Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем

Глава 5 Релятивистская теория мозга. Все решает пикотесла магнитного поля

Открытие того факта, что человеческий мозг опирается на динамические взаимодействия между обширными и широко распределенными популяциями сложных сетей нейронов, проливает свет на важнейшие и все еще не разгаданные тайны в области современных исследований мозга. Например, какие нейрофизиологические механизмы в процессе эволюции отвечали за слияние многих наших уникальных умственных способностей (таких как речь, модель психического состояния, изготовление орудий, общий и социальный интеллект, ощущение самих себя), позволив им объединиться и сформировать единый функциональный разум? Как мозг синхронизирует работу своих анатомических отделов, функционально связывая весь неокортекс, так что многие сенсорные сигналы, а также наши действия, абстракции и мысли сливаются в единый континуум? Каким образом мы на протяжении всей своей жизни обновляем и сохраняем воспоминания?

На поиски окончательных ответов на эти вопросы, вероятно, уйдет гораздо больше времени, чем я потратил на исследования за всю свою жизнь, но именно они движут мной и заставляют работать дальше в области системной нейробиологии. Я считаю, что нет более высокой цели, чем достичь более глубокого понимания этих важнейших проблем и найти их решение, исходя из предположения (и это серьезное предположение), что человеческий мозг способен полностью познать сам себя.

Если бы от меня требовалось в нескольких предложениях описать свою версию решения этих проблем исходя из нейрофизиологических принципов, рассмотренных в главе 4, я бы сделал это так. Мозг работает за счет рекурсивного смешения аналоговых и цифровых нейронных сигналов. Этот динамический процесс позволяет объединить нервную ткань в операционный континуум, задействованный в двунаправленном процессе взаимопревращения информации Шеннона и Гёделя (см. рис. 3.2). За счет рассредоточения энергии для физической записи информации Гёделя в нервную ткань (информация обладает прямой причинной эффективностью в отношении анатомических структур) мозг способен использовать входящие новые сигналы, описывающие окружающий мир, непрерывно обновляя свою внутреннюю модель реальности. И в итоге именно этот процесс проверок и обновлений собственной точки зрения мозга направляет действия нашей нервной системы в каждый момент времени.

Возможно, пока что эта моя догадка кажется многим читателем бессмыслицей. Но не стоит падать духом. В этой и нескольких последующих главах я разверну этот тезис и максимально доходчиво объясню, что у меня на уме — как в буквальном, так и в переносном смысле.

Мое решение главной проблемы нейробиологии сводится к тому, что я называю релятивистской теорией мозга. Исходные положения релятивистской теории мозга я изложил в книге «За пределами границ», и на протяжении последних восьми лет мы с моим другом Рональдом Сикурелом работали сообща, чтобы и дальше разъяснять ее догматы; в 2014 году мы в соавторстве написали на эту тему монографию «Релятивистский мозг: как он работает и почему машина Тьюринга не может его воспроизвести». Я выбрал термин «релятивистский» из-за его исторического смысла, чтобы выразить невозможность существования абсолютной системы отсчета для естественных феноменов. В других сферах исследований Аристотель и Галилей среди прочих тоже защищали «релятивистскую» природу человеческих концепций (этики и морали) и природных явлений (падение предметов). Немецкий философ Эммануил Кант ввел представление о том, что можно назвать релятивистской природой восприятия, предположив, что мы не можем напрямую воспринимать внешний мир, а можем лишь создавать ментальные изображения этой реальности, опираясь на наши чувства и мысли. Разделявший эту точку зрения уважаемый австрийский физик Эрнст Мах считал, что всякое движение можно описать только по отношению к остальной вселенной. Мах также применил релятивистский подход в обсуждении человеческого восприятия. В 1886 году в книге «Анализ ощущений» он вторил Канту: «Воспринимаемые нами объекты представляют собой просто наборы смысловых данных, связанных между собой правильным образом. Не существует никаких других предметов, не зависящих от наших чувств — никаких вещей в себе… Таким образом, мы знаем только кажущуюся сторону, но не саму вещь в себе — лишь мир наших ощущений. Поэтому мы никогда и не узнаем, существует ли вещь в себе. Следовательно, говорить о таких понятиях не имеет смысла».

Интересно, что идея Маха о восприятии мира прекрасно соотносится с новым взглядом на мир революционно настроенной группы художников, создавших направление импрессионизма во Франции в конце XIX века. В пику реалистической школе, исповедовавшей детальное превращение внешней реальности в фотографически точное изображение, импрессионисты горячо верили в то, что их главное дело заключается в изображении их внутреннего, субъективно личного видения мира. Как тонко подметил бразильский искусствовед Марио Педроса, импрессионисты предлагали «разжижить твердое и срезать углы, превращая все, от фасадов соборов до структуры мостов, в одну цветную и пятнистую массу по всей поверхности холста, без какой-либо иерархии».

Мне по душе такой подход!

В общем, идеи Маха хорошо резонируют с выбором слова «релятивистский» для обозначения новой теории функционирования мозга. И хотя кто-то может утверждать, что это Альберт Эйнштейн ввел наблюдателя в релятивистскую систему координат для описания всего космического пространства, на деле ни он, ни его предшественники или последователи не пытались сделать шаг вперед и выявить внутренние релятивистские механизмы работы мозга наблюдателя. К счастью, введение релятивистской теории функционирования мозга теперь открывает возможность всерьез поговорить о том, что происходит.

Если следовать нейрофизиологической версии рассуждений Маха, центральная аксиома релятивистской теории мозга утверждает, что общий принцип действия мозга млекопитающих основан на непрерывном сравнении внутренней модели мира (и тела самого субъекта) с бесконечным многомерным потоком сенсорной информации, достигающей нашей центральной нервной системы в каждый момент жизни. Из этого сравнения человеческий мозг для каждого из нас выводит ощущение самого себя и мозгоцентрическое описание окружающей вселенной. Следовательно, чтобы выполнить любую задачу — от расчета движения руки до построения самой сложной сети причинно-следственных связей, необходимых для конструирования космического корабля, — человеческий мозг постоянно создает ментальные абстракции и аналогии в поисках лучших совпадений между его внутренними нейронными моделями и его видением мира и необходимой работы. Все, что когда-либо материализовывалось внутри человеческой вселенной — от разговорной речи до создания новых орудий, сочинения симфоний или планирования и осуществления чудовищного геноцида, — должно было вначале появиться в чьей-то голове в виде ментальной абстракции или аналогии. Таким образом, прежде чем я начну выполнять рукой какое-то сложное действие, тысячи или даже миллионы нейронов коры должны будут на время объединиться и образовать органическую вычислительную машину (в эту функциональную единицу также вовлекаются тысячи субкортикальных нейронов, но для простоты пока не будем о них говорить и сконцентрируем внимание на коре). Эта единица — функционально интегрированная нейронная сеть — отвечает за расчет программы движения, согласно которой и выполняется само действие. Я называю эту программу внутренней ментальной аналогией движения, которое будет выполнено телом через несколько сотен миллисекунд. В таком случае, следуя принципам физиологии ансамблей нейронов, эта нейробиологическая единица представляет собой истинный аналог компьютера, симулирующего движения тела с помощью конкретной дистрибутивной картины нейронной активности. Однако в соответствии с принципом вырожденности каждый раз, когда должно совершиться действие, эту предшествующую ему ментальную работу выполняют разные комбинации нейронов.

В таком контексте главный вопрос заключается в том, каким образом мозгу удается так быстро формировать такие аналоговые компьютеры для каждого случая и как эти разные органические единицы могут надежно осуществлять точные движения — будь то движения скрипача, балерины, подающего в бейсболе или хирурга.

Второй принципиально важный вопрос: как согласуются локальный и общий режим действия мозга? На одном из уровней мозг использует для обмена информацией между нейронами электрические импульсы, называемые потенциалами действия. Цифровая природа этой информации определяется как бинарным способом создания этих потенциалов действия (все или ничего), так и точным расписанием их создания каждым отдельным нейроном из сети нейронов. Последовательности таких потенциалов действия передаются по аксонам нейронов; когда они достигают синапсов (концевых зон контакта между аксоном и другим нейроном), эти электрические сигналы вызывают высвобождение в синаптическую щель нейромедиаторов. Передача и обработка этих цифровых сигналов может быть описана с помощью теории информации Клода Шеннона, т. е. мы можем измерить информацию в этих сигналах в битах и байтах, как мы бы описали информацию, передающуюся по телефонным линиям или содержащуюся в символах в вашем компьютере.

