, хранящихся в новой коре, которая с очень низкой скоростью интерпретирует серию образов, поступающих по параллельным каналам. Профессор молекулярной и клеточной биологии из Калифорнийского университета в Беркли Фрэнк С. Верблин и докторант Ботон Роска опубликовали в журнале Nature статью, где показали, что зрительный нерв содержит от 10 до 12 выходных каналов, через каждый из которых проходит лишь небольшое количество информации о конкретной ситуации[62].

Зрительная система человека.

Так называемые ганглионарные клетки посылают информацию лишь о контурах предметов (контраст). Другая группа клеток детектирует только протяженные области одинакового цвета, а третья группа воспринимает исключительно фон за интересующим нас предметом.

Семь из двенадцати изображений низкого порядка, которые зрительный нерв направляет в мозг.

«Хотя нам кажется, что мы видим мир во всем объеме, на самом деле мы получаем лишь подсказки, контуры в пространстве и времени, — говорит Верблин. — Эти 12 изображений мира составляют всю информацию о том, что нас окружает, и на основании этих 12 изображений, что чрезвычайно мало, мы воссоздаем все богатство видимого мира. Мне любопытно, почему природа отобрала эти 12 простых картинок и как их может быть достаточно, чтобы снабдить нас всей информацией, в которой мы нуждаемся».

Такой способ передачи информации в области искусственного интеллекта называют разреженным кодированием. При создании искусственных систем мы обнаружили, что наилучшие результаты получаются, если отбросить большую часть поступающей информации и оставить лишь самые заметные детали. В противном случае новая кора (биологическая или искусственная) не справляется с обработкой информации.

Слуховая система человека.

Ллойд Уатт и его исследовательская группа из компании Audience Inc.[63] тщательно смоделировали процессы обработки звуковой информации, поступающей от улитки человеческого внутреннего уха через подкорку в отделы новой коры. Ученые разработали технологию, позволяющую разложить звук на 600 частотных полос (60 на октаву). Это уже близко к значению 3000 полос — именно так оценивается способность человеческого уха (для сравнения: коммерческие звукораспознающие системы используют от 16 до 32 полос). Применяя два микрофона, а также детальную (и обладающую высоким спектральным разрешением) модель обработки звуковой информации, ученые создали коммерческую технологию (с чуть более низким спектральным разрешением, чем в лабораторной модели), которая эффективно удаляет фоновые шумы при разговоре. Эта система теперь широко применяется во многих мобильных телефонах и является впечатляющим примером коммерческого продукта, основанного на понимании способности человеческого слухового аппарата фокусироваться на одном конкретном источнике звука.

Упрощенная схема обработки слуховой информации в подкорке и новой коре (модель AUudience, Inc., рисунок (с модификациями) взят из статьи L. Watts, Reverse-Engineering the Human Auditory Pathway, in J. Liu et al. (eds.), WCCI 2012; Berlin: Springer-Verlag, 2012, p.49).

Входные сигналы от собственного тела человека (по оценкам — сотни мегабит в секунду), включая сигналы от нервных клеток кожи, мышц, внутренних органов и других зон, направляются в верхнюю часть спинного мозга. Это не только тактильная информация, но и данные о температуре, уровне кислотности (например, о содержании молочной кислоты в мышцах), перемещении пищи по пищеварительному тракту и о многом другом. Эта информация обрабатывается стволом мозга и средним мозгом. Важнейшие клетки, называемые нейронами первого слоя, создают карту тела, отражающую его текущее состояние; ее можно сравнить с дисплеем, на котором авиадиспетчеры отслеживают движение самолетов. Отсюда информация поступает в загадочный отдел мозга, называемый таламусом. И это тема нашего следующего раздела.

Таламус

От среднего мозга сенсорная информация далее проходит через заднее вентромедиальное ядро таламуса (ВМЯ; участок мозга размером с лесной орех), в котором формируются сложные реакции организма, такие как «какой ужасный вкус», «что за вонь» или «это прикосновение возбуждает». Постепенно обработанная информация собирается в двух отделах новой коры, называемых островками мозга. Эти структуры размером с небольшой палец локализованы на правой и левой стороне коры. Артур Крейг из Неврологического института Барроу в Финиксе (Аризона) определяет ВМЯ и островки как «систему, представляющую меня в материальном мире»[64].

