Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Наисложнейшей и в то же время самой удивительной из всех систем, предоставленных в наше распоряжение Природой, является, пожалуй, человеческий мозг. При вскрытии черепной коробки хирург видит перед собой кажущуюся однородной серую массу, пронизанную тончайшими нитями; в действительности же все это — невообразимой сложности сеть, состоящая из нервных клеток.

Во второй половине девятнадцатого века итальянцу Камилло Гольджи удалось окрасить отдельные нервные клетки, сделав их тем самым видимыми. Некоторые из сотен клеток, впитав красящее вещество, приобретали вследствие этого ржаво-красный цвет. На рис. 16.1 представлена схема нервного узла с многочисленными разветвлениями, называемыми за их форму дендритами. Разумеется, для того, чтобы разглядеть реальную клетку, необходим микроскоп: диаметр нервных клеток, или нейронов, составляет всего лишь тысячные доли миллиметра. Человеческий мозг состоит приблизительно из ста миллиардов нейронов; это число сопоставимо с количеством звезд во всем Млечном Пути. Наряду с нейронами в мозге существуют еще и так называемые клетки глии, обеспечивающие нейронам опору, защиту и питание. (Согласно новейшим исследованиям, нейроглии способны также выполнять функции нервов, однако об этом известно пока еще очень мало.) Нервные клетки часто упорядочены в слои; некоторые исследователи считают, что внутри таких слоев и даже между ними существуют колончатые структуры, в которых особым образом «соединенные» клетки образуют некие функциональные единства.

^{Рис. 16.1. Нервная клетка}

Когда речь идет о «соединении», имеется в виду множество связей между нейронами, пронизывающих мозг, подобно телефонным кабелям или проводам — некоторые из таких кабелей связывают соседние клетки, другие же тянутся дальше, подобно кабелям трансокеанской связи, и служат для соединения отдаленных друг от друга отделов мозга (рис. 16.2), выполняя функции своего рода телефонной сети и точно так же перенося электрические сигналы. Правда, при этом применяется код, принципиально отличный от азбуки Морзе. Если азбука Морзе основана на чередовании точек и тире, то код, используемый нейронами, включает в себя одни только точки. Для обеспечения передачи информации столь скудными средствами Природа распорядилась так, что «точки» могут выстраиваться в последовательности, передаваемые с различной скоростью. Нейроны же, по всей видимости, способны обрабатывать «входящие» сигналы и передавать их дальше, другим нейронам.

^{Рис. 16.2. Скопление нервных клеток}

В ходе экспериментов в нейроны вводились тончайшие электроды, при помощи которых ученые могли исследовать электрические процессы, протекающие в отдельных нервных клетках.

«Бабушкины клетки»

В объяснении мыслительных процессов наука пока продвинулась не слишком далеко, но все же было проведено несколько интересных экспериментов, позволяющих сделать выводы о принципах действия по меньшей мере нескольких отдельных клеток или даже целых областей головного мозга. Так, например, Дэвид Хьюбел и Торстен Визел проводили опыты с шимпанзе, во время которых животным предлагались подвижные и неподвижные объекты в виде световых полос. Через глаза сигнал передавался в мозг шимпанзе, где и попадал в определенную зону, отвечающую за зрительное восприятие. В эту зону исследователями были введены электроды, с помощью которых изучались реакции отдельных нервных клеток на предъявляемые подопытному животному объекты. В ходе эксперимента было сделано удивительное открытие: ученые установили, что каждый раз на определенные внешние раздражители реагируют совершенно определенные клетки. К примеру, существуют клетки, реагирующие не только на саму полосу, но и на пространственную ориентацию этой полосы. Это означает, что, когда шимпанзе показывают полосу, расположенную в пространстве определенным образом, некая клетка отправляет огромное количество кодовых «точек» (или, придерживаясь научной терминологии, «испускает множество нервных импульсов»). Если же полосу развернуть примерно на 90 градусов, данная клетка практически прекращает реагировать на раздражитель (рис. 16.3). Кроме того, были обнаружены клетки, определенным образом реагирующие на движение полос. При этом создавалось впечатление, что нервные клетки ведут себя так, будто они принадлежат какому-то другому, более высокоорганизованному уровню мозга, и способны самостоятельно обрабатывать получаемые от клеток сетчатки сигналы таким образом, что в конце концов соответствующие специфические реакции обнаруживаются уже в самих этих клетках.

