В сегодняшнем выступлении я хотел бы поднять тему фундаментальной природы когнитивности и предложить возможное решение этой ключевой проблемы в виде новой теории – теории когнитома. А далее поговорить об экспериментальных подходах к исследованию предсказаний из этого решения.
Начнем с вводных замечаний о терминологии. Говоря о проблемах когнитивной науки, я буду использовать три распространенных термина: мозг, разум и сознание.
В плане соотнесения с мировой научной практикой, придерживающейся английского языка, термин «мозг» (brain) понятен, «сознание» (consciousness) – тоже. А на термине «разум» следует остановиться. Это один из переводов английского термина mind. И с этим существуют большие проблемы, так как хорошего перевода понятия mind на русский язык не существует. Если вы посмотрите, как переводили с английского за последние десять лет книги с этим термином в названии, то в русскоязычных вариантах увидите и слово «ум», и слово «сознание», и слова «психика», «разум». Чтобы избежать этой полифонии, вместо пронизанного множественными коннотациями термина mind я буду использовать введенное мной новое понятие «когнитом». В терминологии моей теории когнитом – это научное обозначение для того, что понимается под mind – разумом или психикой в русском языке.
Помимо понятия mind термину «когнитом» близко еще одно понятие – субъект или «Я» (self). Кроме того, поскольку субъект уникален накопленным индивидуальным опытом, отличающим его от других субъектов, еще одно родственное понятие для когнитома – это память или совокупный опыт когнитивного существа. Как видите, у когнитома достаточно много различных смыслов. Далее я попытаюсь показать, как они характеризуют единый когнитом с разных сторон.
Второе важное замечание касается соотношения понятий «разум» (или «mind», или «когнитом») и «сознание». Некоторые используют эти термины как синонимы, причем не только в русской литературе, но и в английской. Однако в рамках моей теории я разделил эти термины принципиальным образом. Под понятием «разум» (mind), или, как мы теперь скажем, «когнитом», я буду понимать структуру. Под понятием «сознание» (consciousness) я буду понимать специфический процесс, который протекает в этой структуре.
Разделение между структурой и процессом принципиально важно потому, что структура может сохранять себя и в отсутствие определенного процесса. Структура когнитома продолжает существовать и в периоды, когда мы находимся без сознания, например, во время сна без сновидений. Восстановление сознания – это возвращение специфического процесса в когнитом.
Однако в когнитоме протекают и другие присущие ему процессы. Все они – когнитивные или психические, и все они свойственны только этой особой структуре. Но при этом многие из них не сопровождаются состояниями субъективных ощущений, поэтому добавим еще одно уточнение в понятиях. Говоря о сознании, мы будем иметь в виду любой процесс в когнитоме, который сопровождается качеством субъективного опыта. Это могут быть ощущаемые процессы мышления, это могут быть эмоциональные ощущения, это могут быть субъективные восприятия или ментальные образы – то, что в философии обозначается как квалиа, со всем богатством их феноменологических свойств. Важное в этих субъективных ощущениях, что это всегда именно процесс: он может прекратиться, его можно прервать.
Определив эти понятия и их демаркации, я могу перейти к главному тезису своего доклада. Он состоит в том, что, будучи правильно понятым, когнитом, или mind в его материальном выражении представляет собой не что иное, как специфическую высокопорядковую структурную организацию мозга. А мозг, следовательно, будучи правильно понятым, в своей высшей реализации представляет собой когнитом, или разум.
Ключевые слова здесь – «будучи правильно понятым». За ними скрывается мысль, что мозг так, как он рассматривался в науке до сих пор, был понят неправильно – лишь на уровне его сугубо анатомо-физиологических свойств. Например, один из известных американских нейроученых пользуется в своих выступлениях тезисом, что мозг представляет собой коннектом (термин, введенный для обозначения связей всех элементов нервной системы, см. далее), и его образом может выступать миска спагетти, напоминающая массу причудливо переплетенных нервных волокон[70]. С позиций моей теории такое понимание сущности мозга принципиально неверно. Согласно теории когнитома, в отличие от всех других органов, – печени, почек, сердца – мозг существует на качественно ином уровне структурной и функциональной организации, который я назову гиперсетью.
