Лестница жизни. Десять великих изобретений эволюции - Ник Лэйн

Происходит это так. В ходе эмбрионального развития в мозгу формируется грубая, предварительная система связей. Хотя нервные волокна и соединяют разные участки мозга (зрительный нерв со зрительными центрами, одно полушарие с другим через мозолистое тело, и так далее), эти связи не отличаются специфичностью или осмысленностью. По сути, генами задается лишь общая схема электрических цепей мозга, в то время как точные связи и детали этой схемы задаются опытом. Осмысленность приходит в основном с опытом, который записывается у нас в мозге. Эдельман сформулировал это так: “Какие нейроны вместе возбуждаются, те и соединяются”. Иными словами, нейроны, одновременно посылающие сигналы, усиливают свои связи (синапсы) и образуют новые связи, физически соединяющие их друг с другом6. Такие связи образуются как локально, в пределах той или иной группы нейронов (например, помогая связывать друг с другом различные разновидности зрительной информации), так и на большом расстоянии (например, соединяя зрительные центры с центрами эмоций или речи). Тем временем другие синаптические связи, соединяющие нейроны, между которыми мало общего, ослабевают, а иногда и вовсе исчезают. Вскоре после рождения человека, когда поток жизненного опыта набирает ход, наш мозг оформляется изнутри. При этом отмирают миллиарды клеток: за первые месяцы жизни человек теряет 20-50 % нейронов и десятки миллиардов слабых синаптических связей. В то же время десятки триллионов синапсов формируются и усиливаются, в результате чего в некоторых участках коры нашего мозга на каждый нейрон приходится около десяти тысяч синапсов. Синаптическая пластичность особенно сильна в первые годы нашей жизни, но в какой-то степени она сохраняется у нас до самой смерти. Монтень как-то сказал, что после сорока мы все ответственны за свое лицо. За свой мозг мы точно ответственны.

Вам, возможно, интересно, в чем состоит вклад генов в этот процесс? Не только в том, что они задают общее строение мозга, но и в том, что они определяют относительные размеры и пути развития различных его участков. Они влияют на вероятность выживания нейронов, силу их синаптических связей, соотношение возбуждающих и тормозных нейронов, общий баланс передающих сигналы между нейронами нейромедиаторов — и так далее. Ясно, что они вносят тем самым вклад и в формирование нашей личности, наши склонности (к опасным видам спорта, или наркотикам, или глубокой депрессии, или рациональному мышлению), а значит, гены влияют также на наши способности и на наш опыт. Но подробное устройство нашего мозга не определяется генами. Это и невозможно: имеющиеся у нас тридцать тысяч генов никак не смогли бы определять 240 триллионов (триллион — это тысяча миллиардов) синапсов, имеющихся в коре нашего мозга (по оценке Коха). Ведь на один ген, таким образом, приходится восемь миллиардов синапсов.

Эдельман называет этот процесс развития мозга “нейронным дарвинизмом”, тем самым подчеркивая, что в ходе приобретения опыта происходит отбор на успешные сочетания нейронов. Здесь налицо работа всех базовых принципов естественного отбора: мы начинаем с большой популяции нейронов, которые могут с равным успехом соединяться друг с другом миллионами способов. Нейронам свойственна изменчивость, и они могут усиливаться либо слабеть и гибнуть. Они борются за формирование синаптических связей и избирательное выживание в зависимости от успешности: больше всего синаптических связей образуют наиболее “приспособленные” сочетания нейронов. Впрочем, Фрэнсису Крику принадлежит известная шутка, что всю эту конструкцию лучше было бы назвать “нейронным эдельманизмом”, потому что параллели с естественным отбором здесь натянуты. Тем не менее, лежащая в основе этой конструкции идея получила широкое признание среди нейробиологов.

Эдельману принадлежит и еще одна идея, которая тоже внесла существенный вклад в изучение нейронных основ сознания, — концепция реверберирующих нейронных циклов, которые сам Эдельман назвал термином — не очень вразумительным — “параллельные повторно входящие сигналы”. Суть в том, что нейроны, возбуждающиеся в одном участке мозга, могут связываться с нейронами в других, удаленных участках, и последние отвечают на возбуждение первых, формируя проходящую по другим связям временную нейронную цепь, многократно возбуждающуюся в ответ (реверберирующую) синхронно со всеми этими нейронами, пока другие входящие сигналы не разрушат этот временный ансамбль и не заменят его другим, тоже реверберирующим в унисон. Эта идея Эдельмана прекрасно согласуется с идеями Крика и Коха, а также Вольфа Зингера (хотя нельзя не отметить, что для того, чтобы найти общее между их концепциями, нередко приходится читать между строк: не много я знаю областей науки, в которых главные действующие лица так мало ссылаются друг на друга, редко удосуживаясь даже опровергать неудачные идеи оппонентов).

