Что такое сознание?
Ученые понемногу приближаются к разгадке тайны, которая долгое время волновала философов.
Сознание — это все, что ты переживаешь. Застрявшая в голове мелодия, вкус шоколадного десерта, сверлящая зубная боль, безумная любовь к ребенку и горькое понимание того, что однажды всем ощущениям придет конец.
Происхождение и природа этих переживаний — иногда их называют латинским словом qualia — были для нас загадкой с самой ранней античности вплоть до сегодняшнего дня. Многие современные аналитические философы сознания, самый известный из которых, пожалуй, Дэниел Дэннет из Университета Тафтса, считают существование сознания настолько недопустимым противоречием тому, что, по их мнению, есть мир из материи и пустоты, что объявляют его иллюзией. Иными словами, они либо отрицают существование qualia в принципе, либо заявляют, что их невозможно осмысленно изучить с помощью науки.
Если бы это суждение было правдиво, мое эссе вышло бы очень коротким. Понадобилось бы только объяснить, почему вы, я и почти все остальные так уверены в том, что у нас вообще есть чувства. Однако больной зуб вызвал у меня флюс. Изощренный довод с целью убедить в том, что моя боль иллюзорна, ни на йоту не избавит меня от этих мук. Я не питаю симпатии к такому тупиковому толкованию связи между душой и телом, потому, пожалуй, продолжу.
Большинство ученых принимают сознание как данность и стремятся понять его связь с объективным миром, который описывает наука. Четверть века назад Фрэнсис Крик и я решили отложить в сторону философские дискуссии о сознании (которые волновали научных мужей как минимум со времен Аристотеля) и вместо этого пуститься в поиски его физических следов.
Что именно в чрезвычайно возбудимой части мозгового вещества порождает сознание? Узнав это, мы можем надеяться приблизиться к решению более фундаментальной проблемы.
В частности, мы ищем нейронные корреляты сознания (НКС) — наименьшие нейронные механизмы, в совокупности достаточные для какого-либо конкретного осознанного опыта в ощущениях. Что должно происходить в мозге, чтобы вы испытывали зубную боль, к примеру? Какие-то нервные клетки должны вибрировать с какой-то магической частотой? Нужно ли активировать какие-то особенные «нейроны сознания»? В каких зонах мозга такие клетки могли бы располагаться?
Нейронные корреляты сознания
В определении НКС важна оговорка «минимальный». Ведь мозг как единое целое можно считать НКС — изо дня в день он порождает ощущения. И все же месторасположение можно обозначить еще точнее. Возьмем спинной мозг — 46-сантиметровую гибкую трубку нервной ткани внутри позвоночника, которая содержит порядка миллиарда нервных клеток. Если в результате травмы спинной мозг полностью поврежден вплоть до шейной зоны, у пострадавшего парализует ноги, руки и туловище, он не сможет контролировать кишечник и мочевой пузырь и будет лишен телесных ощущений. Тем не менее такие паралитики продолжают познавать жизнь во всем ее разнообразии: они видят, слышат, обоняют, испытывают эмоции и помнят так же хорошо, как и до того, как трагическое происшествие в корне изменило их жизнь.
Или взять хотя бы мозжечок — «маленький мозг» в задней части мозга. Эта мозговая система, одна из древнейших в эволюционном смысле, участвует в контроле за моторикой, положением тела и походкой, а также отвечает за ловкое выполнение сложных последовательностей движений.
Игра на пианино, печатание на клавиатуре, фигурное катание или скалолазание — во всех этих занятиях задействован мозжечок. Он оснащен самыми знаменитыми нейронами под названием клетки Пуркинье, которые имеют усики, развевающиеся, как коралл морской веер, и таят в себе сложную электрическую динамику. А еще мозжечок содержит наибольшее число нейронов, около 69 миллиардов (в основном это — мозжечковые лаброциты в форме звезд) — в четыре раза больше, чем весь мозг вместе взятый.
Что происходит с сознанием, если человек в результате инсульта или под ножом хирурга частично лишается мозжечка? Да почти ничегошеньки! Пациенты с таким повреждением жалуются на несколько проблем, типа менее беглой игры на пианино или менее ловкого печатания на клавиатуре, — но никогда на потерю какого-либо из аспектов своего сознания. Они хорошо слышат, видят и ощущают, сохраняют чувство собственного «я», помнят прошлое и не перестают планировать будущее. Даже отсутствие мозжечка при рождении не оказывает существенного влияния на сознательный опыт человека.
