Секрет мозга

 

 

 

В основе метода лежит функциональная магнитно-резонансная томография, позволяющая фиксировать активность нервных структур по всему объему мозга. Ученым удавалось с 70%-й вероятностью предсказывать, намерен ли испытуемый сложить или вычесть предложенные ему два числа. По их словам, метод дает также возможность зафиксировать намерение человека солгать или применить насилие, а также обострение расовых предубеждений. Однако пока он не может отличить мимолетных побуждений от устойчивого намерения. При всей осторожности в комментариях в них отчетливо проступало ощущение, что на наших глазах начинает превращаться в реальность одно из самых заветных желаний и одновременно один из самых навязчивых кошмаров человечества - прибор, умеющий читать мысли.

 

 

ТАИНСТВЕННЫЙ ОРГАН

 

Среди всех загадок, волновавших людей во все времена, особое, ни с чем не сравнимое место занимал вопрос о том, как устроен и работает тот аппарат, что управляет самим человеком. Тем удивительнее, насколько мало человечество успело узнать об этом до появления научного естествознания.   Еще знаменитый древнеримский врач Клавдий Гален, лечивший раненых гладиаторов, окончательно установил то, о чем люди догадывались с незапамятных времен: все проявления психической жизни, включая простые произвольные движения, связаны с головным мозгом.   В течение последующих полутора тысяч лет человечество не сумело узнать об этом ничего более определенного. Даже революция в анатомии, свершившаяся в эпоху Возрождения, обогатила ученых знанием основных отделов мозга, но не выяснила ничего о том, как он работает.

Клавдий Гай Гален (129-199 или 201 гг. н. э.) - римский врач, философ и писатель.  Его многочисленные труды составляют своеобразную медицинскую энциклопедию, суммирующую все достижения античной медицины.  В Средние века авторитет Галена в вопросах медицины был абсолютно непререкаем.

На то были веские причины. «Мозг выделяет мысли, как печень - желчь, слюнная железа - слюну и т. д.» - скажет в самом начале XIX века французский философ и врач Пьер-Жан-Жорж Кабанис. Но желчь, слюну, желудочный сок и любой другой продукт можно было без труда обнаружить, вскрыв соответствующий орган. Мозг же неизменно представал перед анатомами лишенным всяких следов своего главного «секрета».

Эту работу выполнил в конце 1920-х годов американский физиолог Карл Лешли. И обнаружил невероятное: какую бы часть крысиного мозга он ни удалял, выработанный рефлекс никогда не исчезал полностью - если только зверек вообще оставался в живых. Загадочный орган опять ускользнул от строгих научных методов.

 

ОКОШКИ ДЛЯ НЕВИДИМОГО

 

В те же самые годы, когда Лешли проводил свои исследования, австриец Ганс Бергер получил первые электроэнцефалограммы - записи электрической активности мозга. К тому времени уже было известно, что нервные импульсы - это волны электрического потенциала и что именно они являются тем языком, на котором нейроны (нервные клетки) общаются друг с другом и с подчиненными им клетками мышц и желез. Наконец-то наука получила доступ к неуловимому «секрету мозга», к прямым проявлениям его работы. Дело было за малым: расшифровать электрическую активность, то есть научиться читать в волнах энцефалограммы наши ощущения, эмоции, воспоминания и фантазии.

Электроэнцефалография служит науке верой и правдой вот уже почти 80 лет, техника записи и приемы ее анализа непрерывно совершенствуются. С помощью этого метода сделано немало важнейших открытий, а в некоторых областях (в физиологии сна, в диагностике эпилепсии) его роль просто исключительна. Но прибором для чтения мыслей энцефалограф так и не стал. Мозг состоит из миллиардов нейронов, и электрод может отразить только суммарную, усредненную активность клеток, оказавшихся по соседству с ним. Это похоже на гул, который производит многотысячное скопление людей, одновременно что-то говорящих. Каждый из нас знает: разобрать что-либо в нем невозможно - если только достаточно большая часть такой толпы не начнет скандировать. Вот и в энцефалограмме лучше всего поддаются анализу следы согласованной работы множества нейронов - ритмическая активность, вызванные потенциалы (реакция на сильный специфический стимул - скажем, ответ нейронов зрительной коры на вспышку света) и т. п. Но как скандируемый лозунг редко несет в себе глубокое содержание, так и синхронный «крик» множества нейронов имеет весьма отдаленное отношение к мышлению.