^{Рис. 16.3. Реакция отдельной нервной клетки на пространственную ориентацию полосы, попадающей в поле зрения подопытного животного}

Иными словами, это выглядело так, словно здесь протекает своего рода вычислительный процесс, результат которого и определяет реакцию клетки на раздражение: на словах такой результат соответствует высказыванию типа «полоса расположена вертикально» или «полоса расположена горизонтально».

Эти данные могут подкрепить одну выдвигавшуюся ранее гипотезу о функционировании мозга, объяснявшую, как именно мозг осуществляет распознавание образов. Согласно этой соблазнительной гипотезе, в мозге существуют некие особые клетки, которые способны распознавать не только полосы как таковые, но и, к примеру, целые лица. В специальной литературе эти гипотетические клетки шутливо называются «бабушкины клетки», потому что именно благодаря им каждый из нас и оказывается способен узнавать собственную бабушку. Большинство ученых отмежевалось от этой гипотезы; с одной стороны, несмотря на усиленные поиски, никому до сих пор так и не удалось обнаружить (например у тех же шимпанзе) клеток, которые распознавали бы составленное из полос изображение. В то же время, благодаря результатам исследований различных повреждений мозга (например при несчастных случаях), нам стало известно, что функции мышления или памяти не имеют строгой локализации в какой-то одной области мозга, а распределены в довольно обширных зонах. Сегодня наука склоняется к предположению, что, имея дело с такими функциями мозга, как восприятие, память и мышление, следует говорить об уже упоминавшемся коллективном эффекте, который означает, что в подобных процессах задействована отнюдь не одна, а гораздо большее количество нервных клеток. Однако если речь идет о больших группах нейронов, функционирующих «коллективно», то встает вопрос о том, каким же образом такое взаимодействие можно обнаружить; именно этим вопросом мы вскоре и займемся.

Но сначала во избежание недоразумений следует сделать еще одно замечание. Из вышесказанного можно было бы заключить, что отдельные способности (например зрение или слух) связаны с деятельностью всего мозга целиком, но это далеко не так. Уже давно известно (опять-таки благодаря исследованиям, связанным с травмами мозга), что за определенные функции — зрение, слух, обоняние, говорение — отвечают вполне определенные участки мозга. Кстати, речевых центров даже два: один занимается формой, т. е. грамматикой, а второй — содержанием, т. е. лексикой. Благодаря использованию новых медико-физических вспомогательных средств стало возможно воочию убедиться в распределении функций между различными участками мозга: чем активнее деятельность определенной зоны, тем интенсивнее она снабжается кровью. Интенсивность кровотока можно также исследовать физико-химическими методами, рассматривать которые подробнее в этой книге мы не будем; при помощи аппарата, аналогичного рентгеновскому (хотя в основе его работы лежат совершенно иные физические процессы), можно увидеть, какие участки мозга интенсивнее других снабжаются кровью, и узнать таким образом, за какой вид деятельности несет ответственность тот или иной участок (рис. 16.4). Перед нами вновь в высшей степени интересный с точки зрения синергетики случай взаимодействия огромного множества отдельных систем.

^{Рис. 16.4. Изменение кровоснабжения отдельных участков мозга при смене вида деятельности: движение, говорение и т, д,}

Теперь о процессах, протекающих в отдельных областях мозга — к примеру, в области, отвечающей за зрительное восприятие. Существуют математические модели, описывающие протекание подобных процессов; например, в основе одной из таких моделей лежит предположение о существовании всего двух типов нейронов, что возвращает нас к экспериментальным данным, показывающим, что одни нейроны усиливают нервные импульсы, а другие, напротив, гасят их, подавляя сигнал. Поначалу существование последних, выполняющих функцию, так сказать, торможения, может удивить. Однако их работа на самом деле чрезвычайно важна: без них мы оказались бы жертвами непрекращающегося воздействия на наш мозг всевозможных раздражителей, снова и снова возбуждающих нейроны.

Следует также рассмотреть вопрос о принципиальном тестировании подобных моделей деятельности мозга. Важнейшим во всех системах, исследуемых нами в этой книге, является коллективное взаимодействие отдельных элементов; в данном случае такими элементами будут нейроны — основные элементы нервной системы.