Но мозг также опирается и на аналоговые сигналы нейронов, поскольку только они в полной мере способны обеспечить тип обработки информации, необходимый нашей центральной нервной системе для осуществления человеческих поведенческих реакций. Как обсуждалось в главе 3, я предполагаю, что кроме информации Шеннона мозг животных (и особенно человека) использует аналоговую информацию Гёделя для реализации функций и поведенческих реакций, отличающих животных от цифровых машин. Если говорить попросту, только аналоговый сигнал может представлять точную аналогию с физическими параметрами, с которыми мы сталкиваемся в природе, такими как электрическое напряжение или ток, температура, давление или магнитные поля. Подобно этим физическим параметрам, генерируемые нейронами сигналы тоже должны постоянно изменяться во времени, чтобы позволить мозгу правильно выполнять свою работу. При этом цифровая версия таких сигналов нейронов отражает лишь отдельные элементы из непрерывных спектров сигналов, отбираемые через какие-то предопределенные интервалы времени. И хотя точное время производимого нейроном электрического импульса можно задать цифровым способом, все генерируемые этими клетками мозга электрические сигналы, такие как их мембранный и синаптический потенциал, а также сам потенциал действия являются аналоговыми волнами с переменным во времени электрическим напряжением. Более того, общая электрическая активность мозга, складывающаяся из сочетания синаптических потенциалов и потенциалов действия миллиардов нейронов, тоже представляет собой аналоговый сигнал. На основании всего этого я предполагаю, что мозг животных и человека функционирует с помощью гибридного аналого-цифрового вычислительного механизма.

После нескольких лет изысканий мне стало ясно, что максимальная скорость проведения потенциалов действия нервными клетками (около 120 метров в секунду) недостаточна для объяснения скорости, с которой мозг выполняет некоторые из своих самых важных функций, таких как объединение многих когнитивных способностей в единый разум. Поэтому я начал искать аналоговый сигнал, который мог бы распространяться через весь мозг со скоростью, близкой к скорости самой быстрой вещи на свете — нет, речь идет не о принимающем игроке из команды «Филадельфийских орлов», а о чем-то еще более быстром вроде скорости света!

Одна из важнейших структурных особенностей человеческого мозга — наличие плотно упакованных пучков и петель нервных клеток, образованных десятками миллионов аксонов, ответственных за передачу быстрых последовательностей потенциалов действия из одной области мозга в другую (главы 2 и 4). Как выяснил Майкл Фарадей в начале XIX века, электрические токи создают магнитные поля. Аналогичным образом изменения магнитного поля приводят к спонтанному возникновению электрического тока в проводнике. Помня об этом, я начал размышлять о том, что все эти петли белого вещества в нашем мозге не просто проводят электричество, но покрывают мозг множеством изменяющихся во времени нейронных электромагнитных полей. Вот почему мне нравится называть белое вещество, соединяющее кортикальные и субкортикальные структуры, биологическим соленоидом.

Электрическое поле коры начали измерять с середины 1920-х годов с помощью метода электроэнцефалографии. Кроме того, на данный момент уже на протяжении нескольких десятилетий с помощью метода магнитоэнцефалографии измеряют и магнитное поле мозга. Однако этот последний метод в основном ограничивается анализом коры, поскольку пока еще не созданы достаточно чувствительные методы исследований, которые позволили бы ученым проникнуть в более глубокие слои мозга.

Релятивистская теория мозга предполагает, что крайне сложные пространственно-временные нейронные электромагнитные поля возникают в результате прохождения электрических потенциалов через множество биологических соленоидов, которыми усеян наш мозг.

Важно отметить, что эти биологические соленоиды образованы не только очень большим количеством петель нервов, но и мириадами других колец белого вещества разного размера, включая микроскопические кольца, образованные дендритами и аксонами небольших сетей нейронов. Учитывая такое общее анатомическое строение, релятивистская теория мозга предсказывает существование не только уже известных кортикальных полей, но и большого количества субкортикальных электромагнитных полей.

Я считаю, что ядром уникальных вычислительных способностей нашего мозга является рекурсивное взаимодействие между этими двумя классами мозговых сигналов — цифровых потенциалов действия и возникающих в результате их прохождения по нервам аналоговых электромагнитных полей (рис. 5.1). В этом контексте я предполагаю, что электромагнитные поля нейронов обеспечивают появление эмерджентных свойств нейронов, которые мы считаем необходимыми для проявления высших ментальных и когнитивных способностей человеческого мозга. Дело в том, что такие электромагнитные поля служат своеобразным физиологическим «клеем», необходимым для слияния всего неокортекса в единый органический компьютер, способный объединять все наши мыслительные способности, а также обеспечивать очень быструю координацию между кортикальными и субкортикальными отделами мозга. За счет всего этого мозг способен выступать в роли единого компьютера. Это происходит по причине того, что находящиеся вдали от равновесия множественные аналоговые электромагнитные поля мозга согласуются между собой и создают то, что я называю нейронным пространственно-временным континуумом. В таком контексте нейронное пространство и время сливаются точно так же, как в общей теории относительности Альберта Эйнштейна для всей вселенной.

Рис. 5.1. Две схемы рекуррентных аналогово-цифровых взаимодействий в коре, опосредованных нейронными электромагнитными полями (НЭМП), в соответствии с релятивистской теорией мозга. A: Нейроны создают ряд электрических потенциалов действия — основных производимых мозгом сигналов цифрового рода, которые затем, при передаче по пучкам нервов, могут создавать аналоговые сигналы — электромагнитные поля. B: Далее такие электромагнитные сигналы способствуют возникновению новых потенциалов действия в соседних нейронах (рисунок Кустодио Роса).

В целом, по моему мнению, это электромагнитное взаимодействие позволяет мозгу координировать и точно синхронизировать активность отдельных частей, даже если они разделены между собой пространством или временем. Как в теории Эйнштейна, где время и пространство «сворачиваются» из-за наличия массы, изменяя пространственно-временные отношения между предметами, я полагаю, что этот пространственно-временной континуум нейронов тоже может в некоем нейрофизиологическом смысле «сворачиваться». В результате это приводит к слиянию отдельных частей мозга, достаточно удаленных друг от друга физически, в единую нейрофизиологическую/вычислительную единицу. Я считаю, что этот феномен — в менее развитой форме — существует у всех высших млекопитающих. Но, как мне кажется, у человека образующийся нейронный континуум (или ментальное пространство, как мне нравится его называть) представляет собой аналоговый нейронный субстрат, из которого возникают все сложнейшие функции человеческого мозга.

Динамика ментального пространства зависит от нескольких факторов: пространственного распределения и состава нейронных ансамблей мозга; структурных особенностей нервных путей и петель белого вещества, связывающих эти кластеры нейронов; доступной для мозга энергии; различных типов нейромедиаторов в нервной ткани; а также наших воспоминаний, являющихся ключевым компонентом в определении собственной точки зрения мозга. На самом деле изменения одного, нескольких или многих отдельных компонентов (таких как пространственная конфигурация, плотность аксонов и уровень миелина в некоторых петлях белого вещества) вдобавок к увеличению объема мозга и количества нейронов, возможно, и были причиной столь значительного развития способностей мозга, произошедшего более чем за 6 миллионов лет эволюции гоминидов.

Чтобы проанализировать некоторые идеи, возникшие в рамках релятивистской теории мозга, мой аспирант в Университете Дьюка Вивек Субраманян создал модель рекуррентной аналого-цифровой вычислительной системы, в которой отдельные нейроны возбуждаются с образованием потенциалов действия цифрового рода, что может приводить к возникновению электромагнитных полей, которые в результате индукции вызывают следующий цикл возбуждения тех же нейронов. После нескольких циклов работы системы Вивек обнаружил, что при возбуждении очень небольшого набора нейронов с образованием единственного потенциала действия вся сеть распределенных в пространстве нейронов быстро эволюционирует и достигает состояния точной синхронизации, так что большинство образующих ее нейронов возбуждаются одновременно, создавая идеальные ритмические колебания. Такая точная синхронизация отдельных нейронов также сказывается на электромагнитных полях, возникающих при совместном действии нейронов этого ансамбля. Хотя эта простая модель не является окончательным доказательством, она подтверждает, что рекуррентные аналого-цифровые взаимодействия нейронов могут быть задействованы в механизме масштабной синхронизации, необходимой для связывания многих кортикальных и субкортикальных структур в единую вычислительную единицу. Кроме того, это исследование открывает путь к созданию на основе мозга аналого-цифровых вычислительных систем, которые в будущем могут оказаться более эффективными, чем современные цифровые алгоритмы машинного обучения, используемые для создания искусственного интеллекта в попытках имитировать поведение человека. Я считаю, что это возможно, поскольку рекурсивные аналого-цифровые вычислительные системы смогут решать задачи, которые считаются недостижимыми для современных цифровых компьютеров.

