Майкл Грациано - Наука сознания. Современная теория субъективного опыта

Самовоспроизводящаяся бактериальная жизнь появилась на Земле примерно 4 млрд лет назад. На протяжении почти всей истории Земли жизнь оставалась на одноклеточном уровне, и ничего похожего на нервную систему не существовало вплоть до 600–700 млн лет назад. В теории схемы внимания сознание основано на определенном способе обработки информации нервной системой. Ключевой элемент этой теории (и, я полагаю, любого развитого интеллекта) – внимание: способность мозга в каждый момент времени сосредоточивать свои ограниченные ресурсы на небольшом фрагменте мира, чтобы получить бóльшую глубину обработки. В этой и нескольких следующих главах я рассмотрю, как внимание могло развиться от древних животных до людей и как вместе с ним могло появиться свойство, которое мы называем сознанием [11] И другие авторы убедительно описывали возможный ход эволюции сознания, включая туда связи сознания с вниманием (хотя делали это иначе, чем я). К примеру: C. Montemayor and H. H. Haladjian, Consciousness, Attention, and Conscious Attention (Cambridge, MA: MIT Press, 2015); R. Ornstein, Evolution of Consciousness: The Origins of the Way We Think (New York: Simon & Schuster, 1991). .

Начнем с морских губок, они “помогут” очертить границы эволюции нервной системы. Губки – самые примитивные многоклеточные организмы, у них нет так называемого плана тела, нет конечностей, нет мышц, – и нервы им не нужны. Они закрепились на дне океана и фильтруют питательные вещества подобно ситу. Но у нас есть общие с губками гены, в том числе не менее 25 из тех, которые у людей помогают структурировать нервную систему [12] O. Sakarya, K. A. Armstrong, M. Adamska, M. Adamski, I. F. Wang, B. Tidor, B. M. Degnan, T. H. Oakley, and K. S. Kosik, “A Post-Synaptic Scaffold at the Origin of the Animal Kingdom,” PLoS One 2 (2007): e506. . У губок те же самые гены могут выполнять более простые функции, например участвовать в коммуникации клеток друг с другом. Губки как будто балансируют на эволюционной грани нервной системы.

Считается, что последний общий у нас с ними предок существовал в диапазоне от 700 до 600 млн лет назад (см. шкалу времени на рис. 2.1) [13] Z. Yin, M. Zhu, E. H. Davidson, D. J. Bottjer, F. Zhao, and P. Tafforeau, “Sponge Grade Body Fossil with Cellular Resolution Dating 60 Myr before the Cambrian,” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 112 (2015): E1453–60. .

Другие древние животные – медузы – напротив, обладают нервной системой. Медузы плохо сохраняются в окаменелостях, но, анализируя их генетические взаимосвязи с другими животными, биологи предполагают, что они могли отделиться от остального животного царства примерно 650 млн лет назад [14] D. H. Erwin, M. Laflamme, S. M. Tweedt, E. A. Sperling, D. Pisani, and K. J. Peterson, “The Cambrian Conundrum: Early Divergence and Later Ecological Success in the Early History of Animals,” Science 334 (2011): 1091–7; A. C. Marques and A. G. Collins, “Cladistic Analysis of Medusozoa and Cnidarian Evolution,” Invertebrate Biology 123 (2004): 23–42. . Эти цифры, возможно, изменятся с получением новых данных, но в качестве правдоподобного предположения скажем, что нейроны – базовые клеточные компоненты нервной системы – впервые появились в животном царстве между губками и медузами.

Нейрон по сути своей – это клетка, передающая сигнал. Волна электрохимической энергии прокатывается по мембране клетки от одного края нейрона до другого со скоростью чуть более 60 м/с и действует на другой нейрон, мышцу или железу. Самые первые нервные системы могли быть устроены как простые сети нейронов, пронизывающие тело и соединяющие мышцы. По этому принципу нервных сетей существуют гидры [15] H. R. Bode, S. Heimfeld, O. Koizumi, C. L. Littlefield, and M. S. Yaross, “Maintenance and Regeneration of the Nerve Net in Hydra,” American Zoology 28 (1988): 1053–63. . Это небольшие водные создания, прозрачные, похожие на цветы, в роли тела у них выступает мешок со множеством щупалец; они принадлежат к той же древней категории, что и медузы. Если коснуться гидры в одном месте, нервная сеть распространит сигнал повсюду и вся гидра дернется.

