Для меня большая честь быть приглашенным на Петербургский семинар по когнитивным исследованиям. Я хотел бы посвятить свое выступление поискам новой теории мозга. При этом я буду исходить из того, что пытаться объяснить мозг, не обращаясь к его когнитивным функциям, равнозначно попыткам понять книгу, изучая ее физические характеристики и не обращаясь к содержанию ее текста. Адекватная теория мозга обязана быть одновременно и когнитивной теорией. Возникающую при этом психофизиологическую проблему, проблему соотношения разума и мозга или mind-brain problem, я символически обозначу как ГЛАВНУЮ (MAIN – Mind-brAIN) проблему современной нейронауки. В своем выступлении я предложу концептуальный каркас, направленный на решение этой проблемы, – гиперсетевую теорию мозга.
Выдающийся нейробиолог Теодор Баллок заметил как-то, что трудно представить явление более редкое, чем теория в нейронауке. Большинство из нас, занимающихся мозгом, выросло на скептическом отношении к теоретическим измышлениям. Однако в отсутствие стержневых теоретических принципов огромный объем данных современной экспериментальной нейронауки превращается в необобщаемый конгломерат фактов, никак не приближающий науку о мозге к решению ее ГЛАВНОЙ проблемы. Каковы же основания рассчитывать на возможность изменения этой ситуации?
Исследования в нашей лаборатории долгое время были связаны с изучением нейробиологических следов субъективного опыта – памяти. В частности, нас интересовали молекулярные механизмы, отвечающие в мозге за формирование долговременной памяти. Нам удалось найти гены, которые активируются в нейронах, когда животное сталкивается с какой-то новой для него ситуацией. Мы обнаружили, что если заблокировать работу даже одного такого гена, то мозг, приобретший новые знания, будет неспособен сохранить их на долгое время. Иными словами, активация таких генов, наиболее интересным из которых оказался «немедленный ранний ген» c-fos, является критическим молекулярным звеном закрепления индивидуального опыта в нервной системе. При этом всплески активности гена c-fos происходят именно в тех клетках мозга, которые являются носителями того или иного нового субъективного опыта.
В связи с этим нам быстро стало ясно, что эти гены могут выступить и новым инструментом изучения когнитивных функций мозга. В 1989 году на Ленинградской конференции по изучению высшей нервной деятельности я предложил подход, позволяющий использовать эти гены как молекулярные инструменты для визуализации больших сетей нервных клеток, распределенных по разным структурам головного мозга и совокупно кодирующих элементы индивидуального опыта.
Сегодня мы работаем с целым набором основанных на этом подходе новых методов, которые позволяют нам изучать свойства и работу когнитивных клеточных сетей. Это и классическая микроскопия мозга, и флуоресцентная ультрамикроскопия, и серийная двухфотонная томография. Например, когда мы используем серийную двухфотонную томографию, визуализирующую целый мозг животного с клеточным разрешением, мы способны реконструировать всю сеть нервных клеток, возбуждающихся в мозге во время одного когнитивного эпизода.
В последнее время мы также перешли от изучения следов опыта, оставляемых генетической активностью в мозге животного после его смерти, к прижизненным исследованиям закономерностей формирования этих следов. В этом нам помогают такие методы, как двухфотонная микроскопия или же мини-микроскопия, когда на голову свободно передвигающегося животного монтируется весящий всего пару граммов миниатюрный микроскоп, позволяющий разглядывать, как разряжаются помеченные генетическими сенсорами нервные клетки головного мозга во время поведения и обучения. Оптоволоконные методы, использующие в качестве световодов тонкие оптические волокна, позволяют нам опуститься в мозг еще глубже.
Более того, очень важно, что в нашем арсенале появились методы не только визуализации когнитивных сетей, но и их причинных исследований. Сегодня мы можем не только задавать вопрос о том, возникает ли активность клеток нейронной сети каждый раз, когда возникает тот или иной опыт. Теперь мы также можем, «поймав» эту сеть, «захватив» эти нервные клетки специальными генетическими методами и воздействуя на них, вызвать те же когнитивные состояния или поведение, которые были в момент формирования этой специализированной сети. Для этого используются методы оптогенетики и хемогенетики.
Какие новые возможности создают все эти новые методы? Они позволяют нам сегодня увидеть и исследовать клеточные следы субъективного опыта – то есть сознания, взятого в наиболее фундаментальном значении этого термина. Поэтому я считаю, что естественнонаучное понимание сознания – самая важная задача, которая стоит сегодня на повестке исследований мозга. Результатом этих исследований должен стать пересмотр представлений о сознании, происходящих из обыденного опыта и созерцательной философии, в пользу естественнонаучной теории сознания, описывающей этот процесс на уровне системных структур мозга с их качественно фундаментальными, то есть нередуцируемыми, атрибутами субъективности.
Каковы наиболее общие требования к подобной теории? Как любая фундаментальная теория, она должна содержать некоторое число основополагающих принципов. Эти принципы должны быть формализованы, что требует разработки соответствующего математического аппарата. Вслед за формулировкой главных принципов из них должны быть выведены предсказания, которые обязаны далее пройти проверку в экспериментах. Выполнение совокупности этих условий сможет приблизить методологию исследований в нейронауке к методологии фундаментальной физики, когда теории формулируются в виде первых принципов, из которых затем выводятся следствия, содержащие предсказания еще не наблюдавшихся явлений, существование которых потом проверяется в экспериментах.
