Грегори Бернс - Что значит быть собакой. И другие открытия в области нейробиологии животных

Даже на этой ранней стадии эволюции животных заметно, как неразрывно нервная система связана с движением. Для того чтобы всего лишь извиваться в одном направлении, требуется высокая степень координации. Координация настолько важна, что у человека за нее по-прежнему отвечают значительные участки спинного мозга и стволовой области головного – напоминание о нашем бесхребетном прошлом.

Но чтобы разобраться в нескольких ключевых принципах функционирования мозга, нам не нужно восстанавливать весь ход эволюции от червей до современных видов животных. Во-первых, хотя эволюционное развитие и нелинейно, координация левой и правой сторон настолько значима, что это решение, единожды найденное и опробованное, «внедрялось» у всех последующих видов. Во-вторых, как только нервная система обрела функцию контроля над телом, следующей жизненно важной функцией стало принятие решений. Для этого животному потребовался мозг. Таким образом, мы возвращаемся к принципу первому:

Наличие мозга у животных связано с необходимостью выполнять действия .

Эволюция – это единственный основополагающий принцип для всей биологии, однако осознать, как в ходе эволюции появился современный мозг, не так уж просто. В самом строгом смысле, как предполагал Дарвин, эволюцию проходит весь организм целиком. Животное должно дожить до половой зрелости и успеть оставить потомство. Отдельные части организма, например мозг, эволюционируют лишь благодаря изменениям, которые дают животному преимущество либо в борьбе за выживание, либо в размножении. Соответственно, хоть мы и вправе говорить об эволюции мозга, нужно учесть, как изменения в его структурах повышают приспособленность животного к условиям окружающей среды, а не просто проследить, как эти изменения делают мозг все больше похожим на человеческий. Отсюда следующий принцип функционирования мозга:

Мозг нужен животным, чтобы приспосабливать свои действия к условиям окружающей среды .

Другими словами, животные существуют не в вакууме. Они – часть окружающего их мира, и одна из функций мозга заключается в том, чтобы выстраивать связь между окружающей средой и системами принятия решений у животного, а также в конечном итоге его организмом.

После червей животные начали становиться интереснее: у них образовался хребет. Первые позвоночные появились пятьсот миллионов лет назад. Поначалу они не слишком отличались от червей, разве что были чуть крупнее, но именно в силу увеличения в размерах им и потребовалось в качестве внутренней опоры нечто более основательное, чем мягкая ткань. Так возникла хорда – стержневидное утолщение, проходившее у этих животных вдоль всего тела. По мере увеличения животных в размерах необходимость контроля и координирования требовала еще большего усложнения нервной системы, что вело к дальнейшей ее консолидации и централизации.

Современным живым примером таких организмов служат миноги и миксины – придонные бесчелюстные обитатели океана. В зависимости от личного восприятия, они могут показаться вам либо самыми восхитительными, либо самыми страшными из океанских существ. Миксины довольно безобидны и большую часть жизни проводят, извиваясь в донном иле. При угрозе выделяют густую слизь. Миноги же выглядят как персонажи научно-фантастического фильма (собственно, миногами и вдохновлялись художники «Звездных войн» и «Дюны», придумывая песчаных червей). Миноги прикрепляются к более крупным рыбам с помощью большой ротовой присоски, за присоской расположено кольцо зубов, которыми этот хищник вгрызается в плоть жертвы. Поскольку первые миноги появились в океане задолго до рыб, зубы у них, скорее всего, возникли как более позднее приспособление.

У ранних бесчелюстных позвоночных уже имелось то, что можно расценивать как первый выраженный мозг. Выпуклость на головном конце спинного мозга содержала все базовые области, имеющиеся в мозге каждого позвоночного: обонятельную луковицу, примитивную кору для принятия решений, область обработки сенсорной информации и область координации и управления системами жизнеобеспечения.

У этих первых позвоночных и тело, и мозг были приспособлены для контроля над действиями в немыслимой для беспозвоночных степени. Однако такое разнообразие населяющих океан животных неизбежно подогревало конкуренцию. Одними рефлексами тут было не обойтись. Выжить в древнем океане могло животное, превосходившее соперников в гибкости принятия решений. Способность варьировать поведение давала виду существенное преимущество перед теми, кого ограничивала намертво вшитая моторная программа. Потребность в гибкости поведения выводит нас на третий принцип функционирования мозга:

Мозг нужен животному, чтобы учиться .

В действительности учиться способны даже животные с простой нервной системой, но степень обучаемости при этом будет соответствующая. Связь стимул – реакция – это тоже форма научения, для которой достаточно нескольких нейронов. Научение, осуществляемое полноценно развитым мозгом, гораздо глубже. Разумное существо может и должно осознавать, что окружающая среда таит в себе как блага, так и опасности – в основном второе. Вероятность выжить и дать потомство зависит во многом от умения выстроить длинную цепочку правильных решений и избежать неправильных, чреватых гибелью. Вторую попытку никто не даст. Как же тогда животное учится на собственном опыте, не расставаясь с жизнью?

Дело в том, что в ходе эволюции мозг достиг большего, чем просто способности воспринимать информацию и соответственно действовать. Высокоразвитый мозг постоянно прокручивает модели возможных действий и их последствий, как мы просчитываем ходы при игре в шахматы. По мере расширения поведенческого репертуара у позвоночных вынужден был усложняться и мозг. Частично это усовершенствование было направлено на то, чтобы угнаться за усложнением действий, но в основном увеличение размеров мозга отражало растущую потребность обыграть соперников в дарвиновской борьбе за выживание. И хотя научение строится на прошлом опыте, необходимость смотреть вперед и прогнозировать вероятные сценарии ведет к четвертому принципу функционирования мозга:

Мозг моделирует возможные действия и будущие последствия, чтобы принять оптимальное решение в конкретной ситуации .

Спустя еще восемьдесят миллионов лет эволюционного развития появились рыбы. Это были хрящевые – класс, в который входят в том числе акулы и скаты. В ходе дарвиновской борьбы за выживание они становились всё крупнее и сильнее, что, в свою очередь, требовало укрепления скелета. Около четырехсот миллионов лет назад среди обитателей океана уже наблюдалось огромное разнообразие как хрящевых, так и костных рыб. Эволюция костяка привела к возникновению более сложных форм тела [24] N. Shubin, Your Inner Fish: A Journey into the 3.5-Billion-Year History of the Human Body (New York: Pantheon, 2008). . Увеличивалось количество плавников в разных местах, благодаря чему возрастали скорость и маневренность. И наконец, около трехсот девяноста миллионов лет назад произошел, пожалуй, самый важный скачок в эволюции позвоночных: часть плавников окрепла настолько, чтобы выдерживать вес тела на суше. Так произошли четвероногие.