Итак, я ввел два ключевых понятия моей теории – «когнитом» и «гиперсеть» и связал их в рамках особой, пока еще скрытой от нас структурной организации мозга. Это можно считать краткой аннотацией к моему докладу.
Прежде чем продолжить, я сделаю еще одно существенное замечание. Оно касается того понимания когнитивности, которое мы хотим достичь в нашем поиске.
Когда мы говорим, что понимаем что-то в сфере субъективного опыта, здесь может быть два смысла. Во-первых, мы способны понять субъективный опыт, сопереживая его. Это происходит в тех случаях, когда мы выступаем как социальные агенты, и наш мозг, имеющий так называемые зеркальные системы, способен благодаря их активации воссоздать в себе – сопережить то, что происходит в мозге у другого социального агента. Это будет чувственный, или субъективный способ понимания субъективных феноменов.
Во-вторых, мы способны достичь понимания этих явлений объективным научным способом. Его ясно определил Эйнштейн: «Когда мы говорим, что понимаем совокупность явлений природы, мы имеем в виду, что нашли конструктивную теорию, которая охватывает их».
Мой тезис заключается в том, что, когда мы найдем теорию мозга и разума (а по моим представлениям, это будет одна и та же теория), она, как и любая другая научная теория, не принесет нам возможность почувствовать, пережить объясняемые нами состояния – в данном случае состояния и процессы, происходящие в другом субъекте. Научная теория, научное понимание и научное объяснение выполняют другие функции – они описывают условия, предсказывающие происхождение и существование тех или иных феноменов. С этой целью мы строим теоретические модели, охватывающие эти явления. Например, модель урагана Эль-Ниньо. Однако создание нами этой модели не означает, что в результате мы почувствуем влагу этого урагана. Научное понимание не эквивалентно чувственному.
Очень многие скептические высказывания относительно возможностей человеческого разума понять феномены субъективного опыта построены на этом недоразумении – ожидается, что такое понимание должно быть чувственным. В действительности никакая научная теория не позволит нам сопережить субъективные состояния. Например, если вы не обладаете теми органами чувств, которыми обладает изучаемое вами сознательное существо, скажем, летучая мышь, то никогда не почувствуете, каково это – быть летучей мышью. Но это не означает, что ее сознание нельзя понять научно.
Поэтому в универсальных целях мы будем искать именно научное понимание явлений когнитивности, и нам нужна конструктивная научная теория, охватывающая их.
С этими вводными установками перейдем к предмету выступления – феномену когнитивности.
На мой взгляд, ключевое препятствие, не позволяющее сегодня понять суть этого явления и сдерживающее весь прогресс в когнитивной науке, – это то, что и во время первой когнитивной революции, как ее назвал Хомский (имея в виду философскую революцию XVII–XVIII веков – обращение многих мыслителей к пониманию человеческого разума и сознания), и во время второй (которая произошла в середине XX века) не был решен главный вопрос: каким образом разум соотносится с мозгом? В его основе лежит знаменитая философская проблема mind-body или психофизическая проблема, породившая по мере роста человеческого знания научную проблему mind-brain, или, в другом выражении, психофизиологическую проблему. Удовлетворительного принятого решения этой проблемы не существует сегодня ни в философии, ни в нейронауке, ни в психологии, ни в теориях искусственного интеллекта, ни в других ветвях когнитивной науки. Лучшее, чем это решение заменяется, – коррелятивный подход. Но он никак не решает принципиального вопроса – он не противоречит ни панпсихизму, ни эпифеноменализму, ни редуктивному физикализму.
Я буду называть эту центральную проблему когнитивной науки главной проблемой – от MAIN (Mind-brAIN) problem.