Таламус выполняет множество функций, в частности считается местом, откуда предварительно обработанная сенсорная информация направляется в новую кору. Кроме тактильной информации, поступающей через ВМЯ, обработанная информация от зрительного нерва (которая, как было сказано выше, уже подверглась существенной трансформации) направляется в участок таламуса, называемый латеральным коленчатым ядром, откуда поступает в зону VI новой коры. Звуковая информация идет через медиальное коленчатое ядро таламуса, а затем достигает первичной слуховой коры. Вся сенсорная информация (возможно, за исключением обонятельной информации, которая передается через обонятельные луковицы) проходит через специфические участки таламуса.

Проведение тактильного сигнала в теле человека.

Однако наиболее важная функция таламуса заключается в непрерывном контакте с новой корой. Распознающие модули новой коры посылают в таламус предварительные данные и получают ответы главным образом в виде возбуждающих и ингибирующих сигналов от шестого уровня каждого модуля. Мы помним, что это не беспроводная система коммуникаций и между всеми участками коры и таламусом действительно возбуждается огромное число аксонов. Если учесть широту поля деятельности (в виде физической массы необходимых связей), то становится понятно, что таламус постоянно проверяет информацию от сотен миллионов распознающих модулей новой коры[65].

О чем же эти сотни миллионов модулей сообщают таламусу? Судя по всему, это важная информация, поскольку серьезные двусторонние повреждения основных участков таламуса могут приводить к длительной потере сознания. У человека с повреждением таламуса новая кора по-прежнему может функционировать, и самовозбуждающаяся система ассоциативного мышления продолжает работать. Но направленное мышление (заставляющее нас вылезать из постели, садиться в машину или за рабочий стол) без таламуса не работает. Известен случай 21-летней Карен Энн Куинлан, которая после перенесенного сердечного приступа и остановки дыхания на протяжении десяти лет находилась в вегетативном состоянии, не реагируя на окружающий мир. Произведенное после смерти вскрытие показало, что ее новая кора работала нормально, но таламус был разрушен.

Ключевая роль таламуса в сосредоточении внимания связана с использованием данных, структурированных в новой коре. Таламус применяет хранящийся в новой коре список, позволяющий нам думать в определенном направлении или следовать определенному плану действий. Как показали исследования нейробиологов из Института обучения и памяти имени Пиковера при Массачусетском технологическом институте, наша рабочая память способна одновременно удерживать четыре вопроса — по два в каждой полусфере мозга[66]. Пока еще неясно, руководит ли таламус новой корой или наоборот, но для нормального функционирования нужны оба отдела.

Гиппокамп

В каждом полушарии мозга содержится гиппокамп — маленькая структура в форме подковы, расположенная в медиальных височных отделах мозга. Его основная функция состоит в запоминании новых событий. Поскольку сенсорная информация проходит через новую кору, именно она решает, что данная информация является новой и ее нужно представить гиппокампу. Это происходит в том случае, если новая кора не может распознать определенный набор черт (например, новое лицо) или если уже знакомая ситуация приобрела новые характеристики (например, если на лице вашей жены появились накладные усы).

Гиппокамп запоминает эти ситуации, хотя, по-видимому, делает это с помощью отсылок к новой коре. Таким образом, сохраняемые в гиппокампе воспоминания также фиксируются в новой коре в виде образов низкого порядка. У животных, не имеющих новой коры, при модуляции чувственного опыта гиппокамп просто запоминает поступающую сенсорную информацию, которая, однако, подвергается предварительной обработке (например, в зрительном нерве).

Хотя гиппокамп использует новую кору (если она есть) в качестве сверхоперативной памяти, его собственная память (отсылки к новой коре) не имеет иерархического строения. Таким образом, животные, не имеющие новой коры, также могут запоминать информацию с помощью гиппокампа, но их воспоминания не являются иерархическими.

Емкость гиппокампа ограничена, поэтому хранящиеся в нем воспоминания недолговечны. Гиппокамп отсылает определенные последовательности образов на долгосрочное хранение, вновь и вновь переправляя их в новую кору. Таким образом, гиппокамп нужен нам для запоминания новых данных и нового опыта (хотя исключительно моторные функции, по-видимому, усваиваются другим путем). Человек с двусторонними повреждениями гиппокампа сохранит имеющиеся воспоминания, но не сможет усваивать новый материал.