Процессы возбуждения в мозге: гипотезы и эксперименты

Ранее — особенно в главах, посвященных рассмотрению физических и химических процессов, — уже было показано, что одни и те же структуры могут быть образованы совершенно различными системами. Например, как в жидкости, так и в воздухе может возникнуть одинаковое упорядоченное движение молекул, наблюдаемое на макроскопическом уровне. При этом мы снова и снова сталкивались с тем, что эти процессы нисколько не зависят от взаимосвязей между отдельными элементами системы. Постоянное возникновение одних и тех же структур обусловлено лишь тем, что система оказывается в неустойчивом состоянии.

Когда американский биоматематик Джек Коуэн, принимавший участие в симпозиуме, посвященном развитию синергетики, узнал об упомянутых аналогиях (в частности, о возникновении ячеистых структур в жидкости), ему в голову пришла смелая идея: он увидел связь между галлюцинациями и образованием в мозге макроскопической структуры, состоящей из возбужденных нейронов. Люди, находящиеся под воздействием наркотиков (к примеру, ЛСД), сообщают о возникновении перед ними довольно типичной картины: они видят что-то похожее на концентрические круги, или разворачивающуюся спираль, или расходящиеся из одного центра лучи (рис. 16.5). К моменту появления у Коуэна предположения о взаимосвязи между галлюцинациями и образованием в мозге упорядоченных структур, состоящих из возбужденных нейронов, у него уже были разработки, относящиеся к математической теории переноса изображения, поступающего на сетчатку, на участок коры головного мозга, отвечающий за зрительное восприятие. Отображения такого рода могут быть наглядно представлены следующим образом. В сетчатке имеются нервные клетки, называемые рецеп-торными; такие клетки способны преображать в нервный импульс попадающий на них свет (мы не рассматриваем здесь этот сложный процесс подробно — за рамками нашего рассмотрения остается, в частности, вопрос о том, осуществляется ли подобная трансформация отдельной клеткой или же целым комплексом таких клеток). Во всяком случае, сигнал от этой — условно говоря — клетки передается через нервные тяжи на совершенно определенный участок коры головного мозга. Смежные клетки на сетчатке имеют особую «телефонную связь» со смежными же клетками коры. Однако если мы привлечем гипотезу Дж. Коуэна для объяснения того, каким образом становится возможным четырехугольное отображение на поверхности коры круглых изображений с сетчатки, мы обнаружим удивительное обстоятельство. Появляющиеся при галлюцинациях картины соответствуют прямым полосам структуры, возникающей при этом в мозге и состоящей из возбужденных нервных клеток, причем структуры эти отличает друг от друга только направленность полос (рис. 16.5). Коуэну даже удалось свести возникающие при галлюцинациях сложные образы к первичным структурам, и в частности, к уже хорошо известным нам ячеистым образованиям.

^{Рис. 16.5. Теория возникновения галлюцинаций, предложенная Дж.Коуэном. Слева: структуры, воспринимаемые людьми, находящимися под воздействием наркотиков. Справа: упорядоченные структуры, возникающие в мозге, согласно гипотезе Коуэна}

Как же следует понимать совокупность описанных фактов? При приеме наркотических средств происходит, по всей видимости, дестабилизация функций мозга, вследствие чего прежнее состояние покоя и равновесия сменяется на новое макроскопическое состояние, характеризующееся новой пространственной структурой из возбужденных нейронов. Таким образом, перед нами картина, аналогичная той, что наблюдается при нагревании слоя жидкости: сначала жидкость находится в состоянии покоя, а затем — при нагревании — она приходит в движение, т. е. изменяет свое макроскопическое состояние. При приеме наркотических веществ также достигается определенная концентрация наркотика в крови, приводящая к дестабилизации деятельности мозга; нейроны начинают бурно испускать огромное количество импульсов, причем — что интересно — испускать их не просто один за другим, а совершенно неупорядоченно. Разумеется, мы ни в коем случае не утверждаем, что в физическом смысле мозг начинает двигаться подобно нагреваемой жидкости; мы лишь пытаемся наглядно представить аналогию, обоснованную чисто математически.