Нервная сеть не обрабатывает информацию – не извлекает из нее какого-то значения. Она просто передает сигналы по телу, соединяет сенсорный стимул (прикосновение) с мышечной реакцией (подергивание). Но после возникновения нервной сети нервные системы довольно быстро перешли на новый уровень сложности: речь идет о способности усиливать некоторые сигналы относительно других. Форсирование сигнала – простой, но мощный прием, один из основных способов, посредством которых нейроны манипулируют информацией. Это базовый компонент практически всех известных нам вычислений, происходящих в мозге.

Один из наиболее изученных примеров – глаз краба [16] R. B. Barlow Jr. and A. J. Fraioli, “Inhibition in the Limulus Lateral Eye in Situ,” Journal of General Physiology 71 (1978): 699–720. . У этого животного сложные глаза со множеством детекторов, в каждом из которых есть нейрон. Когда свет падает на детектор, он активирует находящийся внутри нейрон. Пока все идет как надо. Но добавим щепотку сложности: каждый нейрон связан с ближайшими соседями и по этим связям они соревнуются друг с другом. Когда активируется нейрон в одном детекторе, он пытается приглушить активность нейронов в соседних, подобно человеку в толпе, который старается кричать громче всех и заглушить тех, кто рядом с ним.

В результате получается, что, если на глаз краба направлено размытое пятно света и на один из детекторов попадает самая яркая его часть, нейрон в этом детекторе развивает высокую активность, побеждает в соревновании и отключает соседей. Паттерн активности набора детекторов сигнализирует не только о пятне света, но и о том, что вокруг пятна – кольцо темноты. Таким образом, сигнал усилен. Глаз краба берет размытую реальность из оттенков серого и повышает ее резкость, получая контрастную картинку, где тени темнее, а яркое ярче. Усиление сигнала – прямое следствие того, что нейроны подавляют своих соседей: этот процесс называется латеральным торможением [17] K. Hadeler, “On the Theory of Lateral Inhibition,” Kybernetik 14 (1974): 161–5. .

Описанный механизм в глазу краба, пожалуй, один из самых простых и базовых примеров, модельный экземпляр внимания. Сигналы соревнуются друг с другом, победители усиливаются за счет проигравших, и победившие сигналы затем влияют на движения животного. Это и есть моделирующая сущность внимания. Наше, человеческое, внимание – просто усложненная версия, состоящая из подобных компонентов. Латеральное торможение, такое же как в глазу у краба, можно найти на любой стадии обработки информации в нервной системе человека – от глаза до высших уровней мышления в коре головного мозга. Зарождение внимания лежит глубоко в эволюционной древности, ему более полумиллиарда лет, и произошло оно от удивительно простого нововведения (на тот момент, разумеется).

Крабы принадлежат к обширной группе животных под названием “членистоногие”, в которую входят пауки, насекомые и подобные им создания с твердыми сегментированными экзоскелетами. Они отделились от других животных около 600 млн лет назад [18] S. Koenemann and R. Jenner, Crustacea and Arthropod Relationships (Boca Raton: CRC Press, 2005). . Самое известное вымершее членистоногое, у которого сегодня больше всего поклонников, – это трилобит, существо из сочленений и ножек, похожее на маленького мечехвоста, которое главным образом копошилось на дне кембрийских морей примерно 540 млн лет назад. Когда трилобиты вымерли и оказались погребены в тончайшей взвеси осадка на дне океана, они превратились в окаменелости, у которых во всех подробностях сохранились фасеточные глаза [19] B. Schoenemann, H. Pärnaste, and E. N. K. Clarkson, “Structure and Function of a Compound Eye, More Than Half a Billion Years Old,” Proceedings of the National Academy of Sciences USA 114 (2017): 13489–94. . Если вы вглядитесь в выпученные очи ископаемого трилобита через лупу, то, скорее всего, вам удастся увидеть нетронутую мозаику отдельных детекторов. Судя по ископаемым остаткам, глаза трилобитов весьма напоминали глаза современных крабов и, должно быть, в них использовался тот же способ соревнования между соседними детекторами, чтобы повысить резкость обзора древнего морского дна.