Получив эти первые результаты, Вивек, еще один сотрудник нашей лаборатории Гари Лехью и я попытались создать физическую версию этой компьютерной модели. Мы решили эту задачу путем прямого подсоединения электрических сигналов, производимых цифровой моделью широкой сети нейронов, к трехмерному диффузно-тензорному изображению группы спиралей белого вещества человеческого мозга, как показано на рисунке 5.2. В этой физической модели при прохождении электрического заряда по каждой спирали создается электромагнитное поле. В свою очередь, создаваемые биологическими спиралями электромагнитные поля индуцируют возбуждение цифровых нейронов системы. Такая физическая интерпретация «нейромагнитного реактора» описывает гибридный аналого-цифровой компьютер; подобные эксперименты позволяют наблюдать и подробно анализировать динамические операции, которые, как мы думаем, происходят внутри нашего мозга.

Рис. 5.2. A: Аналоговый компонент аналого-цифрового компьютера, созданного по подобию мозговых сетей, таких как представленная на рисунке B трехмерная модель организации пучков белого вещества коры, связанных с регуляцией моторной функции, которые ранее были обнаружены с помощью диффузионно-тензорного метода (рисунок Кустодио Роса).

Примечательно, что пока я описывал наш новый гибридный аналого-цифровой компьютер, созданный исходя из концепции мозгосетей, группа исследователей из Национального института технологических стандартов в Боулдере, в Колорадо (США), сообщила о своем опыте использования магнитных полей для создания нового измерения в кодировании информации для разработки «нейроморфного» устройства — машины для более точной имитации действий человеческого мозга. Их и наши находки показывают, что электромагнитные поля нейронов могут в ближайшем будущем стать активной темой исследований в области нейроморфных вычислений.

Один важный вопрос, возникающий в связи с этой аналого-цифровой моделью работы мозга, заключается в том, не влияют ли окружающие нас магнитные поля, такие как магнитное поле Земли, на активность нашего мозга. Этот вопрос вполне уместен, поскольку ученые обнаружили, что разные организмы способны чувствовать магнитное поле Земли, например некоторые бактерии, такие как Magnetococcus marinus, насекомые, нематоды, моллюски, морские угри, птицы и даже млекопитающие, включая лесных мышей, замбийских кротов-крыс, больших коричневых летучих мышей и рыжих лисиц. Для лис характерно удивительное охотничье поведение: они отслеживают мелких грызунов, передвигающихся по подземным ходам, в какой-то момент подпрыгивают вверх, а затем бросаются вниз головой в землю и хватают добычу. И эти прыжки осуществляются вдоль северо-восточного направления.

Способность многих видов животных ощущать магнитные поля также означает, что любые серьезные изменения магнитного поля Земли, такие как инверсии магнитного поля, происходившие на нашей планете в прошлом, могут повергнуть жизнь этих видов в хаос, в значительной степени влияя на их способность питаться и ориентироваться в пространстве. Интересным следствием этой идеи является гипотеза, согласно которой некоторые незначительные временные нарушения когнитивной функции, пережитые космонавтами, высадившимися на Луне при выполнении программы «Аполлон», возможно, были вызваны неврологическим эффектом, связанным с выходом из-под влияния магнитного поля Земли, окружавшего их с момента зачатия. Однако это еще нужно подтвердить.

В этом контексте, если считать, что нормальное функционирование человеческого мозга основано на крохотных нейронных электромагнитных полях, легко предположить, что создаваемые людьми магнитные поля, такие как поля МРТ, могут оказывать значительное воздействие на нашу ментальную активность. Вообще говоря, создаваемые этими устройствами магнитные поля в триллионы раз сильнее полей нашего мозга.

Одна из причин, почему ни магнитное поле Земли, ни большинство полей МРТ не влияют на наш мозг, заключается в том, что оба типа полей являются статическими и поэтому не могут заставить нейроны возбуждаться и создавать электрические импульсы. А переменные градиентные магнитные поля МРТ изменяются с гораздо более высокой частотой, чем низкочастотные (0–100 Гц) электрические сигналы, распространяющиеся в мозге. Иными словами, человеческий мозг в основном нечувствителен к большинству магнитных полей, существующих в природе или созданных искусственным путем. Тем не менее под влиянием полей, создаваемых аппаратами для магнитно-резонансной томографии, некоторые пациенты сообщают о незначительных неврологических эффектах, таких как головокружение или металлический привкус во рту. Если подвергнуть людей воздействию гораздо более сильных полей, чем те, что создаются такими аппаратами, возможно, эти эффекты усилятся и проявятся какие-то другие.

Новые доказательства влияния нейромагнитных полей на функционирование мозга появились благодаря созданию технологии транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Если на голове пациента закрепить проводящую металлическую катушку специфической формы и пропустить через нее электрический ток, возникающие низкочастотные магнитные поля могут как индуцировать возбуждение нейронов коры, так и ингибировать его. И поэтому применение транскраниальной магнитной стимуляции в разных участках мозга способно вызывать длинный и все растущий список нейрофизиологических и поведенческих реакций.

Кроме синхронизации на уровне сетей нейронов, нейронные магнитные поля оказывают еще одно действие, о котором до последнего времени почти ничего не было известно. Рисунок 5.3 показывает, что мозг можно рассматривать в качестве многослойной структуры, работающей путем тесной интеграции многих уровней обработки информации — от атомного/квантового уровня до уровня молекул, генов, химических реакций, клеточных органелл, клеток и сетей нейронов. Для правильной работы мозг должен обеспечивать идеальную синхронность информационных потоков между этими уровнями, связанными множественными петлями с упреждающей и обратной связью. Каждый уровень — это открытая система, и взаимодействия между ними, скорее всего, являются нелинейными и даже попросту не поддающимися вычислению, что означает, что они не могут быть опосредованы одними лишь алгоритмическими и (или) цифровыми процессами. Интеграция всех этих уровней обработки информации в единую операционную единицу достигается только через аналоговый сигнал, способный вызывать эффект на всех уровнях разрешения одновременно. Электромагнитные поля соответствуют этому строгому требованию. Таким образом, электромагнитные сигналы нейронов обеспечивают работу мозга в качестве интегральной вычислительной системы, опосредуя функцию и обмен информацией между всеми уровнями ее обработки — от квантового уровня до сетей нейронов.

Рис. 5.3. Разные уровни организации мозга, на которые электромагнитные поля нейронов могут оказывать прямое и одновременное воздействие (рисунок Кустодио Роса).

В целом релятивистская теория мозга пытается учесть различные наблюдения, выходящие за пределы возможностей интерпретации в рамках традиционных теорий нейробиологии, таких как классическая модель зрения с упреждающей связью, предложенная Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем. Например, вводя понятие собственной точки зрения мозга, релятивистская теория мозга дает физиологическое объяснение тех наблюдений, которые привели к формулировке принципа контекста. Теория предполагает, что у животных в разных поведенческих состояниях (под наркозом, бодрствующих и полностью подвижных или бодрствующих, но обездвиженных) наблюдается разное динамическое состояние мозга. И по этой причине «собственная точка зрения мозга» очень сильно различается у животных под наркозом, у которых она фактически отсутствует, и у животных, активно вовлеченных в анализ окружающего пространства, у которых собственная точка зрения мозга выражена в полной мере. Поскольку ответ мозга на один и тот же сенсорный стимул зависит от сравнения входящего сенсорного потока с существующей у мозга собственной моделью мира, вызванные сенсорными стимулами реакции должны в значительной степени различаться в состоянии под наркозом или в полном бодрствовании/подвижности. Именно это и наблюдается в самых разных экспериментах на животных, затрагивающих тактильные, вкусовые, слуховые, зрительные и обонятельные системы. И то же самое должно быть справедливо для людей в разном эмоциональном состоянии. Например, хорошо известно, что иногда во время боя солдаты временно не испытывают боли, которая в нормальной ситуации была бы мучительной и невыносимой.

Вообще говоря, пример боли хорошо иллюстрирует идею о том, что сложный мыслительный опыт может создаваться за счет взаимодействия электромагнитных полей нейронов, описывающих ментальное пространство. Хотя уже идентифицированы нейроны, связанные с разными аспектами ноцицепции (т. е. обработки информации, связанной с болью), мы еще не понимаем, каким образом действие дистрибутивных сетей нейронов многих кортикальных и субкортикальных структур создает сложное интегральное ощущение боли (с учетом разнообразных факторов, включая спектр эмоций). Например, не удается выявить полный спектр связанных с болью ощущений и эмоций путем электрической стимуляции какого-либо отдельного участка коры, который, как было показано, участвует в возникновении боли.