В настоящее время подобные идеи могут рассматриваться всего лишь как умозрительные построения. Не исключено, что их можно проверить экспериментальным путем, но совершенно очевидно, что на данном этапе развития методов исследования мозга подобные эксперименты неосуществимы. До сих пор изучались только импульсы, испускаемые одной отдельной клеткой, в которую введен микроэлектрод; для обнаружения же такого рода возбуждений в различных клетках необходимо, очевидно, одновременное использование целого ряда электродов. В этой области для ученых открываются, несомненно, весьма захватывающие исследовательские перспективы[25].

Может показаться весьма и весьма гипотетичным положение, согласно которому множество нейронов испускают импульсы одновременно и в полном соответствии с некоторым определенным образцом. Однако в ходе исследований мозга был обнаружен феномен, при котором действительно наблюдалась подобная корреляция и синхронизация нервных импульсов. Речь идет о возникновении в мозге электромагнитных волн, которые могут быть сняты и измерены посредством электро- и магнитоэнцефалографии. Совершенно особую картину можно получить, снимая такого рода показания во время, например, приступа эпилепсии (рис. 16.6).

^{Рис. 16.6. Электроэнцефалограмма при нормальной деятельности мозга (вверху) и во время приступа эпилепсии (внизу)}

Упорядоченные структуры, образуемые возбужденными нейронами (в данном случае это временные колебания), связаны, как мы видим, с процессом, свойственным определенному заболеванию. С этой точки зрения временные колебания, возникающие во время приступа эпилепсии, абсолютно аналогичны образующимся в мозге в результате приема наркотических средств пространственным структурам, до сих пор продолжающим оставаться всего лишь гипотезой. Интересно, что унификация поведения множества нейронов подразумевает некую патологию: нам, разумеется, отнюдь не следует делать из этого вывод, что мышление никак не связано с эффектами корреляции — как раз наоборот. Если мы вообразим себе нейроны в виде ламп, вспыхивающих в момент возбуждения, то мы увидим постоянно изменяющуюся картину загорающихся и гаснущих огоньков, и определить при этом, каким образом мигание этих огоньков складываются в единую картину, весьма и весьма непросто. Настолько непросто, что на настоящий момент нам приходится довольствоваться лишь относительно непрямыми указаниями на возможность согласованного во времени функционирования многих нейронов.

Особенности процесса мышления

Многое говорит за то, что мышление осуществляется цельными блоками. Совершенно ясно, что человек, изучающий иностранный язык в стране, где этот язык является родным, часто сначала выучивается пользоваться целыми предложениями, затем узнает значения отдельных слов и, наконец, обучается свободно строить новые предложения, просто варьируя и меняя уже известные слова. Причем дело здесь отнюдь не в особенностях различных методик обучения языку. При обучении правописанию имеет место обратный эффект, т. е. мы применяем аналитический метод, заключающийся в разложении слова на составляющие его элементы и последующем определении правильного варианта написания. Однако все это лишь, так сказать, попутные замечания.

С блочным мышлением знакомы и шахматисты. На шахматной доске находится по шестнадцать фигур белого и черного цвета, и каждая фигура при этом имеет собственное значение (слон, пешка, конь, ладья, ферзь, король). Начинающий шахматист обучается поначалу только отдельным возможным для каждой фигуры движениям, которые и применяет в ходе игры, мысленно представляя себе различные варианты ходов и просчитывая их последствия: каким образом он сможет защитить собственную ладью или взять ферзя противника. Гроссмейстеры же, напротив, размышляют о конфигурации в целом: они видят перед собой целостную картину, которая и определяет их последующие ходы, и не задумываются о движении отдельных фигур; возможны даже ситуации, когда в результате какой-то совершенно неожиданной новой комбинации шахматист вдруг оказывается вынужден думать об отдельных фигурах, — такое переключение дается ему обычно с огромным трудом. Именно в подобном блочном мышлении и заключается важное отличие между шахматистом-человеком и компьютером, играющим в шахматы. Как известно, существуют машины, с которыми человек может сыграть в шахматы, выбрав при этом удобный для себя уровень сложности. Лучшие шахматные машины на сегодняшний день может обыграть разве что очень искусный мастер или даже гроссмейстер. Можно было бы вообразить, что эти машины гораздо «умнее» людей; однако способ, каким машина достигает победы над соперником-человеком, удивительно примитивен. Машина просто просчитывает все возможные в каждой отдельной ситуации ходы (огромное количество ходов!), а затем решает, каким образом она сможет эффективнее всего сократить число фигур противника, учитывая при этом еще и важность каждой из возможных жертв. Совершенно очевидно, что такого рода тупое упорство представляет собой полную противоположность мышлению целостными конфигурациями. Пример этот очень наглядно показывает, насколько глубока пропасть, разделяющая машину и человеческий мозг. На этот счет имеется еще одно важное соображение. По мере того как все большее число нейронов оказывается «подключено» к единой сети, система в организационном смысле переходит на все более высокие уровни сложности. Несмотря на это, мозгу, по-видимому, удается без каких бы то ни было затруднений переходить с такого коллективного уровня обратно на уровень отдельной клетки.