Далее я буду говорить о некоторых шагах в поисках подобной фундаментальной теории. Следует сразу предупредить, что они еще не являются окончательно вызревшим решением, поэтому многие мои сегодняшние высказывания следует воспринимать как предположения и их обсуждение вслух. Собственно, поэтому у нас семинар и дискуссия.
Начать я хотел бы с обсуждения вопроса о том, должна ли искомая теория быть единой когнитивной теорией, или задачу можно решить совокупностью частных теорий, специализированных на разных когнитивных процессах и функциях.
Мы знаем, что когнитивная наука возникла в середине XX века в результате интуитивного ощущения представителей разных дисциплин, что они изучают один и тот же предмет. Но, несмотря на серию предпринятых попыток, единой теории в когнитивной науке так и не появилось. Поэтому мы вправе задать сегодня два вопроса: существует ли вообще общий предмет у когнитивной науки и возможно ли построение единой когнитивной теории?
В этом отношении существуют две стратегии: поиск всеохватывающих моделей, в которых когнитивная наука организована как единое целое, или же построение частных теорий и последующий поиск связей между этими многообразными разделами – синтез. Многие исследователи сравнивают первую стратегию с «теорией всего» в физике и испытывают скептицизм по поводу возможности решения этой задачи. Широко распространена точка зрения, что когнитивная сфера не охватывается универсальными закономерностями, а может быть описана лишь набором частных законов, специфических для каждого из ее доменов. Между ними необходимо выстраивать мосты, которые и приведут в итоге к когнитивному синтезу.
Я буду придерживаться противоположной позиции – единый объект когнитивной науки существует, и нахождение этого объекта не может быть итогом междисциплинарного или какого-то иного синтеза частных теорий. Согласно этой позиции, различные локальные взгляды в когнитивной науке должны быть производными от единой теории, дающей фундаментальное понимание феномена когнитивности. Выражаясь эпистемологическим языком Эйнштейна, мы хотим, чтобы все наблюдаемые нами факты логически вытекали из нашего теоретического понимания природы, в данном случае принципиальной природы когнитивной реальности.
Для того, чтобы обозначить эту искомую когнитивную реальность, требующую объяснения в теории, я введу новое понятие: когнитом. Этим термином я обозначу особый слой реальности, скрытый от нашего непосредственного восприятия и проявляющий себя в активности мозга, поведении и психологической феноменологии.
Термин «когнитом» следует читать так же, как «геном». Я дам следующее предварительное определение когнитома, не насыщая его пока теоретической детализацией: когнитом – это полная система опыта организма, его элементов и их связей, сформированная в процессе эволюции, индивидуального развития и обучения.
Рассматривая когнитом как особую форму организации материи, его можно также определить как специфический орган, часть тела, высокопорядковую структуру нервной системы. Данная структура тождественна тому, что в англоязычной литературе обозначается понятием mind.
Термин mind сложно перевести на русский язык; этим понятием охвачены и осознаваемые, и бессознательные свойства психики. Устройство и динамика когнитома, согласно вводимому мною понятию, охватывают все многообразие определяемых таким образом ментальных структур и протекающих в них процессов, определяющих поведение, психику и сознание.
Теперь, когда мы назвали искомый объект, рассмотрим некоторые специфические требования, которым должна отвечать теория когнитома.
а). Теория должна переопределить объект исследования когнитивной науки – ввести новое представление о фундаментальной природе когнитивности, отличающееся от простой суммы представлений, существующих сегодня в различных областях когнитивной науки.
б). Теория должна объединить небольшим числом постулатов многие известные наблюдения в когнитивной сфере, объясняя их как частные случаи общих фундаментальных принципов. Она должна также предложить алгоритмы такого выведения – правила, которые способны объяснить появление феноменов психики и сознания из нервной активности когнитивного агента.
в). Теория должна соотнести предложенные ею модели с закономерностями возникновения психики и сознания в эволюции и индивидуальном развитии. Предлагаемые теорией алгоритмы должны объяснить, как и почему сознание возникало в филогенезе, а также когда, как и почему оно возникает в ходе онтогенеза.
г). Теория должна соотнести свои положения с классическими объектами когнитивной науки – такими как научение, формирование концепций, индивидуальная память, сознание, язык и др.
д). Теория должна дать принципиальный ответ на ключевые нерешенные вопросы когнитивной науки – проблему соотношения разума и мозга, сознания и бессознательного, врожденного и приобретенного, разума человека и разума животных, локализованных и распределенных функций мозга и ряд других.
е). Теория должна быть спроецирована на ключевые философские проблемы – психофизическую проблему (mind-body problem), проблему свободы воли и ряд других проблем, составляющих философский дискурс когнитивной науки.
ж). Теория должна предложить эксплицитные проверочные тесты для вводимых в ней принципов и их следствий, предложить пути их сопоставления с эмпирическими фактами.
з). Теория должна открыть совершенно новые направления исследований мозга и психики – что мне как экспериментатору интереснее всего.
Самым трудным вопросом для теории когнитома является проблема нервных основ сознания. Приведу лишь некоторые требования к тому, как должно выглядеть это решение, сформулированные одним из пионеров современных исследований данной проблемы Джеральдом Эдельманом[53]. Биологическая теория сознания, согласно Эдельману, должна: адекватно решать психофизиологическую проблему; объяснять эволюционную адаптивность сознания; объяснять казуальность психических процессов; объяснять субъективные состояния (qualia); а также служить концептуальным мостом между изучением психических и биологических феноменов.
В этой области сегодня существует огромное количество нерешенных вопросов. Что такое сознание, в чем его уникальная сущность? Откуда оно возникает? Почему сознание зависит от одних структур мозга больше, чем от других? Почему одни области можно удалить, и ничего не произойдет, а при удалении небольших участков других человек оказывается в коме? Почему активность одних нейронов мозга связана с состояниями сознания, а других – нет? И так далее, и так далее, и так далее.
