Шон Кэрролл - Вселенная

* * *

Мозг — это сеть взаимосвязанных нейронов. В главе 28 мы кратко обсуждали, как сложные структуры могут возникать путём постепенного накопления мелких единиц, слагающих более крупные, причём интересная структурность прослеживается в любом масштабе. Мозг — отличный пример такого рода.

Считается, что носителем информации в мозге являются не нейроны как таковые, а способы их соединения. Каждый нейрон связан с одними нейронами, но не с другими; именно так и определяется сетевая структура мозга, именуемая коннектома .

Коннектома — это, в сущности, список всех отдельно взятых нейронов в мозге с учётом всех соединений каждого из них. Это поразительно сложная система: в человеческом мозге около 85 миллиардов нейронов, каждый из которых соединён с тысячью или более других нейронов, поэтому речь идёт о ста триллионах или даже большем числе соединений. Сложно заглянуть в человеческий мозг и рассмотреть все эти соединения, но именно такова цель нескольких исследовательских проектов в области нейрофизиологии, которые реализуются прямо сейчас. Полная характеристика человеческой коннектомы содержала бы примерно миллион миллионов гигабайт информации.

Каждый нейрон собирает входящую информацию от других нейронов, а иногда — от внешнего мира. Имея эту информацию, он «решает», когда срабатывать. Срабатывание — это однозначный ответ: либо оно происходит, либо нет; но входная информация, которую может получать нейрон, довольно разнообразна. На «приём» каждого входящего сигнала нейрон тратит примерно сорок миллисекунд, а на передачу каждого входящего сигнала тратится одна миллисекунда. Это колоссальный объём информации. Сорок отдельных входных сигналов, поступающие от пары тысяч различных синапсов, дают примерно 40 × 2000 = 80 000 «бит» данных. Таким образом, нейрон может получить около 2 80000вариантов входящих сообщений, прежде чем решит — срабатывать или нет.

Подробные знания о человеческой коннектоме сами по себе не позволяют нам приблизиться к пониманию того, как в человеческом мозге организовано мышление. Не все нейроны одинаковы, поэтому, зная, как они соединены, мы знаем не всё. Учёные полностью картировали коннектому одного многоклеточного организма — это крошечная нематода C. elegans , плоский червь. У наиболее распространённой разновидности этой нематоды ровно 959 клеток, 302 из которых — нейроны. Мы знаем, как все эти нейроны сочетаются друг с другом — всего среди них насчитывается около 7000 соединений, — но это не позволяет понять, как думает плоский червь. Можно сказать, что мы изучили карту автомагистралей, но не схемы дорожного движения, которые там существуют. Может быть, когда-нибудь нам удастся прочитать, о чём думает нематода.

Коннектома нематоды C. elegans — компьютерная модель из проекта OpenWorm

Люди со временем меняются, и наши коннектомы меняются вместе с нами. Соединения укрепляются, поскольку многократное срабатывание определённых сигналов повышает вероятность, что конкретные синапсы будут срабатывать и в будущем. Мы считаем, что воспоминания формируются именно таким образом: связи между синапсами усиливаются и ослабевают в ответ на стимулы. В 2000 году нейропсихиатр Эрик Кандель стал одним из лауреатов Нобелевской премии по медицине за подробное исследование того, как это происходит у конкретного организма — непримечательного морского слизня. Слизни не слишком хорошо что-либо запоминают, но Кандель научил их распознавать некоторые простые стимулы. Затем он продемонстрировал, что эти новые «воспоминания» сопряжены с изменениями синтеза белков в нейронах, из-за чего форма нейронов меняется. Кратковременная память связана с теми синапсами, связи между которыми усиливаются, а долговременная память связана с образованием совершенно новых синапсов.

Недавно нейрофизиологам удалось непосредственно наблюдать, как у мышей растут новые нейроны и как они соединяются по мере того, как мыши обучаются выполнять новые задачи. Впечатляет (или раздражает — в зависимости от вашей точки зрения), что удалось стереть у мышей некоторые воспоминания, ослабив конкретные синапсы, и даже искусственно внедрить мышам ложные воспоминания, непосредственно стимулируя конкретные нервные клетки электродами. Воспоминания — это физические сущности, которые находятся у вас в мозге.

Коннектома напоминает политическую карту мира. Такой карты далеко не достаточно, чтобы понимать политику, но знание содержащейся на ней информации — важный аспект более крупной задачи. Имея хорошую карту, всё равно можно заблудиться, но в то же время она может помочь вам добраться домой.

* * *

Одно из важнейших свойств мозга заключается в том, что мозг — не просто серая масса связанных нейронов. Коннектома — это сеть, причём сеть иерархическая ; нейроны связаны друг с другом в группы, эти группы также связаны друг с другом, вплоть до целого мозга. Бурная работа сознания, где объединяются различные ментальные модули, работающие на вход и на выход и формирующие человеческое «я», отражается на работе мозга. Каждая из различных зон мозга отвечает за решение собственных задач, но лишь в результате их объединения возникает сознательная личность.

В пользу этого факта свидетельствует ряд доказательств, и некоторые из них были получены при изучении бессознательных состояний: например, когда мы спим или находимся под наркозом. Так, в ходе одного из исследований проводилась слабая магнитная стимуляция отдельных зон в мозге пациента. Затем эффекты сигнала измеряли по мере того, как они распространялись по мозгу. Когда пациент был в сознании, сигнал индуцировал реакции сразу во всём мозге, а в бессознательном состоянии реакции ограничивались небольшой областью поблизости от места первичного стимула. Подобные результаты представляют далеко не только академический интерес: врачи давно пытались ответить на вопрос, полностью ли отсутствует сознание у пациента, находящегося под наркозом или получившего черепно-мозговую травму, либо пациент просто не может двигаться и контактировать с окружающим миром.

Утверждая, что коннектома представляет собой иерархическую сеть, мы подразумеваем, что она обладает некоторой связностью в промежутке от максимальной (каждый нейрон коммуницирует со всеми остальными нейронами) до минимальной (каждый нейрон коммуницирует только со своими ближайшими соседями). Насколько можно судить, коннектома является примером сети из разряда мир тесен ( small-world network ). Название взято из знаменитого эксперимента о шести рукопожатиях, поставленного психологом Стенли Милграмом. Он обнаружил, что произвольно отобранные жители города Омаха, штат Небраска, связаны с конкретным человеком, живущим в Бостоне, штат Массачусетс, цепочками примерно по шесть прямых знакомств в каждой. В теории сетей принято говорить, что сеть относится к категории «мир тесен», если большинство её узлов не связаны друг с другом, но от любого узла до любого другого можно добраться за небольшое число переходов.