Нейробиолог Теодор Бергер и его коллеги из Университета Южной Калифорнии создали модель гиппокампа крысы и успешно провели эксперименты по имплантации искусственного гиппокампа. В статье, опубликованной в 2011 г., они описали блокирование определенных навыков крыс с помощью лекарственных препаратов. Используя искусственный гиппокамп, крысы быстро вновь обучались утерянным навыкам. Описывая возможность контроля имплантированного органа, Бергер писал: «Когда переключатель включен, крысы вспоминают; когда он выключен, они забывают». В другом эксперименте искусственный гиппокамп работал одновременно с настоящим. В результате повысилась способность крыс воспринимать новую информацию. Бергер писал: «Эти комплексные экспериментальные модели впервые показали, что… нейронные имплантаты способны в реальном времени идентифицировать процесс кодирования и манипулировать им, восстанавливая и даже улучшая когнитивные мнемонические процессы»[67]. Гиппокамп — из тех отделов мозга, которые в первую очередь повреждаются при болезни Альцгеймера, поэтому одна из целей данного исследования заключается в создании нейронных имплантатов, которые могли бы сглаживать первую фазу повреждений в ходе развития заболевания.

Мозжечок

Есть два способа поймать летящий мяч. Можно одновременно решить комплекс уравнений, описывающих поведение мяча, наклон вашего тела в соответствии с положением мяча и движения вашего тела, плеча и руки в пространстве и во времени.

Головной мозг использует другой подход. Он упрощает проблему, сводя множество уравнений к простой экспериментальной модели, исследуя лишь пространство, в котором мяч оказывается в поле нашего зрения, и скорость его перемещения. Тем же способом он контролирует и движение руки, делая в основном линейные предсказания относительно положения мяча и руки. Цель заключается в том, чтобы рука и мяч встретились в какое-то время в каком-то месте. Если кажется, что мяч движется слишком быстро, а рука чересчур медленно, мозг заставит руку двигаться быстрее навстречу мячу. Такое разрешение Гордиева узла сложных математических проблем называют «основными функциями» мозга, и происходит этот процесс в мозжечке — области мозга размером с кулак, расположенной в основании ствола мозга[68].

Мозжечок — отдел старого мозга, который когда-то контролировал практически все движения гоминидов. Он по-прежнему содержит половину всех нейронов мозга, но поскольку основная часть из них — сравнительно небольшие нейроны, на мозжечок приходится лишь около 10 % всей массы мозга. Это еще один отдел, характеризующийся повторяемостью своих структур. Мы мало знаем о том, как строение мозжечка закодировано в геноме, поскольку он представляет собой сочетание нескольких нейронов, повторяющихся миллиарды раз. Подобно новой коре, мозжечок имеет равномерную структуру[69].

Со временем новая кора взяла под свой контроль большую часть нашей мышечной деятельности, используя тот же алгоритм распознавания образов, который она применяет для узнавания и обучения. Функцию новой коры при выполнении движений мы вправе называть реализацией образов. Новая кора использует хранящиеся в мозжечке воспоминания для записи тонких набросков движений, таких как подпись или характерные элементы художественной манеры в музыке или танце. Изучение роли мозжечка в обучении детей письму показало, что клетки Пуркинье в мозжечке контролируют последовательность движений, причем каждая клетка чувствительна к определенной последовательности[70]. Поскольку большая часть наших движений теперь контролируется новой корой, даже довольно серьезные повреждения мозжечка приводят лишь к незначительной неловкости или неточности движений.

Новая кора также может обращаться к мозжечку за помощью для расчета основных функций в реальном времени, чтобы предсказать результат действий, которые мы никогда не делали, но собираемся совершить, а также реальных или возможных действий других людей. Это еще один пример врожденной предсказательной способности мозга.

Ученые достигли значительных успехов в моделировании поведения мозжечка, а именно его способности динамическим образом реагировать на сенсорные стимулы, используя те основные функции, о которых я говорил выше, как в восходящих (биохимических) моделях, так и в нисходящих моделях, основанных на математических расчетах функции всех повторяющихся единиц мозжечка[71].