В соответствии с релятивистской теорией мозга, сложность в идентификации конкретного источника болевого ощущения объясняется тем, что боль или любая другая сложная ментальная или когнитивная функция возникает в результате взаимодействий нейронов, распределенных на обширном участке нервной ткани, и созданных ими электромагнитных полей. В рамках релятивистской терминологии ощущение боли зависит от сочетания многих факторов (локализации и интенсивности боли, воспоминаний о предыдущих ноцицептивных стимулах и эмоционального состояния). Таким образом, предполагая, что боль возникает в аналоговом элементе мозга под действием цифровых сигналов нейронов и мнемонических образов, объединяющихся и создающих специфические электромагнитные поля, мы можем идентифицировать механизм, посредством которого эмоциональные, контекстуальные и исторические факторы играют столь важную роль в модуляции входящих ноцицептивных сигналов с периферии тела, и определить, почему одни и те же ноцицептивные сигналы не всегда вызывают одинаковые субъективные ощущения боли.

Другие клинические данные также подтверждают существование аналогового компонента в мозговых процессах. Например, интересный ряд явлений, известных как расстройства схемы тела, согласуется с релятивистской теорией мозга и возможной физиологической ролью электромагнитных полей нейронов. Самое известное явление из этого ряда — ощущение фантомной конечности, уже описанное в главе 3. Это часто наблюдаемое явление, при котором потерявшие конечность пациенты продолжают ощущать ее присутствие. После ампутации большинство людей не только чувствуют отсутствующую конечность, но и сообщают о мучительных болях в конечности, которой больше нет.

В процессе работы над проектом «Снова ходить» я вновь столкнулся с явлением фантомной конечности. Все пациенты с параличом нижних конечностей, участвовавшие в нашей программе упражнений, испытывали фантомные ощущения в нижней части тела после начала обучения использованию интерфейса «мозг-машина» для контроля движений ног виртуального футболиста. На первой фазе упражнений пациенты погружались в виртуальную реальность, что позволяло им с помощью электроэнцефалической активности управлять движениями виртуального футболиста, получая синхронизированные зрительные и тактильные сигналы, описывающие виртуальную прогулку по футбольному полю. Зрительная обратная связь осуществлялась через очки виртуальной реальности, а тактильная информация, отражающая момент соприкосновения ноги футболиста с поверхностью земли, поступала за счет стимуляции кожи предплечий. При взаимодействии с этим интерфейсом «мозг-машина» и источником виртуальной реальности все пациенты вновь испытывали отчетливое ощущение владения собственными ногами. Они сообщали, что чувствовали, как ноги движутся и касаются земли, хотя их ноги оставались парализованными, а двигались лишь ноги виртуального игрока. Для нас это было большим сюрпризом, учитывая, что описанное тактильное ощущение передавалось через предплечье пациента. Каким-то образом, наблюдая за перемещением виртуального игрока по виртуальному футбольному полю и испытывая на предплечье тактильный стимул, соответствующий контакту ноги виртуального игрока с поверхностью земли, мозг парализованных пациентов генерировал живое фантомное ощущение. В некоторых случаях это ощущение вызывало у наших пациентов слезы из-за эмоционального переживания того, что они словно вновь передвигаются на собственных ногах.

Существует и проблема иного рода, когда пациенты с когнитивным дефицитом навыков высокого порядка, так называемым односторонним пространственным игнорированием, не способны ориентироваться и действовать в пространстве, локализованном со стороны, противоположной поврежденной стороне теменной доли. Одностороннее пространственное игнорирование чаще всего наблюдается у пациентов с обширными повреждениями коры правого полушария. После обширного инсульта или травматического повреждения теменных областей с правой стороны пациенты не узнают левую сторону собственного тела и внешнего пространства. Жертв такого поражения легко распознать, поскольку они оставляют левую сторону тела неодетой и неухоженной. Кроме того, если их просят пройти через длинный коридор, повернуть налево и войти в дверь, такие люди обычно проходят чуть дальше вперед, поворачивают направо, а затем, когда достигают нужной двери, вновь поворачивают направо, чтобы выполнить инструкцию. Если их просят нарисовать часы, висящие перед ними на стене, такие пациенты изображают замкнутый круг, а затем размещают все цифры, соответствующие часам, на правой части рисунка.

Релятивистскую теорию мозга подтверждает и другой удивительный пример — иллюзия резиновой руки, при которой здоровый человек сообщает, что рука манекена ощущается как его собственная биологическая рука. Для создания этой иллюзии одну руку человека удаляют из его поля зрения и размещают перед ним руку и кисть манекена. Затем экспериментатор на протяжении 3–5 минут синхронным образом дотрагивается до спрятанной руки человека и до руки манекена. И когда экспериментатор прекращает дотрагиваться до руки человека, но продолжает дотрагиваться до руки манекена, большинство людей воспринимают руку манекена как свою собственную.

Ощущение фантомной конечности, одностороннее пространственное игнорирование и иллюзия резиновой руки позволяют предположить, что головной мозг имеет априорный внутренний и постоянно действующий образ тела, который очень быстро изменяется в соответствии с переживаемым опытом. Этот внутренний образ тела отвечает за все сенсорные и аффективные пути, посредством которых мы воспринимаем обладание собственным телом. Канадский нейробиолог Рональд Мелзак назвал этот образ тела нейроматрицей и предположил, что некоторые его составляющие определяются наследуемыми генетическими факторами. Однако Мелзак не указал ни на один возможный нейрофизиологический механизм, поддерживающий это внутреннее, создаваемое нейронами представление тела с момента нашего рождения и до самой смерти.

Очевидно, что ни ампутированная конечность, ни резиновая рука манекена не создают тактильных или проприоцептивных импульсов, поэтому классическое объяснение восприятия, предложенное Хьюбелом и Визелем, никак не может учесть эти явления. Дело в том, что их классическая теория предполагает, что для восприятия любого тонкого соматосенсорного ощущения, поступающего от конечности, ее боли или движения, в ней должны создаваться соответствующие тактильные, болевые или проприоцептивные сигналы, которые затем передаются по периферическим нервам и сенсорным путям в наш мозг, где сначала из этих стимулов извлекаются ключевые сенсорные свойства, а затем они каким-то образом связываются в цельное перцептивное описание конечности. Теория Хьюбела и Визеля также не может ответить на вопрос о том, какой механизм используется для решения задачи создания цельного многомерного восприятия объекта или нашего собственного тела. Поскольку эти условия не соблюдаются в случае феноменов фантомной конечности, одностороннего пространственного игнорирования и иллюзии резиновой руки, для них требуется другое объяснение. Более того, никакие элементы модели Хьюбела и Визеля не объясняют слияние множества сенсорных и аффективных ощущений, посредством которых мы обычно ощущаем самих себя.

По моему мнению, многие явления, связанные с существованием у нас в мозге схемы тела (и ощущения самих себя), могут быть описаны исключительно в соответствии с ожиданиями мозга (аналоговой ментальной абстракции) относительно конфигурации тела человека, которая, хотя и заложена изначально в наших генах, активно адаптируется и поддерживается на протяжении всей жизни. Согласно этой точке зрения, мозг создает внутри себя ожидание того, что должно иметься в теле человека, на основании комбинации накопленных воспоминаний, исходно заложенных нашим генетическим багажом (например, что тело имеет две руки и две ноги), и перцептивного опыта, накопленного за всю жизнь. В каждый момент жизни мозг непрерывно проверяет точность этого внутреннего образа тела, соответствующего его собственной точке зрения, путем анализа входящих сенсорных сигналов, непрерывно передаваемых от тела центральной нервной системе. Пока этот образ подтверждается периферическими сигналами, все хорошо, и мы воспринимаем наше тело во всей его целостности. Но если происходит значительное изменение потока периферической сенсорной информации (например, когда конечность ампутирована или скрыта из поля зрения), возникает несоответствие между содержащимся в мозге образом тела, созданном нейронами, и его реальной физической конфигурацией в данных условиях. В результате этого расхождения люди с ампутированной конечностью испытывают живое ощущение, исходящее от уже отсутствующей конечности, или, в случае иллюзии резиновой руки, воспринимают руку манекена в качестве своей собственной. Повреждения элементов кортикальных сетей, ответственных за создание этих ожиданий мозга, как в случае с односторонним пространственным игнорированием, в значительной степени изменяют восприятие физических границ нашего собственного тела.

В иллюзии резиновой руки кондиционирующая фаза, по-видимому, настраивает человека на восприятие последующего прикосновения к резиновой руке как к коже его собственной. Это происходит по той причине, что на стадии выработки рефлекса человек видит кисточку, касающуюся резиновой руки, и ощущает тактильную стимуляцию собственной руки, скрытой из его поля зрения. Это создает зрительно-тактильную ассоциацию, которая потом запускается каждый раз при прикосновении к резиновой руке. Мы подтвердили эту гипотезу, показав, что отдельные нейроны в первичной соматосенсорной коре обезьяны, натренированной решать аналогичную задачу, начинают отвечать на зрительные стимулы после кондиционирующей фазы, заключавшейся в синхронной стимуляции виртуальной и собственной лапы обезьяны. До кондиционирования эти клетки не отвечали на зрительные стимулы — лишь на тактильные сигналы, исходящие от конечностей.