Кроме того, от проникновения в нервные механизмы сознания зависит и понимание его биологической функции, эволюционной роли субъективного опыта. Как писал по этому поводу Эдельман: «Моя главная цель… состоит в том, чтобы привлечь внимание даже экспертов в области биологии к тому факту, что теоретический каркас, в рамках которого мы предприняли усилия понять биологию, в радикальной степени не завершен»[54]. Он имел в виду, что многие вопросы эволюционной морфологии, индивидуального развития, эволюционной теории, другие глубокие биологические проблемы не находят окончательного решения, пока мы не решим проблему нервных основ и функций сознания.
Теперь я хочу перейти к ГЛАВНОЙ проблеме – проблеме соотношения разума и мозга. Мой первоначальный тезис будет таким: с введенным выше понятием когнитома и введенным ранее в нейронауке понятием коннектома мы можем переформулировать эту проблему как проблему соотношения двух теоретически сходных структур – когнитома и коннектома. Понятие «структура» в этом высказывании является ключевым, а за словами об их теоретическом сходстве лежит идея представления обеих структур как сетей, описываемых математическим аппаратом теорией сложных сетей[55].
Коннектом – термин, который был предложен в 2005 году в двух независимых работах – докторской диссертации Патрика Хагмана[56] и статье Спорнса, Тонони и Кёттера «Человеческий коннектом, структурное описание человеческого мозга»[57]. Тезис был достаточно прост: для того, чтобы понять, как работает любая сеть, а любую нервную систему мы можем представить как сложную сеть, нам необходимо знать ее элементы и их связи – то есть иметь описание ее структуры. Соответственно, перед современной нейронаукой стоит задача подробного изучения сетей головного мозга, которые описываются теперь как коннектомы.
Национальный институт здоровья США финансирует в настоящее время крупнейший проект The Human Connectome по реконструкции коннектома мозга человека. В него вовлечено большое количество ученых и испытуемых-добровольцев. В проекте осуществляется картирование связей в головном мозге человека с помощью одной из вариаций магнитно-резонансной томографии – метода трактографии. Одновременно проводится анализ активности мозга этих же добровольцев в когнитивных задачах методами магнитоэнцефалографии, электроэнцефалографии и фМРТ, чтобы понять, как анатомия нервных сетей связана с функциональными сетями, выявляемыми по скоррелированной активности мозга. Кроме того, у части из этих испытуемых проводится полное секвенирование генома, чтобы понять, как когнитивные функции и свойства активности мозга соотносятся с генами, определяющими развитие мозга.
Развиваются и стимулируемые этими задачами новые методы. Например, в проекте The Human Connectome работает большая команда физиков, которым удалось существенно повысить пространственное разрешение магнитно-резонансной томографии, позволяющей теперь различать достаточно мелкие участки мозга, которые содержат сравнительно небольшое количество нервных клеток.
Кроме того, проводится много исследований по так называемым региональным коннектомам, описывающим связи между несколькими областями мозга или же локальные связи внутри структур мозга. Ведутся также исследования коннектомов на клеточном уровне. Для этого используются иные методы, в частности метод серийной электронной микроскопии, реконструирующий отдельные клетки и их связи. Пока на клеточном уровне полностью прокартирован лишь один коннектом. Это коннектом наиболее популярного простого нейробиологического объекта – почвенной нематоды Caenorhabditis elegans, содержащий всего триста два нейрона и около восьми тысяч химических синапсов. С помощью электронной микроскопии были найдены все эти нервные клетки и связи между ними.
Почему исследования коннектомов столь важны для теории мозга? Потому что представление любого эмпирического объекта в качестве сети является важным теоретическим актом. Концептуализация нервной системы как сети – это первый шаг в теоретическом описании мозга.
Вслед за ним следует второй шаг, вытекающий из введенного мною понятия когнитома. Когнитом, то есть разум, также можно рассматривать как сеть. И если мы начнем интерпретировать нервную систему, огромное количество ее связанных клеток как сеть – с одной стороны, а разум со всеми его связанными элементами тоже как сеть – с другой стороны, то мы можем переформулировать в новой и более конкретной постановке многовековую психофизиологическую проблему.
Если мозг – сеть, и разум – сеть, то проблема соотношения мозга и разума – это проблема соотношения двух сетей. Это кажется многообещающей новой формулировкой ГЛАВНОЙ проблемы, потому что два рядоположных объекта сравнивать гораздо легче, чем недостаточно структурированную res extensa и еще более расплывчатую res cogitans.
Но теперь я сделаю следующий, третий, шаг. Я хочу привлечь к нему особое внимание, потому что он обрывает выстраивавшуюся выше логику и утверждает, что она ведет в тупик. И я хочу высказать это утверждение максимально определенно.
На протяжении предыдущей части своего выступления я излагал материал так, как если бы описание мозга как коннектома является будущим нейронауки, а изучение нервной системы как сети является перспективой познания сущности мозга. Именно так считают тысячи нейроученых по всему миру. Но далее я хочу сказать: по моему мнению, это тупиковое направление развития. Это, конечно, не означает, что мы не должны пользоваться результатами сетевых исследований мозга, но это означает, что теоретические представления о мозге как сети недостаточны для объяснения феноменов и процессов, с которыми имеет дело когнитивная наука. Иными словами, они не пригодны для решения ГЛАВНОЙ проблемы нейронауки – психофизиологической проблемы.