С позиций синергетики в совершенно новом свете предстают и творческие возможности человека; это очень похоже на головоломку: перед нами вдруг мгновенно появляется некая новая картина. В мозге происходит своего рода фазовый переход, и множество прежде никак не связанных между собой деталей неожиданно становятся частицами вполне упорядоченного и преисполненного глубочайшего смысла единства, мучительные размышления разом исчезают, уступая место освобождающей определенности. Нечто, что мы уже долгое время безуспешно ищем, все это время словно бы дремало внутри нас, и вдруг объявляет о своем существовании — ярко, словно вспышка. Невозможно отделаться от ощущения, что речь в данном случае идет о процессах, аналогичных тем, что уже известны нам из других областей синергетики. В результате той или иной флуктуации («озарения» или «вспышки») возникает новый параметр порядка (новая идея), благодаря которой нам и удается найти взаимосвязь между отдельными деталями и упорядочить их, подчинить себе. Однако все это происходит опять-таки путем самоорганизации — самоорганизации наших мыслей, в данном случае.

Возможно даже, что именно этому состоянию, сопровождающему наши «озарения», мы и обязаны пониманием многих самоорганизующихся природных процессов.

Материя и Дух

Методы синергетики позволяют, помимо прочего, найти и новый подход к проблемам, относящимся к взаимосвязи между материей и духом или, иными словами, между телом и душой. В качестве исходной точки для обсуждения возьмем идею знаменитого исследователя мозга сэра Джона Экклса (род. в 1903), представленную им на заседании лауреатов Нобелевской премии в Линдау в 1980 году. Сэр Джон Экклс видел решение проблемы в представлении человеческого тела в виде совокупности легко заменяемых частей, наподобие деталей машины или оснастки корабля. Человека, по сути своей, можно «свести» к определенному участку мозга; при этом, согласно Экклсу, человеческое «я» является программистом, а мозг — компьютером, с которым этот программист работает. Таким образом, мозг оказывается всего лишь исполнительным органом.

Синергетика рассматривает этот вопрос иначе. Позиции синергетики, представленные в этой книге, связаны все с теми же взаимно обуславливающими друг друга понятиями параметра порядка и подчиненных ему отдельных элементов системы. В рамках такой интерпретации роль параметров порядка берут на себя мысли, а подчиненными элементами (или подсистемами) оказываются электрохимические процессы, протекающие в нейронах мозга. На многочисленных примерах в этой книге было показано, каким образом взаимно обусловлено само существование и функционирование параметра порядка и подчиненных ему элементов системы. С точки зрения синергетики, в этом же смысле в конечном счете и обуславливают друг друга материя и дух, тело и душа.

И наконец, еще несколько слов относительно интерпретации функций мозга. По-видимому, во все времена модель мозга создавалась в соответствии с последними на тот или иной момент достижениями науки: прежде это были электрические сети (а еще раньше — механизмы, подобные часовым; и такие представления даже оставили свой след в языке: «в голове завертелись шестеренки»), сегодня это, естественно, компьютеры, привлеченные в качестве аналогии. Что же станет моделью мозга завтра?