Удовольствие и страх

Итак, новая кора хороша для решения различных проблем, но что же является нашей главной проблемой? Проблема, которую всегда приходилось решать в ходе эволюции, заключается в выживании вида. А выживание вида подразумевает выживание каждого из нас, и каждый из нас использует свою новую кору, чтобы интерпретировать эту задачу миллиардами разных способов. Животным для выживания нужно добывать себе пищу и при этом не стать пищей для кого-нибудь другого. А еще им необходимо воспроизводиться. Уже на самых ранних этапах эволюции мозга возникли ощущения удовольствия и страха, которые способствовали реализации этих важнейших целей и сопутствующих им задач. Постепенное изменение среды и конкурирующих видов приводило к соответствующим модификациям. С появлением иерархического мышления удовлетворение насущных потребностей стало более сложным процессом, поскольку должно было соответствовать широкому кругу идей внутри других идей. Однако, несмотря на значительное влияние новой коры, старый мозг все еще жив и по-прежнему использует такие мотивации, как удовольствие и страх.

С ощущением удовольствия связан участок мозга, называемый прилежащим ядром. В знаменитых экспериментах 1950-х гг. было показано, что крысы, способные напрямую стимулировать этот небольшой участок мозга (нажимая на рычаг, активировавший имплантированные электроды), предпочитали это занятие всем другим, включая секс и еду, доводя себя до истощения и смерти[73]. У человека ощущение удовольствия связано и с другими отделами мозга, такими как вентральный паллидум (бледный шар) и, конечно же, сама новая кора.

Удовольствие регулируется такими химическими веществами, как дофамин и серотонин. Я не буду подробно рассказывать об их действии, скажу только, что мы унаследовали их от наших древнейших предков, существовавших еще до появления млекопитающих. Задача новой коры заключается в том, чтобы сделать нас хозяевами страха и удовольствия, а не их рабами. Однако, учитывая широкое распространение различных зависимостей, приходится признать, что новая кора не всегда справляется с этой задачей. В частности, дофамин является нейромедиатором, участвующим в реакции удовольствия. Когда мы переживаем приятный момент — выигрываем в лотерею, получаем одобрение коллег, обнимаем любимого человека или просто заставляем друга улыбнуться новой шутке, — у нас в организме происходит выделение дофамина. Иногда мы, как те крысы, что умирали от голода, стимулируя свои центры удовольствия, тоже стремимся прийти к удовольствию по короткому пути, что далеко не всегда хорошо.

Например, азартные игры могут стимулировать выброс дофамина, особенно при выигрыше, который, в свою очередь, зависит от удачи. В принципе, азартные игры могут служить для повышения уровня дофамина, но, учитывая, что шансы исходно против вас (иначе модель игорного бизнеса не могла бы работать), регулярная игра вас разорит. Все другие зависимости чреваты аналогичными опасностями. Одна врожденная мутация гена дофаминового D2-рецептора связана с очень сильным ощущением удовольствия при первом контакте с вызывающим привыкание веществом или опытом, однако, как многие знают (но не всегда помнят), способность этих веществ вызывать удовольствие при продолжительном использовании постепенно ослабевает. Другая генетическая мутация приводит к тому, что в организме человека не происходит нормального выброса дофамина, что также может привести к поиску других источников удовольствия и развитию зависимостей. Эта незначительная часть населения с подобными генетическими нарушениями создает огромную социальную и медицинскую проблему для общества в целом. Даже те, кто избегает серьезной зависимости, вынуждены балансировать между дофаминовым вознаграждением и желанием избежать его негативных последствий.

Серотонин — еще один нейромедиатор, который играет важнейшую роль в регуляции настроения. При высоком уровне серотонина человек ощущает моральный подъем и удовлетворение. Но серотонин выполняет и другие функции, включая модуляцию синаптического напряжения, аппетита, сна, сексуального влечения и пищеварения. Такие антидепрессанты, как селективные ингибиторы обратного захвата серотонина (которые повышают уровень доступного для рецепторов серотонина), порой оказывают серьезное побочное действие (например, подавление либидо). В отличие от нормальных процессов в новой коре, в ходе которых распознавание образов и активация аксонов влияют лишь на небольшую часть нейронных цепей новой коры, эти вещества воздействуют на обширные области мозга или даже на всю нервную систему в целом.