Почему? В дальнейшем изложении я выделю два недостатка теории сетей, которые, на мой взгляд, препятствуют ее использованию для решения ГЛАВНОЙ проблемы. Но здесь я хотел бы указать на наиболее принципиальный изъян нейросетевого подхода. Он возникает при попытке применить его к решению проблемы соотношения мозга и разума. Я приведу для иллюстрации этого дефекта слова Ильи Пригожина и Изабеллы Стенгерс: «Как подчеркивал Джозеф Нидэм, западноевропейская мысль всегда испытывала колебания между миром-автоматом и теологией с ее миром, безраздельно подвластным богу. В этой раздвоенности – суть того, что Нидэм называет «характерной европейской шизофренией». В действительности оба взгляда на мир взаимосвязаны. Автомату необходим внешний бог»[58].
Этой цитатой я хочу подчеркнуть дуалистическую безнадежность, возникающую из представления коннектома и когнитома как двух сетей. Если мы будем рассматривать все функции мозга как атрибуты нервной сети, то мы сталкиваемся с тем, что такой сети для выполнения ее функций не нужна психика; а разум как сеть, с другой стороны, не выступает интегральной частью нервной сети.
Отсюда следует мое заключение, что сопоставление коннектома и когнитома как двух самостоятельных сетей является тупиком. Для решения ГЛАВНОЙ проблемы нейронауки, проблемы мозг-разум, необходим принципиально иной подход – единая теория более высокого уровня. Чтобы приступить к ее формулировке, необходимо разобраться детальнее в устройстве когнитома и ввести еще одно новое понятие: «ког».
Когнитом обладает зернистой структурой – он состоит из элементов, когнитивных частиц. Эти когнитивные элементы я буду называть когами.
Понятие «ког» имеет двойной смысл. В английском языке cog – это маленькая, подчиненная, но интегральная часть целой системы. В когнитоме же ког – это элементарная единица специфического опыта организма, квант когнитивной системы.
У термина ког есть и другой смысл – это аббревиатура от понятия Cognitive Group или Когнитивная Группа (КоГ). В этом втором смысле КоГ – это объединение функционально связанных нейронов, совокупно обусловливающих элемент специфического опыта.
Таким образом, мы имеем двуединое понятие кога, в котором, с одной стороны, речь идет о популяции нейронов, а с другой – о специфическом эмерджентном элементе когнитивного агента, рождающемся из этих функционально взаимосвязанных клеток.
В этом отношении концепция когов обобщает представления, с одной стороны, теории функциональных систем П. К. Анохина, а с другой – теории клеточных ансамблей Хебба. Насколько мне известно, никто из нейроученых двадцатого века детально не разбирал соотношения этих двух теорий, а это фундаментальный вопрос. Понятие функциональной системы и понятие клеточных ансамблей, которыми пользуются исследователи высших функций мозга в разных культурных этносах, не эквивалентны. Более того, они возникли из очень разных научных направлений и традиций.
Понятие функциональной системы, введенное П. К. Анохиным[59], развивает традицию, берущую начало от Сеченова и Павлова, – оно отражает движение к психологии от физиологии, от возникновения в процессах естественного и соматического отбора специфических физиологических интеграций, которые обеспечивают достижение организмом полезных приспособительных результатов в его соотношениях со средой. Понятие же клеточного или нейронного ансамбля, введенное Дональдом Хеббом[60], шло обратным путем – от психологии к физиологии. Хебб был учеником Карла Лешли – выдающегося американского психолога, к которому Павлов обращался в своем знаменитом «Ответе физиолога психологам[61]. В этом письме остро сформулирована принципиальная разница двух подходов. Задачей Лешли, а вслед за ним и Хебба, в отличие от физиологического подхода Павлова, было найти нервные субстраты для тех или иных психологических абстракций, прежде всего концепций, а также тех или иных психических функций, в частности восприятия и мышления. Если мы детально проанализируем эти два направления поисков, мы увидим, что они привели к совершенно разному дроблению нервной системы, касаются разных сообществ нервных клеток, их разного предназначения, разной степени их локальности и глобальности, разного отношения к труктурам головного мозга.
Возникает вопрос: каким образом две этих конструкции, если они существуют реально, уживаются в одной нервной системе?
Концепция когов объясняет это соотношение. Согласно ей, первичными кооперативными когнитивными группами, которые возникают в эволюции и в индивидуальном развитии, являются функциональные системы. А далее за счет их активности и перекрытия на некоторых общих популяциях клеток, как следствие этого перекрытия и долговременной нейронной пластичности, возникают локальные когнитивные группы – клеточные ансамбли.
Когда речь идет о функциональных системах, необходимо помнить, что это всегда большое количество элементов, распределенных по разным областям мозга и периферии, но объединенных взаимосодействием в выполнении какой-то общеорганизменной функции, получении целым организмом результата действия данной функциональной системы. Поэтому нервное представительство той или иной функциональной системы – это колоссальная группа клеток, которые активны в самых разных областях мозга как единое целое, образуя синхронно работающий комплекс, направленный на тот или иной общеорганизменный результат. За счет этого любую функциональную систему можно выделить по ее результату – определенному соотношению организма с предметной средой.
Исследователи же, занимающиеся нейронными ансамблями, хотя сам Хебб и писал о таких ансамблях как о совокупности клеток в коре и подкорковых структурах[62], часто применяют это понятие к локальным группам клеток, находящимся в какой-то одной структуре мозга, например в гиппокампе, миндалине, стриатуме, каком-то участке коры или даже корковой колонке[63]. Речь при этом нередко идет лишь о тысячах, сотнях или даже десятках кластеризованных нейронов[64], одним из основных свойств которых является то, что они образуют замкнутую группу, поддерживаемую собственной активностью.