Обширный мозжечковый аппарат не имеет отношения к субъективным переживаниям. Почему? Важную подсказку содержит его нейронная сеть — она исключительно единообразна и паралельна (как батарейки соединяются параллельно).
Мозжечок — это практически полностью цепь прямого распространения: один ряд нейронов питает следующий, который, в свою очередь, влияет на третий. В нем нет петель обратной связи, которые взад-вперед резонировали бы в рамках электрической активности. (Учитывая время, необходимое для развития сознательного восприятия, большинство ученых убеждены в том, что подобное восприятие предполагает наличие в ячеистой системе мозговых связей петель обратной связи.) Более того, мозжечок функционально делится на сотни, если не больше, независимых вычислительных модулей. Каждый из них работает параллельно, с обособленными и не накладывающимися друг на друга входом-выходом, которые контролируют движения или различные моторные или когнитивные системы. Они почти не взаимодействуют друг с другом, тогда как в случае сознания — это еще одна непременная характеристика.
Важный урок, который можно вынести из анализа спинного мозга и мозжечка, состоит в том, что гений сознания не рождается так запросто в любом месте возбуждения нервной ткани. Необходимо кое-что еще. Этот дополнительный фактор кроется в сером веществе, которое составляет пресловутую кору головного мозга — его внешнюю поверхность. Слоистый лист из затейливо переплетенных меж собой нервных тканей, размера и ширины 35-сантиметровой пиццы. Два таких крайне складчатых листа, вместе с сотнями миллионов своих проводков, вдавлены в череп. Все имеющиеся данные указывают на то, что в порождении ощущений участвуют неокортикальные ткани.
Можно сузить область расположения очага сознания еще больше. Возьмем, к примеру, эксперименты, в которых правый и левый глаз подвергают воздействию различных раздражителей. Представьте, что фотография Дональда Трампа видима только вашему левому глазу, а снимок Хиллари Клинтон — только правому. Можно предположить, что вы увидите какое-то причудливое наложение Трампа и Клинтон друг на друга. На самом же деле в течение нескольких секунд вы будете видеть Трампа, после чего он исчезнет и появится Клинтон — а затем она пропадет, и снова появится Трамп. Две картинки будут в нескончаемом танце сменять друг друга — ученые называют это бинокулярным соревнованием, или соперничеством сетчаток. В мозг поступает неоднозначная информация извне, и он не может определиться: Трамп это или Клинтон?
Если при этом вы лежите внутри волшебного томографа, регистрирующего мозговую деятельность, ученые констатируют активность в широком спектре кортикальных зон, совместно именуемых «задней горячей зоной» (posterior hot zone). Это теменные, затылочные и височные области задней части коры мозга, и они играют самую важную роль в отслеживании того, что мы видим.
Интересно, что первичная зрительная кора, которая получает и передает поступающую от глаз информацию, не отражает того, что видит человек. Схожее разделение труда, по всей видимости, наблюдается также и в случае слуха и осязания: первичная слуховая и первичная соматосенсорная кора не вносят непосредственного вклада в содержание слухового и соматосенсорного опыта. Сознательное восприятие (включая образы Трампа и Клинтон) порождают последующие стадии обработки — в задней горячей зоне.
Более красноречивы еще два медицинских источника данных — электрическая стимуляция кортикальной ткани и исследование пациентов, лишившихся отдельных зон мозга из-за повреждения или болезни. К примеру, перед удалением опухоли или очаги эпилепсии нейрохирургии составляют карту функций близлежащей кортикальной ткани, напрямую стимулируя ее электродами. Стимуляция задней горячей зоны вызывает целый диапазон ощущений и чувств. Это могут быть вспышки света, геометрические формы, искажение лиц, слуховые или визуальные галлюцинации, чувство узнавания или ощущение нереальности происходящего, позыв пошевелить одной из конечностей и т. д. Стимуляция передней части коры мозга — совсем другое дело: в общем и целом она не провоцирует никаких непосредственных переживаний.