Последние пять лет я работал над теорией, которая, несмотря на всю неимоверную сложность этой проблемы, давала бы ее удовлетворительное решение. Гипотетическое решение, которое у меня на данный момент существует, можно сформулировать в виде ответов на три вопроса, составляющие проблему соотношения мозга и разума. Вот эти вопросы.
1. Что такое мозг?
2. Что такое разум?
3. Как соотносятся мозг и разум?
Отправной пункт в решении этих вопросов – выдвинуть идею, что любой мозг может быть представлен как сеть – то есть описан в терминах теории сложных сетей или теории графов. И это распространенное сегодня представление.
Следующий шаг более оригинален. Он состоит в идее, что и любой разум можно формально описать как математическую структуру – сложную сеть. В последние годы в когнитивной науке появляются первые работы, использующие такой подход, но их пока очень мало. Однако я думаю, что в будущем следует ожидать всплеск подобных исследований.
Обратим теперь внимание на соотношение этих двух тезисов, которое дает интересное следствие для рассмотрения главной проблемы. Как я сказал выше, мы будем понимать под разумом определенную структуру – когнитом. Таким образом, вопрос о соотношении мозга и разума приобретает форму проблемы соотношения двух структур. И теперь мы говорим, что обе эти структуры могут быть описаны на одном и том же языке – в понятиях теории сложных сетей. Это превращает невероятно сложную психофизиологическую проблему во вполне конкретный научный вопрос: как соотносятся две эти сети, расположенные в одном и том же объеме черепа?
Теория когнитома дает ответ на этот вопрос, прибегая к понятию, взятому из области алгебраической топологии и выходящему за рамки представлений о сетях. Теория говорит, что разум – структура, которую мы обозначили как когнитом, является нейронной или нервной гиперсетью (neural hypernetwork).
Обратим внимание, что данный тезис, по сути, отрицает два предыдущих. Да, мозг формально может быть представлен как сеть и описан на языке теории сетей. Но, как утверждает теория, такое представление неверно. Мозг, а нас интересует разумный мозг, – это не нервная сеть, а нервная гиперсеть – структура, обладающая совершенно иным устройством и качествами.
Да, разум тоже может быть формально представлен как сеть и описан в терминах традиционной теории сетей. Но и это, согласно выдвигаемой теории, неверно. В действительности разум является гиперсетью, что по своей организации и свойствам совсем другой объект, чем сеть.
В итоге теория отвергает интуитивно привлекательные ответы на два первых вопроса, выдвигая принципиально новую модель соотношения мозга (brain), и разума (mind). Согласно теории, это одна и та же структура – нервная гиперсеть. Иными словами, на все три вопроса, составляющих главную проблему когнитивной науки, теория дает один и тот же ответ. И этот ответ апеллирует к новой сущности, принципиально отличающейся от того, как думали о мозге до сих пор.
С изложенных выше позиций открывается и новый взгляд на вопрос о соотношении мозга и психических процессов. Согласно теории, все ментальные процессы представляют собой особый трафик, протекающий лишь внутри данной структуры – нервной гиперсети. Нет этой гиперсети – не будет и ментальных процессов.
Теперь, вспоминая, что мы ищем конструктивную теорию когнитивности, хочу обратить внимание на две конструктивных особенности предложенной модели. Из нее, во-первых, следуют специфические и нетривиальные свойства разума, а во-вторых, новые экспериментальные исследования.
Но, прежде чем говорить об этих следствиях, разберем традиционные сетевые представления о нервной системе и те трансформации, которые вносит в них гиперсетевая теория мозга.
Для формального описания сложных систем в теории сетей применяется их разбиение на элементы и связи. Элементы называются узлами, или вершинами сети, а контакты между ними – связями, или ребрами этой сети.
Сети бывают нескольких разных видов. Они могут быть невзвешенные и ненаправленные – это означает, что связи между всеми элементами сети имеют одинаковую силу, а сигнал не распространяется в определенном направлении. Бывают взвешенные ненаправленные сети – когда некоторые элементы связаны с другими больше, чем прочие, но сигнал не распространяется в каком-то одном направлении. Бывают невзвешенные направленные сети – когда весасвязей одинаковые, но направление воздействий, то есть каузальных влияний в сети, одностороннее. Наконец, четвертый вариант – взвешенные и направленные сети – когда в связях наблюдаются разные веса и разная направленность.