Описав эти две разновидности когнитивных клеточных групп – когов, мы можем теперь дать более детальное структурное определение когнитома. Когнитом – это полная система элементов субъективного опыта – когов и их связей.
Как я говорил выше, раз существует некая совокупность элементов и их связей, то ее можно представить в форме сети, отдельными вершинами которой являются коги, а ребрами – связи между ними. Такое сетевое рассмотрение разума или когнитома уже само по себе открывает новые возможности перед эмпирическими исследованиями в когнитивной науке. Благодаря ему можно анализировать языковые сети в лингвистике, семантические и ассоциативные сети в психологии – мы можем применять к ним метрику и теоретический аппарат теории сетей.
Но, как я уже говорил выше, такой подход не позволяет нам построить теорию, адекватно решающую ГЛАВНУЮ проблему, – создать теорию когнитивного мозга. Этому препятствуют два фундаментальных ограничения теории сетей: во-первых, теория сетей описывает лишь попарные, но не множественные отношения объектов; а во-вторых, теория сетей не имеет аппарата, описывающего возникновение качественно новых уровней в многоуровневых системах.
Я начал работать над теорией когнитома в 2012 году, и до конца 2013 года придерживался идеи представления когнитома и коннектома в виде двух сетей и задачи нахождения их соотношений. Какое-то время этот путь казался мне оригинальным, открывающим перспективы новых исследований и решения многих традиционных вопросов в когнитивной науке.
Изложу еще раз эту логику. Я исходил из того, что на первом шаге мы представляем любую нервную систему как сеть, применяя к ней весь аппарат теории графов и теории сетей, всю их метрику, и получая возможность формализации устройства мозга. Дальше я предполагал, что мы можем представить любой разум, любую психику тоже как сеть, выделив в ней свои специфические вершины, свои ребра, и формализовать ее описание, также используя аппарат теории сетей. И тогда, считал я, нам остается решить только одну достаточно ясную проблему: как в объеме мозга одна сетевая структура связана с другой сетевой структурой?
Однако в этом месте на протяжении двух лет я постоянно упирался в непреодолимые препятствия. Когда-то интуитивно, когда-то эксплицитно. Первая сложность возникала при попытках формализации функциональных систем и нейронных ансамблей и состояла в том, что теория сетей успешно описывает попарные отношения узлов, но не множественные отношения больших популяций элементов, образующих одно качественно новое целое.
Вторая сложность состояла в том, что я не мог найти адекватного математического аппарата для описания связи двух качественно разных сетей – нейронной и когнитивной, основанных при этом на одном и том же материальном субстрате. Другими словами, я не находил в теории сетей формализма, описывающего соотношение разных уровней у сложных материальных систем, возникновение нового качества в таких многоуровневых системах.
С начала 2014 года у меня возникло другое решение, над которым я в настоящее время работаю, и могу пока лишь коротко рассказать о нем. Мое текущее решение – гиперсеть.
Кажется, что понятие гиперсети звучит очень близко к понятию сети. Надо немного «прибавить» чего-то поверх сети – и мы будем иметь гиперсеть. В действительности это не так. Гиперсети состоят из совершенно особых элементов – геометрических структур, известных как «реляционные симплексы» или «гиперсимплексы». Основание гиперсимплекса содержит множество элементов одного уровня, а его вершина образуется описанием их отношений и приобретает интегральные свойства, становясь элементом сети более высокого уровня. Гиперсеть – это высокопорядковая структура, состоящая из вершин гиперсимплексов[65].
Главное, что необходимо понять в концепции гиперсети, – что это не две сети, одна нижняя, другая верхняя, связанные какими-либо отношениями. Это одна единая структура. И эта структура – не просто многослойная, многоуровневая сеть. Это новый объект, который имеет принципиально иную, чем сети, архитектуру, закономерности формирования и динамики. И главное, качественно иную, более высокопорядковую сущность, которую и отражает приставка «гипер». И так же, как теория когнитома не является суммой из различных представлений в области когнитивной науки, теория гиперсети не вытекает из суммы представлений сетевой науки. Это качественно иная теория.
У меня нет возможности останавливаться на изложении деталей складывающейся гиперсетевой теории, но хочу подчеркнуть, что главное ее свойство – это то, что она описывает процессы в эмерджентных многоуровневых системах. Образно можно сказать, что гиперсети – это сети сетей сетей.
Я подхожу к заключительным тезисам своих поисков. Сегодня я предполагаю, что любой когнитом можно описать как когнитивную нейронную гиперсеть, где коги – это гиперсимплексы, основания которых образованы клеточными когнитивными группами, чему соответствует понятие кога как аббревиатуры от обозначения таких групп; а вершины этих гиперсимплексов образуют узлы в когнитивной гиперсети, которым соответствует второй смысл термина ког – качественного специфического элемента когнитивной системы. При этом вершине каждого такого нейронного гиперсимплекса можно приписать уникальное «имя». Это означает, что вершины таких нейронных конусов имеют качественно специфические каузальные характеристики, свойственные элементам опыта целого организма и не выражаемые на языке физиологического описания работы мозга.
Проиллюстрирую это примером из теории гиперсетей: если вы имеете три одинаковых блока, то построив их отношения определенным образом, например, поставив два блока вертикально и положив третий горизонтально на них, вы получаете объект с новым качеством, которое можно охарактеризовать, дав ему особое имя, к примеру «арка» – нечто имеющее проем, через который можно пройти. Коги тоже получают такие имена, только в терминах опыта организма о его соотношениях с миром, и становятся благодаря этому уникальными объектами в когнитивной гиперсети мозга – когнитоме.