Сознание работает в масштабе времени от десятков до сотен миллисекунд7. Если на одно мгновение показать нам одно изображение, а через сорок миллисекунд — другое, мы сознательно воспримем лишь последнее: нам покажется, что первого мы вообще не видели. И все же с помощью микроэлектродов и сканирования мозга (например, по методу функциональной магнитно-резонансной томографии) можно убедиться, что зрительные центры мозга зарегистрировали и первое изображение — просто оно не получило доступа к нашему сознанию. Судя по всему, чтобы пробиться к сознанию, набору нейронов нужно реверберировать в унисон в течение нескольких десятков или даже сотен миллисекунд, что снова возвращает нас к открытому Зингером ритму с частотой 40 Гц. И Зингер, и Эдельман показали, что в удаленных участках мозга действительно синхронно возникают подобные колебания, между которыми происходит “фазовая автоподстройка частоты”. Другие группы нейронов автоматически подстраиваются под другие фазы, возбуждаясь чуть с меньшей (или большей) частотой. Фазовая автоподстройка дает принципиальную возможность отличать друг от друга разные аспекты зрительной информации об одной и той же картине. Например, можно подстраивать частоту подачи всех элементов информации о видимой нами зеленой машине под одну фазу, а все элементы информации о едущей рядом с ней синей машине подавать с немного другой частотой и подстраивать под другую фазу. Такая автоподстройка позволяет сознанию не путать две машины.

У Зингера есть очаровательная идея, объясняющая, как подстроенные по фазе колебания связываются воедино на более высоком уровне — на уровне самого сознания, то есть как эти колебания привязываются к информации, поступающей от всех других органов чувств (слуха, обоняния, вкуса и так далее), а также к чувствам, памяти и речи, создавая у нас ощущение единства сознания. Зингер называет этот механизм нейронным рукопожатием. Оно позволяет иерархически распределять информацию “по ячейкам”, помогая всем ее составляющим найти свое место. Лишь верхушка этой иерархии, занимаемая своего рода главным резюме всей бессознательно получаемой информации, воспринимается нами сознательно.

В основе нейронного рукопожатия лежит простой факт: когда нейрон возбуждается, его мембрана деполяризуется, и он не может снова возбуждаться, пока она не реполяризуется. На это требуется некоторое время. А это означает, что если нейрон получает новый сигнал во время “отдыха” (реполяризации), реакции на такой сигнал не последует. Если нейрон возбуждается с частотой шестьдесят раз в секунду (6о Гц), он неизбежно сможет получать сигналы только от тех нейронов, возбуждение которых совпадает по фазе с его собственным. Ведь если, например, другая группа нейронов возбуждается с частотой семьдесят раз в секунду (70 Гц), в большинстве случаев она будет возбуждаться не синхронно с первой группой, и они будут работать как независимые подразделения, неспособные “пожать друг другу руки”. С другой стороны, если другая группа нейронов возбуждается реже, например с частотой 40 Гц, то период, в течение которого нейроны этой группы реполяризованы и готовы возбуждаться в ответ на поступающие сигналы, будет продолжительнее. Такие нейроны уже смогут возбуждаться в ответ на сигналы, поступающие от нейронов, возбуждающихся с частотой 70 Гц. Иными словами, чем ниже частота импульсов, тем больше перекрывание фаз и тем больше возможностей для “рукопожатий” с другими группами нейронов. Это позволяет распределять частоты следующим образом. Самые частые колебания связывают все элементы каждой составляющей информации, поставляемой зрением, обонянием, памятью, эмоциями и так далее, так что за каждую из этих составляющих отвечает свое подразделение. Менее частые колебания связывают уже всю информацию, поступающую от органов чувств и других структур нашего организма, в единое целое (соответствующее карте второго порядка в терминах Дамазью). Непрерывные изменения этого целого и порождают поток сознания.