В целом релятивистская теория предлагает объяснение этих явлений, постулируя, что ощущение самого себя и образ тела возникают благодаря широко распределенным электромагнитным полям, создаваемым многими кортикальными и субкортикальными структурами, которые участвуют в определении мозговой схемы тела.

Первые обнадеживающие доказательства гипотезы о роли электромагнитных полей нейронов в формировании сложных когнитивных функций, таких как построение схемы тела и создание ощущения боли, следуют из многочисленных данных по низкочастотной (обычно 1 Гц) транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) коры головного мозга людей с ощущением или болью фантомной конечности, односторонним пространственным игнорированием или хроническими нейропатическими болями. К моему счастью, ТМС также применяли к коре людей, испытывавших иллюзию резиновой руки. Если говорить коротко, эти научные данные показывают, что подобная стимуляция различных областей коры может ослаблять боль в фантомных конечностях у значительного числа пациентов. Сообщалось, что транскраниальная магнитная стимуляция левой части теменной коры приводит к клиническому улучшению в случае левостороннего пространственного игнорирования. Кроме того, было показано, что стимуляция зоны на границе затылочной и височной долей явно усиливает эффект иллюзии резиновой руки по сравнению с фиктивной стимуляцией. Наконец, ТМС также позволяет улучшить ситуацию при нейропатической боли.

Интересно, что накапливаются доказательства возможного влияния ТМС на мозг на разных уровнях его организации — генетическом, молекулярном, синаптическом и клеточном. И хотя большинство исследователей считают, что эффекты ТМС опосредованы главным образом индукцией электрического тока в нейронах, нельзя исключить, что ТМС также может оказывать прямое магнитное действие на нервную ткань. Подобный эффект согласуется с представлением о том, что индуцированные магнитные поля могут влиять на физические, химические и биологические системы. В 2015 году в обзорной статье о TMC в журнале Frontiers in Human Neuroscience Александр Червяков и его коллеги выдвинули интересную идею о том, что создаваемые стимуляцией низкочастотные электромагнитные волны могут влиять на ткани мозга одновременно на квантовом, генетическом и молекулярном уровне. Поскольку известно, что крупные молекулы и даже клеточные органеллы деформируются под действием магнитного поля, ТМС может модулировать или даже изменять многие опосредованные ими функции нейронов. Это имеет принципиальное значение в случае белковых комплексов, которые, как мы знаем, важны для таких функций мозга, как пластичность и обучение, а также приобретение, накопление и сохранение воспоминаний. Эта последняя возможность представляется одновременно очень важной и вероятной, учитывая, что вызванный ТМС эффект иногда сохраняется на протяжении еще шести месяцев после окончания лечения. В общем, это означает, что техника ТМС способна вызывать долгосрочные пластические изменения сетей нейронов, что имеет непосредственное отношение к нашему рассказу.

Хотя возможность непосредственного магнитного влияния ТМС на головной мозг поддерживает мою точку зрения о формировании нашего внутреннего образа тела в аналоговом процессе, обнаружение влияния ТМС на пластичность нейронов подкрепляет гипотезу о том, что электромагнитные поля нейронов также обладают причинной эффективностью в отношении нервной ткани. Это возможно потому, что такие электромагнитные поля играют ключевую роль в процессе физического встраивания гёделевской информации в сети нейронов. Если это подтвердится последующими экспериментами, данная концепция позволит понять, что нейрофизиологические процессы формирования наших воспоминаний включают в себя нечто вроде электромагнитного протравливания нервной ткани. С моей точки зрения, этот процесс может происходить за счет обширного влияния электромагнитных полей на синхронную модуляцию трехмерной структуры (и, следовательно, функции) большого числа внутриклеточных белков нейронов и синаптических белков по всей коре. В результате одновременного действия на всю кортикальную мантию этот механизм отвечает за увеличение и уменьшение числа синапсов и силу отдельных синапсов. Кроме того, этот механизм может объяснить хорошо известную делокализованную природу наших воспоминаний, которые хранятся не в каком-то одном ограниченном участке, а обычно распределены по обширным областям неокортекса.

С другой стороны, электромагнитные поля также участвуют в считывании этих воспоминаний и их трансляции в распределенные пространственно-временные картины электрической активности нейронов. Таким образом, электромагнитные волны, несущие высокоразмерную гёделевскую информацию, за счет индукции преобразуются в низкоразмерную шенноновскую информацию (см. рис. 3.2), выражающуюся в виде потоков электрических импульсов нейронов, которые легко транслируются в движения тела, речь и другие формы коммуникации, по большей части основанные на цифровых сигналах.

Я считаю, что идею о хранении долгосрочных воспоминаний в распределенном виде по всей ткани коры гораздо легче объяснить с помощью аналого-цифровой модели, чем с помощью одной лишь цифровой. На самом деле без учета аналогового компонента мозга очень трудно понять, каким образом кортикальные сети, характеризующиеся сложной и постоянно изменяющейся микроконнективностью, на протяжении всей жизни буквально мгновенно находят определенный тип информации, необходимый для появления воспоминаний.

Возможная роль нейронных электромагнитных путей в записи гёделевской информации в нервную ткань также согласуется с распространенным мнением о том, что одна из важнейших функций цикла сна заключается в консолидации воспоминаний, накопленных за предшествующий период бодрствования. В целом на электроэнцефалограмме (ЭЭГ) при смене разных фаз цикла сна можно идентифицировать разнообразные, точно синхронизированные нейронные осцилляции. Во время глубокого сна на ЭЭГ доминируют высокоамплитудные низкочастотные кортикальные осцилляции (0,5–4,0 Гц), известные как дельта-волны. Эти низкочастотные осцилляции многими рассматриваются в качестве основного компонента механизма, снижающего количество нежелательных метаболитов и обеспечивающего их выведение. В ночное время за эпизодами медленноволнового сна следуют краткие периоды быстрого движения глаз (БДГ), когда в активности коры преобладают быстрые гамма-осцилляции нейронов (30–60 Гц), напоминающие осцилляции в фазе бодрствования. Именно в фазе БДГ мы можем видеть сны. Фазу БДГ связывают с консолидацией воспоминаний и моторным обучением. В соответствии с релятивистской теорией мозга, во время цикла сна электромагнитные поля нейронов не только могут обеспечивать связь, необходимую для установления различных состояний синхронности в работе мозга, но также являются движущей силой для формирования воспоминаний, участвуя в процессах консолидации или уничтожения сформировавшихся за день синапсов. В таком контексте сны возникают в качестве одного из побочных продуктов работы аналого-цифрового вычислительного устройства, ответственного за тонкую еженощную настройку микросетей нейронов, необходимую для поддержания и уточнения наших мнемонических данных.

В целом релятивистская теория мозга предлагает новую концепцию биологического механизма рекурсивного аналого-цифрового вычисления для создания сложных и, по-видимому, невычислимых человеческих когнитивных способностей, таких как интуиция, догадки, творческий потенциал и умение решать задачи. Ученые, работавшие над созданием искусственного интеллекта в последние полстолетия, до настоящего времени испытывали непреодолимые трудности в попытках имитировать какие-либо из этих основополагающих человеческих когнитивных функций в цифровом варианте, и потому я называю их невычислимыми элементами. Как обсуждается в главе 6, я предполагаю, что эти и многие другие уникальные ментальные атрибуты человека невозможно ни свести к алгоритмической формулировке, ни симулировать с помощью какой-либо цифровой системы. Однако рекурсивная аналого-цифровая стратегия вычислений в сочетании со способностью физической записи гёделевской информации, которая обладает причинной эффективностью в отношении нервной ткани и легко преобразуется в шенноновский сигнал, может быть элементом нейрофизиологического механизма, лежащего в основе таких ментальных способностей нашего мозга.