Я хотел бы закончить тем, что все рассказанное выше, – это поиски. И когда я говорил, что мои высказывания следует воспринимать скорее как вопросы, это было связано с тем, что в этом поиске я постоянно «переписываю» многие места, которые, казалось, уже были завершены начисто. Но одну вещь в течение этих лет я вижу все более и более ясно. Я проиллюстрирую ее одним недавним наблюдением, и вы далее можете сами проверить его, наблюдая за тем, что происходит в мировой науке.
Я только что вернулся из США, с крупной международной конференции в лаборатории Колд Спринг Харбор – института, с работами которого исторически связан прогресс в области расшифровки генетического кода, вирусологии, микробиологии, биологии развития, эволюционной биологии, молекулярной онкологии, иммунологии. Однако в этом году впервые за восемьдесят лет темой традиционной ежегодной конференции этого института явились высшие познавательные функции организма[66]. Я имел возможность прослушать все доклады, и вот какой примечательный вывод: конференция, на мой взгляд, абсолютно не соответствовала заявленному амбициозному названию – Cognition. Простое этому подтверждение: большинство сообщений, за исключением трех, было посвящено вовсе не высшим когнитивным функциям – их специфическим качествам, доклады даже не имели термина cognition в своих названиях. Вместо этого, они были связаны с теми или иными вопросами традиционной нейронауки, пусть даже и системной. Вспоминая слова Пригожина и Стенгерс, этот путь ведет к картине мира-автомата, но не к решению проблемы субъективного опыта. И, по моему мнению, это характеризует общую ситуацию в современной когнитивной нейронауке: она не имеет принципиального решения или даже удовлетворительного подхода к конструктивной работе над ГЛАВНОЙ проблемой.
Подводя общий итог моего выступления, сущность любой когнитивной системы – ее когнитом – можно теоретически описать как когнитивную нейронную гиперсеть. В ней кооперативные группы нейронов формируют гиперсимплексы – коги, вершины которых образуют узлы когнитивной гиперсети. Поэтому, если мы, подобно физикам, хотим записать теорию в виде одной формулы, то черновик для начала работы над ней выглядит так: Когнитом – это нейронная гиперсеть мозга.
Т.Ч.: Задам вопрос, на который, наверное, нет ответа: а это предел? Я имею в виду гиперсети. Возможен еще слой? Хорошо, вот есть сети, которые являются частью гиперсетей. Это последний уровень или мы можем представить себе еще?
К.А.: За когнитивными гиперсетями, образующими когнитом, следуют социальные гиперсети, которые можно было бы обозначить термином социом. Математическая теория гиперсетей активно используется в настоящее время для описания именно социальных гиперсетей. Если вы посмотрите на практические приложения теории гипересетей, то это и политические процессы в обществе, и предсказание поведения уличных банд, и различные экономические расчеты.
Т.Ч.: Я смотрела книжку абстрактов к упомянутой конференции Cognition, там потрясающий набор участников – все главные люди планеты, которые этим занимаются, за редким исключением. И, тем не менее, впечатление, что «каждый в своей избушке», даже если считать, что «избушка» имеет выход в интернет. То есть все между собой связаны?
К.А.: Да, связаны. Но, к сожалению, это не решает главной проблемы. Вот Ричард Аксель, нобелевский лауреат, выступал с пленарной лекцией в первый вечер, блестяще. Патриция Куль сделала замечательный доклад про освоение языка младенцами. Выступала с докладом по механизмам регуляции поведения С. elegans одна из умнейших нейробиологов Корнелия Баргман. Прекрасный доклад был у Нэнси Кэнвишер и Эвелины Федоренко, он касался локализации речевых функций в мозге и вопроса о том, почему мы имеем парадокс, когда клинические данные говорят, что есть специализация областей, а данные по имиджингу говорят, что они перекрываются. Юрий Бужаки – очень глубокий и точно думающий нейрофизиолог. Еще доклады нобелевских лауреатов – Судзуми Тонегавы, Джеймса Уотсона… И какой же итог? Все между собой связаны, все варятся в одном котле, но, как я уже упоминал, из двухсот докладов слово cognition присутствовало в названиях всего трех. Вся конференция, несмотря на свое название, Cognition, была о нервных, а не о когнитивных системах, на ней не рассматривались специфические свойства и принципы, присущие именно когнитивному уровню организации мозга. В последний вечер я ужинал с Уотсоном, который был инициатором всей конференции и автором ее главной идеи, и сказал ему об этом. Он обиделся. Но это действительно так.
Участник 1: У меня, если позволите, пара онтологических вопросов, что, в общем, логично, если предлагается новая теория. Первый вопрос связан с тем, который задавался предыдущему докладчику по поводу алгоритмизации работы мозга; имплицитно спрашивающий предполагал, что если физика может описать работу мозга, то это можно каким-то образом формализовать и алгоритмизовать. Онтологический вопрос связан с тем, что сейчас даже физика, несмотря на высокий консенсус в этой науке, страдает существенными спорами внутри себя; известно, что квантовая механика совместно с теорией относительности рождают невычислимость эффекта, ради преодоления этого и была введена теория струн. И есть, насколько мне известно, ряд работ по невозможности физического описания процессов, происходящих в мозге. В частности, про это пишет Пенроуз, которого, кстати, многие обвиняют в том, что он выступает за алгоритмизацию, но, насколько я его читал, это немного не с этим связано… То есть онтологический вопрос в том, уверены ли вы, что сети, которые вы складываете в то, что называете когнитомами, сети, которые вы регистрируете в прекрасных экспериментах, которые вы продемонстрировали, – это единственные процессы, которые происходят в мозге. И нет ли чего-то такого, что вы упустили, может быть не менее важного?