Второй источник — неврологические пациенты первой половины XX века. В отдельных случаях хирургам надо было вырезать большие участки префронтальной коры для ликвидации опухолей или ослабления эпилептических припадков. Аномально то, что эти больные выходили из послеоперационного периода без видимых аномалий. Потеря участка лобной доли имела определенные отрицательные последствия — неспособность сдерживать неуместные эмоции или действия, двигательные нарушения или бесконтрольное повторение каких-либо действий или слов. При этом у пациентов укреплялась личность и повышался уровень интеллекта, после чего они жили еще много лет — без признаков того, что радикальное удаление лобной ткани значительно затронуло осознанное восприятие. Удаление даже незначительных участков задней коры, где располагается горячая зона, в свою очередь, может привести к потере целого класса осознанного контента: пациенты не могут узнавать лица или улавливать движение, видеть цвет или воспринимать пространство.
Выходит, что зрительные образы, звуки и другие жизненные ощущения зарождаются в пределах задней коры головного мозга. Насколько мы можем судить, почти все осознанные переживания берут свое начало именно там.
В чем заключается принципиальная разница между этими затылочными зонами и значительной частью лобной коры, которая не вносит непосредственного вклада в субъективный контент? По правде сказать, мы не знаем. И все-таки — и это волнующе! — недавние открытия указывают на то, что ученые могут быть близки к разгадке.
Счетчик осознанности
На настоящий момент в медицине наблюдается неудовлетворенный спрос на устройство, которое достоверно регистрировало бы присутствие или отсутствие сознания у инвалидов или пациентов с нарушениями. Для операций, к примеру, больных подвергают наркозу, чтобы они не двигались, сохраняли стабильное кровяное давление, не испытывали боли, а впоследствии не имели травматических воспоминаний. К сожалению, это удается достичь не всегда: ежегодно сотни пациентов под действием анестезии находятся в той или иной степени в сознании.
Другая категория больных с серьезным повреждением мозга в результате травмы, инфекций или тяжелейшего отравления может годами существовать, не имея возможности разговаривать или реагировать на обращения. Доказать, что они ощущают жизнь, — крайне трудная задача для врачебного ремесла.
Вообразите себе затерявшегося во вселенной космонавта, который внимает попыткам центра управления полетами связаться с ним. Вышедшее из строя радио не транслирует его голос, отчего мир считает его пропавшим без вести. Примерно так можно описать безысходную ситуацию больных, чей поврежденный мозг лишил их контакта с миром, — своего рода крайняя форма одиночного заключения.
В начале 2000-х годов Джулио Тонони из Висконсинского университета в Мадисоне и Марчелло Массимини, сегодня он трудится в Миланском университете в Италии, впервые применили метод под названием zap and zip, чтобы определить, в сознании человек или нет. Ученые прикладывали к черепу катушку с проводами в оболочке и посылали удар током (zap) — сильный заряд магнитной энергии в череп, который вызывал кратковременный электрический ток. Это возбуждало и тормозило партнерские клетки нейронов в связанных областях цепи, и волна резонировала по коре мозга до тех пор, пока активность не затухала.
Сеть закрепленных на голове датчиков электроэнцефалограммы записывала электрические сигналы. По мере постепенного распространения сигналов их следы, каждый из которых соответствовал определенной точке под поверхностью черепа, преобразовывались в фильм.
Записи не демонстрировали какой-то типичный алгоритм — но и не были совершенно случайными. Интересно, что чем более предсказуемыми были вспыхивающие и угасающие ритмы, тем более высока была доля вероятности того, что мозг был в бессознательном состоянии. Ученые замерили это предположение, сжав данные видеоролика с помощью алгоритма, которым архивируют компьютерные файлы в ZIP-формате. Сжатие предоставило оценку сложности реакции мозга. Добровольцы, которые находились в сознании, продемонстрировали «показатель сложности пертурбаций» от 0,31 до 0,70, причем индекс падал ниже 0,31, если они были в состоянии глубокого сна или под наркозом. Массимини и Тонони опробовали методику на 48 пациентах с травмой мозга, которые реагировали на внешние возбудители и находились в состоянии бодрствования, и обнаружили, что во всех случаях метод подтвердил поведенческие признаки сознания.