Рост мозга

Поскольку разобраться в сути комплексных процессов, протекающих в мозге, необычайно сложно, ученые вынуждены заняться поиском иных путей, позволивших бы им достичь поставленной цели. Так, к примеру, были предприняты исследования процесса роста мозга. Существует ли в природе некий предварительный проект, согласно которому происходит рост мозга? Краткое изложение известных на сегодняшний день фактов выглядит следующим образом. При развитии эмбриона сначала формируется так называемая нервная трубка — клеточное образование в форме трубки. Вокруг нее образуются нервные клетки, производство которых поставлено, если можно так выразиться, «на поток» — здесь функционирует своего рода фабрика, производящая нервные клетки. «Произведенные» клетки без задержки отправляются к другим участкам растущего мозга. Добравшись до определенного места, клетки диффундируют — совершенно аналогично тому, как это проделывают миксомицеты, о передвижениях отдельных клеток которых мы уже рассказывали, — и собираются там в слои, образуя при этом нечто, напоминающее, по выражению одного американского исследователя, муравейник.

Откуда же отдельным клеткам становится известно «место встречи»? Об этом ученым известно очень немногое, однако есть основания предполагать, что отдельные нервные клетки перебираются вдоль уже образовавшихся клеток нейроглий и таким образом достигают конечного пункта.

Существует еще одно обстоятельство, тесно связанное с поведением слизевиков: так же, как в их клетках, в развивающемся мозге обнаруживается некое вещество, служащее чем-то вроде приманки для отдельных клеток. Речь идет о так называемом стимуляторе роста, вырабатываемом в определенных зонах и проникающем сквозь ткани[26]. Нервные клетки, привлеченные этим веществом, устремляются в направлении его источника. Во время их странствий вполне может произойти и такое: некоторые клетки «отстают от своих» и чаще всего, заблудившись, погибают. Однако иногда им все же удается пристроиться — в каком-нибудь «неправильном» месте, — что в некоторых случаях может привести к различным заболеваниям мозга. Вернемся, однако, к дальнейшему развитию здорового мозга. Отдельные клетки, объединяясь, образуют нервные узлы, через которые и устанавливается связь клеток развивающегося мозга. Вне всякого сомнения, построение сети нейронов осуществляется посредством самоорганизации. Судя по тому, что нам известно, связи между нейронами образуются совершенно самостоятельно, безо всякого вмешательства со стороны каких бы то ни было высших инстанций, которые могли бы произвести подключение. Для объяснения принципа действия самоорганизации существует, собственно, две различные позиции; возможно, обе они верны, только применимы к развитию разных отделов мозга или к разным живым существам. Здесь мы просто представим читателям и ту, и другую.

Первая позиция такова: растущие нервные узлы при помощи особых молекул способны распознать, с какими именно клетками им следует «связаться». Представим себе, что каждый нейрон имеет нечто похожее на замок, который может быть открыт только определенным ключом. Часто случается так, что «проводов» между нейронами оказывается гораздо больше, чем впоследствии может быть использовано. Такие связи за ненадобностью отмирают; то же относится и к нейронам, неверно подключившимся к общей сети.

Подобная картина подразумевает, что монтаж нейронной сети протекает в соответствии с каким-то строго определенным планом, проводниками которого являются молекулярные замки и ключи.

Согласно другим представлениям, гораздо полнее воплощающим идеи самоорганизации, образование связей между клетками происходит вполне беспорядочно. Однако как только в такую нейронную сеть от органов чувств начинают поступать нервные импульсы, здесь по мере необходимости (но при этом все же полностью автоматически) происходит упрочение некоторой части связей. Таким образом, нейронная сеть возникает только благодаря использованию этих связей, и именно частота использования определяет функциональную способность этой сети. Концепция укрепления связи между нейронами в результате ее использования (например, при обработке сигналов, поступающих от органов чувств), известна в специальной литературе под названием синапсов Хебба. Синапсы — это своего рода распределительные станции, соединяющие нервные клетки; увеличение их «мощности» происходит вследствие увеличения частоты использования. К сожалению, до сих пор отсутствуют экспериментальные подтверждения тому, что наиболее часто используемые синапсы крупнее прочих. Идея образования и развития нейронной сети именно в процессе использования обладает для конструкторов, разрабатывающих компьютерную технику, огромной притягательной силой. Нельзя ли создать компьютеры, которые бы саморазвивались, самоорганизовывались в процессе работы? Этому вопросу и посвящена следующая глава.