Существование аналогового уровня дает мозгу животных еще один уровень пластической адаптации. На самом деле, если электромагнитные поля объединяют кору в континуум нейронов, в принципе, любая часть коры способна опосредовать (хотя бы частично) решение конкретной задачи. Например, когда люди временно или навсегда слепнут, их зрительная кора быстро (за несколько секунд или минут) включается в обработку тактильной информации, особенно когда они учатся читать рельефные знаки шрифта Брайля, водя по ним кончиками пальцев. Если бы это происходило исключительно за счет образования новых связей между ранее не связанными нейронами, было бы трудно объяснить, каким образом зрительная кора так быстро начинает решать новые задачи. На самом деле, если бы наша центральная нервная система опиралась только на цифровой метод функционирования и передачу шенноновской информации через потоки потенциалов действия по нервным клеткам, это вообще было бы невозможно. Путем подсоединения аналогового механизма, описываемого мной и заключающегося в действии электромагнитных полей (со скоростью света) на расстоянии, человеческий мозг, возможно, приобрел мощный дополнительный уровень гибкости и избыточности, позволяющий выполнять такие трюки за кратчайшие отрезки времени.

В соответствии с релятивистской теорией мозга, перцептивный опыт, приобретаемый в моменты бодрствования, требует полного вовлечения биологических соленоидов мозга на высокой синхронной частоте для создания в мозге сложных сочетаний электромагнитных полей, которые в конечном итоге обеспечивают богатство и непредсказуемость нашего осознанного опыта. Незрелость нейронных электромагнитных полей у человека в раннем возрасте может объяснять, почему отчетливое ощущение самих себя появляется у маленьких детей только через несколько месяцев после рождения: это время требуется для созревания количества белого вещества, необходимого для создания достаточно сильных электромагнитных полей, объединяющих мозг в континуум нейронов, на основе которого формируется ощущение самого себя и реализуется главный декартовский принцип нашего вида: сogito ergo sum.

Серьезные нарушения нормального функционирования нейронного пространственно-временного континуума также объясняют возникновение у людей широкого спектра мозговых патологий. Нормальное функционирование мозга опирается на правильную синхронизацию процессов на разных уровнях, и многие, если не все, мозговые нарушения могут быть результатом патологической гипер- или гипосинхронизации различных пространственных компонентов нейронного пространственно-временного континуума. Я не хочу сказать, что не существует генетических, метаболических или клеточных факторов, ответственных за появление этих патологических нейрофизиологических состояний, однако вполне возможно, что главные признаки и проявления любого мозгового нарушения являются результатом неправильной синхронизации нейронов между некоторыми участками нейронного континуума, формирующего центральную нервную систему. Например, за последние десять лет в нашей и других лабораториях было показано, что болезнь Паркинсона связана с появлением у нейронов хронической, умеренно выраженной активности эпилептического типа, которая характеризуется патологическим высокочастотным синхронным возбуждением в бета-диапазоне (12–30 Гц). Эти аномальные осцилляции активности нейронов наблюдаются в моторных сетях фронтальной коры (где локализуются моторные и премоторные зоны), а также в базальных ядрах и таламусе.

После этого открытия в 2009 году сотрудники нашей лаборатории опубликовали статью в журнале Science (см. Fuentes et al.), в которой показали, что при подаче высокочастотных электрических стимулов через микрочип, встроенный в поверхность спинного мозга грызунов (мышей и крыс), удается в значительной степени ослабить заторможенность движений, типичную для болезни Паркинсона. В этих экспериментах клинические проявления болезни вызывали путем генетических или фармакологических манипуляций, приводивших к значительному дефициту дофамина.

До электрической стимуляции животные совершенно не могли двигаться из-за заторможенности тела, возникавшей одновременно с обширной гиперсинхронизацией моторной системы на бета-частоте. Однако после внедрения в спинной мозг микрочипа в головной мозг начинали поступать высокочастотные электрические сигналы, и бета-активность эпилептического типа прекращалась. При этом животные начинали двигаться, как в нормальных условиях. Одно из важнейших наблюдений, сделанных в рамках этого исследования, заключалось в том, что такая электрическая стимуляция спинного мозга эффективна не только при постоянном действии. Примерно часа терапевтического воздействия в день оказалось достаточно для того, чтобы мыши и крысы двигались на протяжении нескольких дней или даже целой недели.

Пятью годами позднее мы воспроизвели эти результаты на модели болезни Паркинсона у приматов. А с 2009 года эффект этого нового потенциального метода лечения внимательно изучали на пятидесяти пациентах с болезнью Паркинсона на развившейся стадии с тяжелой формой заторможенности движений. За исключением двух случаев, в которых отсутствие терапевтического эффекта, вероятно, было связано с техническими проблемами адаптации нашего метода для применения на людях, все пациенты испытывали в ходе лечения значительные улучшения в отношении моторики и даже других серьезных проявлений болезни. Этот пример прекрасно показывает, насколько новая интерпретация патофизиологии болезни Паркинсона и других мозговых нарушений, предлагаемая релятивистской теорией мозга, может быть полезна в качестве первого шага к развитию будущих методов лечения неврологических и психиатрических нарушений, считающихся ныне неизлечимыми.

Поскольку развитие болезни Паркинсона никогда не связывали со спинным мозгом, наши результаты вызвали большое удивление, так как прежде все нефармакологические методы лечения этого заболевания подразумевали электростимуляцию моторных структур, таких как базальные ядра, которые непосредственно связаны с его возникновением. Однако если такие первичные клинические данные подтвердятся в ходе клинических испытаний на большей выборке, электростимуляция спинного мозга станет весомой альтернативой основному современному хирургическому методу лечения пациентов с болезнью Паркинсона, называемому глубокой стимуляцией мозга. Я считаю, что стимуляция спинного мозга представляет собой не только более простое, краткосрочное и менее рискованное хирургическое вмешательство, но и вызывает меньше серьезных побочных эффектов. Такую имплантацию сможет осуществить любой нейрохирург без специальной подготовки. Более того, при необходимости такие спинномозговые имплантаты легко удаляются. Наконец, имплантаты стоят намного дешевле, чем глубокая стимуляция мозга, а этот фактор в наши дни нельзя недооценивать.

Следуя этой линии рассуждений, за последние десять лет мы с моим бывшим аспирантом и сотрудником Кафуи Дзиразой показали, что аномальный уровень синхронизации активности нейронов в животных моделях некоторых неврологических и психиатрических нарушений проявляется. И опять же, эти наблюдения были сделаны в серии модельных экспериментов мозговых нарушений у трансгенных мышей и крыс. В любой животной модели мозговой патологии, которую мы изучали (мания, депрессия, обсессивно-компульсивное расстройство), мы неизбежно идентифицировали наличие патологических уровней нейронной синхронизации в разных областях мозга или даже в сетях всего мозга в целом. Эти эксперименты на животных позволили получить веские доказательства в пользу предположений релятивистской теории мозга о том, что значительное количество заболеваний мозга — не что иное, как результат нарушения возбуждения нейронов, известного в клинической неврологии как фокальная (парциальная) хроническая эпилепсия. На самом деле один из выводов из этого предположения заключается в отсутствии строгих классических границ, которые в медицине традиционно устанавливали между неврологическими и психиатрическими нарушениями. Важно, что в рамках релятивистской теории мозга все эти проблемы связаны с возбуждением нейронов, так что их можно объединить в одну группу в качестве различных подтипов мозговых патологий.

В техническом плане релятивистская теория мозга предполагает, что конкретные клинические проявления и симптомы, характеризующие каждое мозговое нарушение, являются результатом неправильной (патологической) укладки континуума нейронов, описывающего ментальное пространство. Под неправильной укладкой я подразумеваю вовлечение конкретной мозговой сети (пространственного компонента всего ментального пространства) в аномальную синхронизацию. Гиперсинхронизация нейронов, как в случае болезни Паркинсона, может происходить из-за избыточной укладки ментального пространства, тогда как гипосинхронизация возникает из-за недостаточной укладки. Следовательно, появление концепции непрерывного ментального пространства становится полезным в самом практическом смысле, поскольку позволяет ввести в клиническую нейробиологию тот же тип математики (неэвклидову геометрию Римана), который использовал Эйнштейн в общей теории относительности. В сочетании с принципами физиологии ансамблей нейронов, перечисленными в предыдущей главе, это позволяет даже создать новый раздел алгебры, описывающий укладку коры в нормальных и патологических условиях.

Размышления в этом направлении также помогают понять, почему в большинстве случаев трудно осуществить однозначную дифференциальную диагностику заболевания, особенно с учетом многообразия известных науке типов психиатрических заболеваний. Нормальное функционирование мозга связано со взаимодействиями между корой и субкортикальными структурами, и то же самое должно быть справедливо при нарушении функционирования. Таким образом, признаки и симптомы у конкретного пациента могут быть проявлением широкого круга различных типов психиатрических заболеваний. Размышления о мозге в релятивистском аспекте помогают понять, почему у двух разных пациентов с одним и тем же заболеванием не приходится ожидать абсолютно одинакового набора его клинических проявлений и симптомов. При сравнении клинических симптомов у разных пациентов наблюдается значительная вариативность, приводящая к широкому спектру поведенческих фенотипов. Это помогает объяснить, почему так трудно найти типичные, хрестоматийные случаи традиционно выделяемых типов психиатрических заболеваний.