В середине прошлого века исследователи научились делать микроэлектроды, которые можно было вводить в тело нейрона и слушать только его «голос». Это было огромным прорывом, за которым сразу же последовали важные и удивительные открытия (в частности, была открыта спонтанная, не вызванная никакими стимулами активность нейронов - значение этого факта нам станет ясно несколько позже). Однако если энцефалографический сигнал был слишком уж обобщенным, то сигналы, поступающие от отдельного нейрона, - напротив, слишком частными. Начиная такой эксперимент, физиологи, конечно, знали, в какое ядро или корковую зону они погружают электрод, но сами нейроны приходилось искать «на ощупь». Регистрируя импульсы, пробегающие по оболочке нейрона, можно было заметить, реагирует ли он на те или иные внешние воздействия, на возбуждение определенного нерва и т. д. Можно было примерно определить, сколько межклеточных переключений проходит сигнал от рецепторов органа чувств до данного нейрона. Но выяснить, кому нейрон адресует свои сигналы и что именно сообщает ими, все-таки не удавалось: исследователи могли одновременно следить за работой лишь очень небольшого числа клеток и не имели средств выяснить, есть ли между ними связь. К тому же, поскольку эти эксперименты обычно заканчивались гибелью изучаемого нейрона, они за редчайшими исключениями проводились на животных - а значит, исследовать таким образом высшие психические функции человека было невозможно.

Впрочем, неожиданная возможность изучать живой и работающий человеческий мозг открылась тогда же, в 1950-х годах. Оказалось, что нейрохирургические операции не требуют общего наркоза, и во время их можно стимулировать слабым током те или иные области коры, предложив пациенту описать свои ощущения. В монреальской клинике нейрохирурга и нейрофизиолога Уайлдера Пенфилда пациенты не просто вспоминали, казалось бы, навсегда забытые знания и навыки, но и с необычайной яркостью вновь переживали давние эпизоды из своей жизни. Выяснилось, что мозг человека способен хранить воспоминания неограниченно долго. И когда мы что-то забываем (если только это не происходит в первые минуты после восприятия), мы утрачиваем лишь способность в любой момент найти соответствующий след в памяти - но не сам след. Можно сказать, что из «библиотеки нашей памяти» не пропадает ни одна книжка - пропасть могут только карточки в каталоге.

Другим достижением Пенфилда стала своеобразная мозговая «карта» нашего тела. Что «телесное чувство», подобно зрению, слуху или обонянию, имеет собственное представительство в коре, физиологи знали и раньше. Еще Павлов доказал, что если два участка тела соседствуют, то и их корковые проекции тоже лежат рядом. Но только работы Пенфилда позволили представить, как выглядит наше тело с точки зрения нашего же мозга. Картина получилась прямо-таки гротескной: оказалось, к примеру, что все, что лежит между подмышкой и голеностопным суставом, значит для мозга меньше, чем один большой палец...

В конце XX века появились еще две группы методов, позволявших непосредственно изучать работу мозга и его элементов. Один из этих подарков нейрофизиологам преподнесла молекулярная биология. Еще в 1930-х годах сложилось представление о синапсе - особой структуре, передающей сигнал с одного нейрона на другой посредством особых веществ-нейромедиаторов. В последующие десятилетия были открыты и изучены сами медиаторы (оказалось, что в этой роли выступают десятки сравнительно простых веществ) и специальные белки, служащие рецепторами для них. А сравнительно недавно ученые получили возможность изучать непосредственно процессы взаимодействия медиатора с рецептором и цепочку химических событий, запускаемых этим взаимодействием. Результаты этих исследований позволили, наконец, понять, какие именно молекулярные механизмы лежат в основе феномена памяти.