Каждое полушарие мозга человека содержит миндалину (миндалевидное тело), состоящую из нескольких небольших долей. Это еще одна часть старого мозга, принимающая участие в различных эмоциональных реакциях, главной из которых является страх. У животных, стоящих на эволюционной лестнице ниже млекопитающих, некоторые предпрограммированные сигналы опасности поступают непосредственно на миндалины, запускающие реакции типа «борьба или бегство». У человека функция миндалин зависит от ощущения опасности, которое должно быть передано новой корой. Например, неудовольствие вашего начальника может стартовать подобную реакцию, вызывая у вас страх возможной потери работы (а может быть, и нет, если у вас есть запасной вариант). Если миндалины «решают», что вам грозит опасность, реализуется древний механизм: миндалины дают сигнал гипофизу выделить адренокортикотропный гормон, который, в свою очередь, стимулирует высвобождение гормона стресса кортизола из надпочечников, что приводит к приливу энергии к мышцам и нервной системе. Надпочечники также производят адреналин и норадреналин, которые подавляют функцию пищеварительной, иммунной и репродуктивной системы (поскольку в экстренной ситуации другие приоритеты). Повышается кровяное давление, а также уровень сахара, холестерина и фибриногена (который способствует свертыванию крови) в крови. Учащаются дыхание и сердцебиение. Даже зрачки расширяются и повышается острота зрения — так легче обнаружить врага или найти путь к отступлению. Все это чрезвычайно полезно, если вы сталкиваетесь с реальной опасностью, например с крупным хищником. Однако хорошо известно, что в современном мире частая активация механизма «борьба или бегство» может приводить к хроническим проблемам со здоровьем в форме повышенного артериального давления, высокого уровня холестерина и т. д.

Система регуляции уровня таких нейромедиаторов, как серотонин, и таких гормонов, как дофамин, весьма сложная и запутанная, и мы могли бы посвятить ей всю оставшуюся часть книги (замечу, что этой теме посвящено множество книг), но следует заметить, что скорость обработки информации в этой системе гораздо ниже, чем в новой коре. В функционировании этой системы участвует лишь несколько веществ, а их концентрация в головном мозге изменяется очень медленно и достаточно равномерно, тогда как новая кора состоит из сотен триллионов быстро изменяющихся связей.

Нужно сказать, что наши эмоциональные реакции происходят и в старой, и в новой части мозга. Мыслительные процессы осуществляются в новой коре, но чувства — продукт действия обеих частей мозга. Поэтому любая эмуляция человеческого поведения требует моделирования функции обеих частей. Но если мы хотим исследовать лишь познавательные способности человека, нам достаточно рассмотреть только новую кору. В таком случае мы можем заменить старый мозг прямой мотивацией небиологической новой коры. Например, в случае с Ватсоном была сформулирована задача: получить правильные ответы на вопросы «Джеопарди!» (однако для выбора стратегии использовалась другая программа, которая понимала суть игры). Задача новой версии Ватсона, созданной для медицинских целей совместными усилиями Nuance и IBM, заключается в том, чтобы помочь лечить людей. Перед будущими системами могут быть поставлены такие задачи, как полностью искоренять болезни или бороться с бедностью. В значительной мере система таких функций, как удовольствие и страх, для человека уже устарела, поскольку старый мозг эволюционировал задолго до того, как возникло даже самое примитивное человеческое общество. Во многом наш старый мозг аналогичен мозгу рептилий.

Между новым и старым мозгом человека идет постоянная борьба. Старый мозг пытается установить свой порядок, оперируя в рамках системы удовольствия и страха, тогда как новая кора пытается понять сравнительно простые алгоритмы старого мозга и научиться манипулировать ими для собственных нужд. Вспомним, что миндалины самостоятельно не могут оценить опасность — в мозге человека они опираются на сигналы новой коры. Этот человек друг или враг? Сторонник или предатель? Решить это может только новая кора.

Поскольку мы уже не участвуем в смертельных схватках с врагами и не охотимся, чтобы прокормиться, наша древнейшая мотивация, по крайней мере отчасти, уступила место творческим задачам. В следующей главе мы как раз и обратимся к теме любви и творчества[74].