Еще одно подтверждение связи многих неврологических и психиатрических нарушений с аномальным уровнем синхронизации нейронов следует из хорошо известного наблюдения: некоторые противосудорожные препараты эффективны при лечении больных с другими клиническими проявлениями (например, с биполярным расстройством), хотя у нас нет внятного объяснения их эффективности в таких случаях — лишь эмпирические данные. Релятивистская теория мозга в некоторой степени проливает свет на это явление, предполагая, что эти препараты действуют путем ослабления парциальной эпилептической активности, вызванной патологической укладкой ментального пространства, из-за которой у пациента могут возникать основные симптомы.

До этого момента я в основном описывал патологические изменения уровня электрической синхронизации в разных мозговых сетях и их возможное влияние на симптомы и клинические проявления у пациентов, страдающих от того или иного мозгового нарушения. В рамках релятивистской теории мозга приходится признать, что эти патологические уровни синхронного возбуждения нейронов препятствуют формированию оптимальных электромагнитных полей нейронов. Если это так, то основные постулаты релятивистской теории мозга помогают объяснить глубокие нарушения настроения и цикла сна, измененное чувство реальности, восприятие личности, галлюцинации, бред и параноидальные мысли, являющиеся хорошо известными элементами психиатрических нарушений.

Возможную клиническую роль аномального формирования электромагнитных полей можно проиллюстрировать на примере еще одного очень распространенного мозгового нарушения — аутизма. За последние десять лет многие исследования с визуализацией головного мозга детей с аутизмом показали значительное нарушение функциональной связи между многими зонами коры. Это результат нарушения развития дистанционных связей между удаленными друг от друга на большое расстояние участками коры. Таким образом, в соответствии с релятивистской теорией, основные симптомы аутизма возникают как непосредственное следствие нарушения формирования «биологических соленоидов» из белого вещества, таких как верхний продольный пучок, создающих электромагнитные поля, отвечающие за образование континуума кортикальных нейронов. Возможно, такое нарушение приводит к аномально низкому уровню синхронизации кортикальных нейронов, или гипосинхронизации (в результате недостаточности укладки ментального пространства). Это согласуется с теорией о том, что именно такой разрыв функциональных связей в коре отвечает за коммуникационные, когнитивные и социальные нарушения у детей с аутизмом. Однако я должен заметить, что у детей с аутизмом гораздо чаще, чем в норме, возникает эпилептическая активность, которая может проявляться локально в отдельных зонах коры, возможно, в результате общего снижения количества кортико-кортикальных связей.

Подтверждение такого представления об аутизме появилось в нашей лаборатории за последние пару лет в рамках работы молодого сотрудника из Южной Кореи Бобе Ан. Сначала Бобе Ан установила, что в процессе ухаживания самцы мышей, подобно певчим птицам, исполняют сложные ультразвуковые напевы самкам, с которыми собираются совокупиться. Регистрируя одновременно мозговую активность самцов и самок, Бобе наблюдала появление сложной картины синхронизации между двумя животными. Интересно, что эта межмозговая синхронизация производила волну, распространявшуюся от задней части мозга животных к передней. Далее Бобе повторила эти эксперименты с генетически модифицированными самцами мышей с социальным дефицитом, примерно как при аутизме, взаимодействовавшими с нормальными самками. Бобе показала, что эти генетически модифицированные самцы поют меньше, чем нормальные мыши, и это может объяснить, почему они не устанавливают физический контакт с самками. Интересно, что когда Бобе одновременно регистрировала мозговую активность самок и социально нефункциональных самцов, она выявила отсутствие синхронной межмозговой активности в направлении от затылка ко лбу. Именно такой тип гипосинхронизации, возможно, имеет место у детей с аутизмом при общении с братьями и сестрами или другими людьми.

Но если эпилепсия так широко распространена и может быть связана с большинством патологий центральной нервной системы, почему ее не так часто диагностируют в лабораторных исследованиях? Дело в том, что универсальный метод диагностики эпилептической активности — электроэнцефалография головы — позволяет с очень высокой точностью обнаруживать патологический уровень синхронизации нейронной активности только в самой поверхностной части головного мозга человека, т. е. в коре. Если имеет место хроническая парциальная эпилепсия средней тяжести, ограниченная глубокими субкортикальными областями мозга, ЭЭГ не выявляет какой-либо электрической аномалии, по крайней мере на ранних стадиях заболевания. Регистрация таких повреждений просто-напросто остается за пределами возможностей современной электрофизиологической технологии в применении к человеку.

Но на подопытных животных эта проблема не распространяется. Например, в нашей лаборатории мы регулярно встраиваем от десятков до сотен микропроводников глубоко в мозг мышей, крыс или обезьян для измерения характера активности нейронов, которую невозможно изучать с помощью ЭЭГ. Этот подход позволяет понять, могут ли парциальные повреждения умеренной тяжести ограничиваться субкортикальными зонами и вызывать поведенческие реакции такого типа, как мы наблюдаем у пациентов. Именно таким образом мы с Кафуи обнаружили множество связанных с различными мозговыми нарушениями типов эпилептической активности умеренной тяжести в разных сетях нейронов.

Моя теория о том, что повреждения нейронов определяют общий нейрофизиологический путь клинического проявления большинства мозговых нарушений, также подтвердилась в серии клинических исследований, показавших, что эпилептическая активность часто наблюдается у пациентов с болезнью Альцгеймера — еще одним из самых распространенных мозговых нарушений нашего времени. В обзоре на эту тему в 2017 году Кейт Воссел с коллегами указывали, что наличие повреждений может приводить к ускоренной деградации когнитивной функции. Еще одно подтверждение этой связи следует из наблюдения о возможном положительном эффекте низких доз противосудорожных препаратов для пациентов с болезнью Альцгеймера, у которых на ЭЭГ наблюдаются изменения эпилептического типа. Если все эти данные подтвердятся, это может в значительной степени изменить наш подход к лечению пациентов с болезнью Альцгеймера в будущем. Я убежден, что в будущем не лекарства, а нейроимплантаты такого типа, как мы создали для изучения болезни Паркинсона, или продвинутые неинвазивные методы типа ТМС станут стандартным методом лечения значительного числа мозговых нарушений, включая те, которые сегодня относят к психиатрическим заболеваниям.

Это будущее представляется возможным благодаря многочисленным обнадеживающим разработкам и открытиям в формирующейся сфере нейромодуляции. Например, сейчас научное сообщество постепенно приходит к консенсусу относительно идеи о том, что многократные сеансы ТМС в области дорсолатеральной префронтальной коры эффективно ослабляют симптомы хронической депрессии. ТМС все еще не настолько эффективна, как электросудорожная терапия, до сих пор являющаяся наиболее эффективным методом лечения в случае тяжелой формы депрессии, но она показала положительные результаты в нескольких исследованиях на случайных выборках. Однако главным недостатком нового подхода является то, что пациенты должны часто приходить в больницу или клинику, чтобы проходить сеансы ТМС под наблюдением врачей. Ввиду этого важного ограничения я полагаю, что наш метод электростимуляции спинного мозга может быстро стать альтернативным способом лечения таких пациентов. Наши предварительные результаты уже показывают, что он позволяет ослаблять симптомы депрессии у пациентов. Поскольку это лечение осуществляется с помощью встроенного в спинной мозг нейрочипа без необходимости наблюдения специалиста, пациенты смогут проходить лечение постоянно или по периодическому расписанию стимуляции (например, по часу в день) в домашних условиях и им не придется регулярно посещать клинику. Аналогичным образом, если подтвердится роль кортикальных повреждений в развитии болезни Альцгеймера, в теории можно представить, что электрическая стимуляция спинного мозга также будет использоваться для частичного устранения когнитивного дефицита у таких пациентов или даже для замедления развития заболевания.

Существует интересная перспектива того, что в будущем ТМС спинного мозга воспроизведет результаты, которые мы получили с нашими имплантатами. На самом деле я предвижу сценарий, при котором пациенты с болезнью Паркинсона или Альцгеймера, депрессией и многими другими мозговыми патологиями смогут осуществлять ежедневные лечебные процедуры дома в терапевтическом кресле, в спинку которого встроена портативная система ТМС. В таком случае, пока пациент удобно сидит и читает книгу на протяжении часа или около того, встроенная в кресло система ТМС неинвазивным путем осуществляет электромагнитную стимуляцию спинного мозга, которая требуется для лечения пациента с мозговыми нарушениями[13]. Если в один прекрасный день такая домашняя терапия мозговых нарушений будет реализована на практике, мы станем свидетелями гигантского прорыва в организации клинической помощи и в улучшении качества жизни миллионов пациентов, страдающих от разнообразных мозговых нарушений, не говоря уже о колоссальном сокращении расходов нашей системы здравоохранения.