Другим чудо-методом стала компьютерная томография. Когда-то Иван Павлов мечтал о том, как много мы могли бы узнать, если бы череп был прозрачным, а возбужденные нервные клетки светились, как лампочки. В последние десятилетия минувшего века техника превзошла его фантазию: современные томографы позволяют воочию увидеть активность нервной ткани не только на поверхности коры, но и в любом слое и структуре мозга. Правда, в отличие от приборов прежнего поколения томографы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса, «видят» не непосредственно электрическую активность ткани, а уровень обмена веществ в ней. Злые языки говорят, что это примерно то же самое, что пытаться выяснить принцип действия машины, измеряя нагрев разных ее частей в ходе работы. Тем не менее именно томограф наконец-то позволил увидеть мозг - в том числе и человеческий - в работе. Другой тип томографов - позитронно-эмиссионные - позволяет определять не только уровень обмена, но и вовлеченность в него конкретных веществ, помеченных радиоактивными изотопами, испускающими при распаде позитроны.

 

ВЕЗДЕ И НИГДЕ

Казалось, теперь-то уж понимание работы мозга становится делом техники: включаем томограф и смотрим, какие именно его части активизируются при подаче такого-то сигнала, выполнении такой-то задачи и т. д. Такие работы начались по всему миру, и в последние годы редкий месяц проходит без сообщений об идентификации очередной «зоны мозга, ответственной за...» - нужное вписать. В мозгу человека находили зоны, ответственные за представление о самом себе, арифметические расчеты, совершение покупок (интересно, откуда творец мозга - естественный отбор - мог знать, что люди будут заниматься куплей-продажей?), игровой азарт, фиксацию и изменение принятых решений, музыкальные способности... Этот список очень длинен и продолжает пополняться, но уже сейчас ясно: для понимания того, как на самом деле работает мозг, все эти «зоны» дают немногим больше, чем френологические карты Галля.

Тому, что самое простое действие, вроде чесания за ухом, сопровождается активизацией многих точек в разных отделах мозга, физиологи не очень удивились: они уже знали, что даже у таких актов система управления сложна и включает много уровней. Но выяснилось, что верно и обратное: одни и те же структуры оказались «ответственными» за десятки совершенно разнородных функций (то есть активизировались при их выполнении), и объяснить это уже было гораздо труднее. Наконец, совершенно ни в какие ворота не лезло то, что у разных людей одна и та же деятельность была связана с активизацией совершенно разных участков мозговой ткани - иногда настолько, что не удавалось выявить «типичную» картину. Именно так, например, окончилась попытка группы нейробиологов из Монреальского университета во главе с профессором Марио Борегаром локализовать «пятно Бога» - зону мозга, ответственную за религиозные переживания.

Может быть, мозг в принципе недоступен для изучения - по крайней мере, методами естественных наук? Некоторые исследователи на полном серьезе утверждали, что так оно и есть: понять до конца работу мозга означало бы выстроить внутри него полную модель его самого. Что, как легко догадаться, принципиально невозможно.

ОТМЕНА ПРОПИСКИ 
Один английский историк науки, говоря о френологии, вскользь обронил, что современный подход к проблеме локализации в мозгу психических функций в своей основе ничем не отличается от френологического - только последователи Галля могли рассчитывать лишь на собственные пальцы, а у их современных коллег есть компьютерные томографы. Если в каждой шутке есть доля правды, то в этой она приближается к ста процентам. В самом деле, и наивные фантазии Галля, и изощренные эксперименты современных физиологов исходят из одного и того же кажущегося очевидным допущения: если структура мозга соответствует его функциям, то любая конкретная функция выполняется конкретным мозговым центром - надо только его найти. Звучит логично, но, исходя из этой логики, можно было бы попытаться определить, какая часть жесткого диска компьютера предназначена для текстовых редакторов, какая - для почтовых программ, а какая - для игр.

Впрочем, альтернатива чрезмерно аналитичному подходу классической физиологии появилась еще в 1920-30-х годах, когда будущие нобелевские лауреаты австрийский зоолог Конрад Лоренц и его голландский коллега Николас Тинберген предложили собственную концепцию поведения животных. Согласно ей, поведение в принципе активно, оно не вызывается внешними стимулами, а присуще самому организму. Некоторые формы поведения действительно возможны только при появлении определенных сигналов, но организм - не автомат, чья активность запускается брошенной монеткой. У него есть образ этого сигнала, и он активно ищет его - тем настойчивей, чем сильнее становится неудовлетворенная потребность. Простейший пример: по мере того как в человеке пробуждается аппетит, он начинает искать еду. Если найти ее не удается, он меняет тактику (перестает шарить в холодильнике и идет в магазин), меняет критерии того, что он готов считать едой (принимается грызть старые сухари) и т. д. И наоборот: у человека, наевшегося до отвала, даже вид самой любимой еды не вызывает никаких проявлений «пищевого поведения».