К.А.: Вы спрашиваете о том, нет ли чего-то такого, чего мы не знаем и даже не имеем на это рецепторов. На этот вопрос трудно ответить, кроме как – может быть, и есть. Я постоянно смотрю по сторонам – нет ли чего-то важного, что мы пропускаем. Но пока…
В отношении же вопроса о роли физики в описании этих процессов и насколько эта роль ключевая: я здесь придерживаюсь того же взгляда, что и Дэниел Дэннет. Когда он разбирает взгляды физиков на проблему сознания и обеспечивающих его процессов, он пишет, что физический язык – не тот язык, который достает до уровня основных проблем мозга, до трудной проблемы сознания. Потому что, говорит он, люди, пришедшие в нейронауку с представлениями о квантовой запутанности, конденсатах Бозе-Эйнштейна и квантовых эффектах в микротрубочках, просто еще не добрались до самой главной и трудной проблемы мозга: как нейроны, которые сами по себе ничего не знают об искусстве, собаках или горах, собираются вместе в вещь, думающую о Жорже Браке, пуделях или Килиманджаро? Критический уровень для биологии не является физическим и даже не является химическим. А для психологии он не является не только физическим или химическим, но и даже биологическим. Он лежит не на уровне сетей, а на уровне специфических качеств гиперсетей. Если, конечно, мы не пропустили каких-то других важных вещей… Каких именно? Ряд ученых, мнение которых я уважаю, но не понимаю пока то, что они по этому вопросу говорят, предлагают обращать внимание на поля…
Т.Ч.: А если это уровень не химический, не физический, то можно сказать, что математический?
К.А.: Я думаю, что это уровень по своей сути психологический. Который может быть математически формализован, и мы к этому стремимся.
Участник 2: Стройная схема, но когда вы поднялись на уровень того, что называется когнитом, и объясняете то, что ког… Как я понимаю, имеется в виду то, что вы назвали «нечто субъективное», «ментальный опыт», но на языке каких понятий это описывается? Нужно ли создавать некий новый тезаурус? Давно известно, что междисциплинарные контакты затруднены прежде всего разными языками, и, скажем, лингвисты, даже и психологи, говоря об одном и том же, не очень понимают друг друга, используя разные термины… И здесь, вроде бы, нечто новое. Это что, некая новая психология? Подразумевается ли при этом утилизация уже имеющейся? На язык каких понятий все это нужно переводить? Потому что, когда вы объясняете, вы все-таки часто «соскальзываете» все равно на нейроны. Видимо, еще и потому, что действительно не разработан язык понятий, и вот эта структурная организация того «субъективного» – ее нет в общем, как таковой… Как к этому подобраться?
К.А: Я не имею хорошего ответа на ваш вопрос. Но могу сказать, что, безусловно, думаю об этом. Почему я исходно ввел концепцию когов? Потому что, хотя внизу конуса это когнитивная клеточная группа, одновременно наверху это вершина, имеющая новое качество – «имя». Для описания этого нового качества нейрофизиологический язык не является пригодным. Вопрос: а какой является пригодным? Если мы попробуем спроецировать на эти единицы наш феноменологический язык, возникший из описания поведения и интроспекции, взять возникавшие в результате той или иной культурной практики концепции и попробовать присвоить имена когам на основе этого, то и вы, и я понимаем, что при этом можно поскальзываться на каждом шагу. Тогда что? Моим провизорным ответом на настоящий момент является следующий.
Как я уже говорил, я выделяю несколько типов когов. Фундаментальных из них три, я скажу вначале о двух.
Первый – это функциональные системы. Я их также называю альфа-когами, потому что они лежат в основе возникновения других видов когов. Над проблемой того, каким образом определять функциональную систему как целое, работали несколько поколений теоретиков систем, причем очень сильных, таких как Вячеслав Борисович Швырков. И решение было следующим. Во-первых, функциональная система – это информационный объект. Во-вторых, это информационный объект, отражающий не процессы внутри мозга, а соотношение организма со средой. Которое выражается в результате этого соотношения для организма. В-третьих, это результат соотношения с дробленной, согласно этим потребностям организма, предметной и причинной средой. И я думаю, что на путях формализации выраженных таким образом информационных характеристик функциональной системы можно достигнуть большего, чем за счет использования языка обыденной или другой психологии.
Второй вид когов, которые я условно называю бета-когами, похож на нейронные ансамбли Хебба. Они возникают в результате того, что более крупные нейронные группы – функциональные системы, определяющие целостные соотношения организма со средой, дробятся на более мелкие, общие для нескольких функциональных систем. Вы используете какой-то объект внешнего мира в одной функциональной системе и в другой, и у вас вычленяется группа клеток, которая работает и там, и там. Такая мини-группа постепенно дифференцируется и эмансипируется от исходных функциональных систем, становясь неким самостоятельным когнитивным элементом. Я думаю, что к их описанию может быть приложен критерий, что такие коги являются отражением неких причинных факторов и отношений в окружающей среде. И если бы я строил формальную систему, нужную для искусственного интеллекта, я двигался бы по очерченным выше путям формализованного описания, не используя психологический язык.
Т.Ч.: А может ли считаться когом, например, «причинность»?
К.А: Да, конечно.