Забавно, что, если терапия мозга на основе магнитных полей когда-нибудь достигнет предполагаемой мною степени распространенности, она подкрепит популярное и рожденное столетия назад мнение о том, что магнетит (природный камень с магнитными свойствами) обладает некой лечебной магнитной силой. Эту идею в XIII веке распространял англичанин Бартоломью, который писал: «Этот тип камня [магнит] возвращает мужей к женам и увеличивает элегантность и шарм речи. Кроме того, как и мед, он лечит водянку, раздражительность, лисью чесотку и ожоги… Если [магнит] положить на голову целомудренной женщины, яды его немедленно ее окутают, [но] ежели она прелюбодейка, то вскочит сама с постели, убоявшись наваждения».

Как бы удивился Бартоломью, если бы увидел, насколько далеко мы продвинулись в использовании электромагнетизма в медицинских целях!

Прежде чем продолжить, я хочу отдать должное тем, кто до меня изучал электромагнитные свойства нейронов в качестве возможного субстрата для построения общей теории функционирования мозга. За последние шестьдесят лет несколько исследователей выдвигали гипотезы о том, что слабые электромагнитные поля нейронов играют ключевую роль в функционировании человеческого мозга. Одна из первых попыток создать теорию мозга была сделана адептами гештальттерапии, которые считали, что для понимания нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе высших когнитивных функций, следует изучать мозг глобально, а не как мозаику из отдельных частей. На основании этого философского подхода в начале 1950-х годов два известных сторонника гештальтпсихологии, Арон Гурвич и Вольфганг Кёлер, выдвинули идею о том, что электрические поля, создаваемые большими популяциями нейронов, таят в себе секреты человеческого восприятия. Тезис Гурвича и Кёлера решительно отвергали некоторые современные им американские нейробиологи (такие как Карл Лешли и лауреат Нобелевской премии Роберт Сперри), которые в конце 1950-х годов разработали и провели несколько экспериментов на животных с целью опровергнуть заявление Кёлера. Хотя в большинстве современных учебников по психологии говорится, что эти эксперименты успешно доказали несостоятельность идеи Кёлера, когда я через шестьдесят лет вновь обратился к исходным результатам Сперри и Лешли, я не понял, как это возможно. Интересно, что тогда, в 1950-х годах, этого не понял и сам Кёлер. Причина нашего с Кёлером скептицизма заключается в том, что из экспериментов Сперри или Лешли вовсе не следовало, что электромагнитные поля не играют никакой роли в функционировании мозга. Например, Лешли в своих экспериментах наносил на большую часть поверхности мозга обезьяны множество полосок золота. Другому животному он ввел в ограниченные области зрительной коры в обоих полушариях десяток золотых шпилек. Лешли утверждал, что эти манипуляции должны ослабить электрические поля, о которых говорил Кёлер, и тем самым ухудшить способность обезьяны решать зрительные задачи. Далее Лешли в одном эксперименте протестировал обеих обезьян, проверив их способность выполнять очень простую зрительную задачу, которой они обучились до имплантации золотых полос и шпилек. Поскольку обе обезьяны справились с заданиями так же хорошо, как раньше, Лешли заключил, что опроверг теорию Кёлера. Забавно, что Лешли никогда не пытался использовать более сложное визуальное задание или хотя бы зарегистрировать активность мозга во время эксперимента. Хотя Сперри был менее категоричен в интерпретации собственных результатов, он сообщал, что имплантация танталовых шпилек в головной мозг кошек не нарушает зрительное восприятие животных.

С учетом того, что нам известно о мозге сегодня, оба этих грубых вида манипуляций с корой ничего не говорят о влиянии электромагнитных полей на работу мозга (или его отсутствии). Говоря попросту, вопреки представлениям Лешли и Сперри, использованные ими золотые или танталовые имплантаты не могли оказывать значительного влияния на электромагнитные поля мозга. И по этой причине из их экспериментов ничего не следует. Любопытно, что на протяжении последних семидесяти лет любые новые теории в сфере функционирования мозга немедленно опровергались большинством нейробиологов с отсылкой на эти грубые, неполноценные и неубедительные эксперименты. Но идея продолжала жить, хотя и в научном подполье современной нейробиологии.

Позднее, пытаясь объяснить нелокальный аспект памяти, американский нейробиолог и бывший коллега Карла Лешли Карл Прибрам предположил, что мозг может работать как лазерная голограмма. В рамках его модели локальные электрические волны активности нейронов коры, создаваемые главным образом на уровне дендритов, интерферируют друг с другом, запасая информацию в виде серии локальных голограмм. Поэтому, в соответствии с идеей Прибрама, кора содержит не одну, а много таких локальных голограмм, организованных в виде так называемой голономии. Основанную на этих представлениях теорию Прибрама стали называть голономной теорией функционирования мозга. Выдвигая эту теорию, Прибрам находился под значительным влиянием работы американского физика Дэвида Бома.

Также важно подчеркнуть, что еще в 1942 году Анжелик Арванитаки показала, что, если аксоны гигантского кальмара разместить в непосредственной близости от среды с пониженной проводимостью, один аксон может подвергаться деполяризации за счет активности, возникающей в соседнем нервном волокне. Это явление стали называть эфаптическим взаимодействием нейронов. Недавние исследования показали, что похожие взаимодействия могут индуцироваться или модулироваться путем наложения на нервную ткань электромагнитных полей.

В 1990-х годах заслуженный американский нейрофизиолог из университета Нью-Йорка Эрвин Рой Джон вновь подогрел интерес к электромагнетизму нейронов, предположив, что электромагнитные поля нейронов могут заставлять отдельные нейроны, уже находящиеся у порога возбуждения, производить потенциал действия. Э. Р. Джон считал, что не отдельные нейроны, а популяции нейронов являются теми функциональными единицами, которые в мозге животных отвечают за вычисления и в конечном итоге делают из них разумных существ. Таким образом, единственный способ осуществлять идеальную синхронизацию активности гигантского числа повсеместно распределенных нейронов (что необходимо для выполнения всех главных неврологических функций мозга) заключается в использовании преимущества слабых — но достаточных для выполнения конкретного задания — электромагнитных полей. С помощью таких полей идеальная синхронизация нейронов всей коры достигается очень быстро. Много лет назад Э. Р. Джон прислал мне один из своих последних обзоров на эту тему, который я вновь изучил, когда писал данную книгу. Я нашел в нем идеи, очень похожие на те, что представлены здесь в рамках моей собственной теории.

Примерно пятнадцать лет назад молекулярный генетик Джонджо Макфадден из Университета Суррея вывел теорию, названную им теорией осознанной электромагнитной информации, в которой предположил, что сознание и другие мозговые функции высшего порядка определяются электромагнитной активностью нейронов. Макфадден опубликовал серию статей, где излагал подробности своей теории и бесчисленные результаты работ других лабораторий, которые могли ее подтвердить. Однако, как это произошло с идеями Гурвича и Кёлера, а потом с идеями Э. Р. Джона, подавляющее большинство нейробиологов вновь отринули идею о наличии какой-либо роли электромагнитных полей в функционировании мозга.

Электромагнетизм — одна из четырех фундаментальных сил, действующих в природе. И по этой причине электромагнитные поля повсеместно обнаруживаются в космосе, а их величина колеблется от невероятного числа гигатесл, как в случае магнетаров (массивных нейтронных звезд), до нескольких микротесл, как в случае поля вокруг Земли, действующего в качестве защитного экрана, без которого жизнь на нашей планете была бы невозможна. На краю гелиосферы — гигантского магнитного пузыря, определяющего пределы солнечного магнитного поля, распространяющегося за границы орбиты Плутона, — сила магнитного поля Солнца достигает своего минимального значения — порядка сотни пикотесл. Если разделить этот солнечный минимум на 100, получится значение, близкое к силе магнитного поля человеческого мозга, — 1 пикотесла. Поэтому не приходится удивляться, что мало кто из нейробиологов пытался учитывать потенциальную роль столь слабого поля в создании большинства, если не всех, наших самых ценных мозговых функций. Я не считаю, что такая быстрая смена позиции уже полностью оправдывается экспериментальными результатами. Скорее, ситуация обратная: вопрос о важной роли электромагнетизма нейронов для функционирования мозга остается столь же открытым, как и в начале 1950-х годов. И по этой причине я постоянно представляю себе, как мы будем удивлены однажды в ближайшем будущем, когда получим очевидные экспериментальные доказательства, демонстрирующие, что для построения всей человеческой вселенной нужна лишь 1 пикотесла магнетизма.