Модель Лоренца и Тинбергена в принципе не была привязана к каким-либо конкретным мозговым структурам - поведение рассматривалось как функция всего организма в целом. Это позволило ей не только избежать тупиков «локализации функций», но и успешно описывать поведение животных с совершенно различным строением нервной системы. Например, эта модель одинаково хорошо применима к поведению (в основном врожденному) млекопитающих, птиц и насекомых - хотя у птиц нет новой коры, и высшие отделы мозга устроены совсем иначе, чем у млекопитающих, а у насекомых и само понятие мозга достаточно условно. Но именно поэтому она, породив целое самостоятельное научное направление (этологию), почти не оказала влияния на нейрофизиологию: физиологу было просто не к чему ее применить.

Между тем к сходным взглядам почти одновременно с Лоренцом и Тинбергеном пришел и один из учеников Павлова - Петр Анохин. Главным действующим лицом в его концепции выступает функциональная система - согласованная в своих действиях сеть нейронов. Она формируется под достижение определенного результата и «знает», как он выглядит - точнее, как должен выглядеть поток входящих сигналов, когда результат достигнут. Формирование некоторых функциональных систем жестко продиктовано наследственной программой и протекает в ходе эмбрионального развития, но большинство формируются по мере приобретения жизненного опыта. Впрочем, понятие «большинство» применимо лишь условно: системы могут быть иерархичны, и их части или объединения тоже устроены как функциональные системы. При этом элементы одной системы вовсе не обязаны находиться рядом друг с другом - собственно, то, какие именно элементы войдут в данную систему, решается только при ее формировании. И их пространственное размещение в мозгу предопределено не больше, чем то, в каких районах города будут жить сотрудники вновь создаваемой организации. А потому у разных людей одна и та же функция может быть реализована совершенно разными нейронами. Мало того: если выполнявшая ее система будет разрушена или парализована, в мозгу начнет формироваться другая - из каких-то совсем других нейронов. Жесткое и компактное размещение вовлеченных в ту или иную активность нейронов (как в центрах Брока и Вернике) - скорее исключение, чем правило.

С этой точки зрения неудачи и парадоксы локализационного подхода становятся понятными - если мозг устроен «по Анохину», то именно так все и должно быть. Непонятно другое: как привязать эту умозрительную схему к конкретному мозгу. Выявить в мозгу ту или иную функциональную систему - это примерно то же самое, что найти в мегаполисе всех участников интернет-форума, ведущегося на неизвестном вам языке. В лучшем случае удавалось находить нечто, ведущее себя так, как должны были вести себя отдельные «действующие лица» нарисованной картины. Так, в 1960-е годы были обнаружены нейро ны, получавшие сигналы одновремен но от структур, связанных с органами чувств, и от тех, которые формируют движение. Можно было предположить, что именно они сравнивают образ желаемого результата с результатом реальным.

Однако в наши дни возможность регистрировать активность одновременно большого числа нейронов (не протыкая их электродами) и изощренные способы обработки результатов позволяют подступиться к анализу согласованной работы нейронных ансамблей. Бумажная схема все более обретает плоть. «Мы, например, экспериментально показали, что в наличной активности мозга отражается история формирования поведения, - говорит сотрудник лаборатории нейрофизиологических основ психики Института психологии РАН Александр Горкин. - Мы учили животных одному и тому же поведению, но с разной последовательностью этапов. В результате финальное поведение у них у всех одинаковое, а вот активность определенных корковых нейронов разная - у тех, кто по-разному учился».

Нейрофизиологи снова пытаются поймать неуловимый «секрет мозга». Сейчас трудно сказать, насколько далеко им удастся продвинуться на сей раз. Но «аппарат для чтения мыслей» они точно не создадут: если структура мозга формируется индивидуально в зависимости от жизненного опыта, то смысл активности тех или иных клеток может знать только сам мозг.

 

"Что нового в науке и технике", № 4, 2007