Участник 3: Если мы представляем, что такое индивидуальные коги, то интерсубъектная ситуация, когда речь идет об установлении взаимопонимания, – это коги другой природы или другого уровня?
К.А.: Спасибо, что вы задали этот вопрос. У меня есть целая часть теории, которая касается зеркальных когов. Может быть, это понятие само скажет, что я думаю по этому поводу, – это мой ответ.
Участник 4: Вопрос к определению когнитома. Подразумевается, что система в какой-то момент становится полной – и тогда может считаться когнитомом? Или предполагается, что в каждый конкретный момент изучения когнитома мы исследуем именно то, что накоплено к этому моменту? Тогда предполагается, что когнитом – это довольно неустойчивое явление, которое в каждый последующий момент развития будет изменяться. Что из этих двух определений ближе?
К.А.: Второе. Я просто не имел возможности останавливаться на этом, как и на многом другом, но я выделяю две формы или, вернее, две фазы развития когнитома: P-когнитом и S-когнитом – primary и secondary. Это, если угодно, «врожденный» и «приобретенный», хотя это, конечно, условно. Тем не менее основы когнитома, которые позволяют новорожденному организму, встречаясь со средой, распознавать в ней какие-то объекты или события, уже имея некие преформированные категории для них, и благодаря этому начинать обучаться и генерировать новые элементы когнитома, закладываются уже в процессе пренатального развития нервной системы. В своем формировании они определены предыдущей эволюцией вида и не зависят от внешней предметной среды. Это первичный когнитом. В первичном когнитоме, если вернуться к моему ответу на предыдущий вопрос, содержатся прежде всего альфа-группы, то есть функциональные системы, обеспечивающие различные поведенческие акты. Однако в нем отчасти и некоторые бета-группы, то есть категориальные элементы. Многие первичные коги возникали благодаря тому, что стабильные на протяжение десятков или сотен тысяч лет соотношения организма с постоянными условиями среды постепенно ассимилировались генетически и становились видоспецифическими концепциями и ожиданиями, которыми обладает большинство нервных систем. Мы видим, что в некоторых случаях они могут быть очень сложными, как, например, в случаях с биологическими предпосылками языка. Таким образом, первичный когнитом эволюционирует. И далее на его основе в результате индивидуального обучения и опыта формируется вторичный когнитом. Который тоже не неизменен. Безусловно, он имеет свою структуру, и эта структура представляет собой память. Но мы очень давно работаем с памятью, и я много могу рассказывать про лабильность этой структуры. Каждое извлечение из памяти какого-то кога, какой-то когнитивной группы, возникающее на фоне новых условий, приводит к тому, что он отчасти переписывается; одни нейроны из состава этой когнитивной группы исключаются, начинают участвовать другие, трансформируется связь этой когнитивной группы с другими когнитивными группами, причем это происходит и во время сна, – это постоянно и динамически меняющаяся нейронная гиперсеть.
Олег Кузнецов[67]: Вы говорите о динамике когов, о том, что когнитом развивается. Так он развивается горизонтально или вверх тоже?
К.А.: Когнитом развивается горизонтально, модифицируя свою структуру во времени. Но он также развивается и вниз, и вверх.
Я поясню свою мысль. Число принципиальных уровней, которые я сейчас определяю для когнитома, – три. Два из них я уже описал – уровень альфа- и бета-групп. Альфа-уровень, как я говорил, является базисным, его составляют когнитивные функциональные системы. Мы может обозначить этот слой когнитома как слой k, где k — это knowledge. В результате обучения в нем появляются новые функциональные системы. Они возникают путем размножения существующих альфа-групп, вначале как новые способы получения результата в уже имеющихся функциональных системах, а затем и достигая своей автономии. Важно подчеркнуть, что когнитом в этом случае развивается в пределах одной той же категории когов – функциональных систем, то есть горизонтально.
Однако одновременно с активностью функциональных систем на их пересечении, как я говорил, образуется новый тип когнитивных групп – бета-коги. Они представляют собой перекрывающиеся фрагменты функциональных систем, альфа-когов. Поскольку их формирование происходит путем декомпозиции элементов k-слоя, эти когнитивные элементы лежат ниже, на уровне k-0.5.
И я не говорил еще о третьем типе когнитивных групп, которые можно условно назвать гамма-группами. Они составляют высший слой когнитома: k+1. Элементы этого слоя образуются объединением бета-групп при их синхронной активации. Такие группы представляют собой целостные состояния субъективного опыта организма, эпизоды сознания. В виде целостных интеграций они могут сохраняться в эпизодической памяти. Формирование этих гамма-групп и их фиксация в эпизодической, а у человека автобиографической памяти ведет к развитию когнитома «вверх» – к слою k+1.
Таким образом, мы получаем три модуса развития когнитома – горизонтально, для альфа-когов, вниз – возникновение бета-когов, и вверх – в направлении формирования гамма-когов. В отношении последних я хочу подчеркнуть одно принципиальное следствие гиперсетевой теории мозга. Согласно теории, сознание не может родиться из интеграции просто нервных единиц, элементов коннектома. Для того, чтобы возникло состояние сознания, необходимо, чтобы растущий когнитом «нарезал» из альфа-когов энное количество бета-когов. Только когда они появятся в достаточном количестве, возникает условие для их интеграции в гамма-коги, которые и представляют собой интеграции, знакомые нам по феноменологическим состояниям, qualia. Если же вы просто возьмете отдельные нервные клетки, не специализировавшиеся в когнитивные бета-группы, и соберете их вместе, то этим сложением вы не получите феномены сознания.