Сети могут также иметь разные конфигурации – например регулярная сеть или же сеть малого или тесного мира (small-world network). В регулярной сети элементы связаны друг с другом равномерно; в сети малого мира элементы сильно связаны друг с другом локально, но есть при этом и дистантные связи, соединяющие далеко лежащие участки сети.
Бывают сети случайные, где новые узлы присоединяются к существующим с приблизительно равной вероятностью, и безмасштабные, имеющие узлы, которые притягивают непропорционально большое количество других узлов. Эти узлы в теории сложных сетей называются хабами. Хабы – это такие вершины в сети, через которые осуществляются связи между многими другими элементами. Некоторые из таких вершин являются центральными хабами, некоторые – коннекторными, когда через них проходят связи между разными модулями – еще одно понятие теории сетей. Бывают также и провинциальные хабы – это узлы, в которых хотя и происходит контакт большого количества элементов, но это не оказывает глобального влияния на свойства всей сети.
Рассмотрение мозга как нервной или нейронной сети открывает возможность описать его с помощью понятий теории графов или теории сетей. Тогда отдельные элементы мозга можно рассмотреть, как вершины, или узлы, а между ними существуют связи, которые могут быть структурные и функциональные, и вся нейронная сеть может быть описана как большой граф, который может иметь также модульную структуру с соответствующими хабами. Некоторые из этих хабов образуют так называемый клуб избранных – это хабы, которые обладают высокой степенью центральности и взаимодействуют друг с другом. В теории сетей существуют методы, которые позволяют характеризовать эту нервную сеть с точки зрения кратчайших и более длинных путей, треугольников, которые образуются различными вершинами, более крупных модулей, а также общей топологии всей сети.
Исследования показали, что применение теории графов к описанию самых разных нервных систем, начиная от очень простой нервной системы, такой, как у почвенной нематоды C. elegans с ее 302 нейронами, и заканчивая нервной системой человека, дает очень схожую картину сети. Это говорит о том, что нервная система в разных таксонах подвергалась со стороны естественного отбора сходному давлению на свои структурно-функциональные свойства. В целом биологические нервные сети не похожи на случайную сеть, не похожи на регулярную сеть, а скорее похожи на безмасштабную сеть, имеющую свойства сети малого мира.
Сегодня исследования сетей нервной системы ведутся на самых разных уровнях. Микроскопический уровень является идеалом для описания нейронной сети, поскольку реальными вершинами в ней являются именно отдельные нервные клетки, а ребрами – связи между ними. Если мы достигнем такого уровня разрешения, то он будет самым адекватным. Однако большая часть исследований с применением теории сетей относится сегодня либо к мезоскопическому уровню – это группы клеток, либо макроскопическому – это связи между структурами. То есть речь идет о сети, где вершинами являются анатомические структуры, а связями – пучки или тракты аксонов нервных клеток между этими структурами в головном мозге.
Пока известна только одна нейронная сеть, которая расшифрована полностью на клеточном уровне, – это та самая нейронная сеть нематоды C. elegans, в которой известны все 302 нейрона и все их контакты друг с другом. Однако в прошлом году появились уже черновики клеточной организации нервной сети мухи-дрозофилы, обладающей гораздо более сложной нервной системой по сравнению с нематодой, поэтому в будущем можно ожидать существенного прогресса в данной области.
С целью обозначения такого рода сетей в 2005 году две группы исследователей независимо друг от друга ввели понятие «коннектом», которое означает полное описание связей элементов в нервной системе. А область нейронауки, которая занимается картографированием и анализом архитектуры нейрональных связей, получила название коннектомики. Сегодня это одна из стремительно развивающихся областей нейронауки.
Для реконструкции коннектомов используют различные подходы. Так, при реконструкции коннектома человека сегодня чаще всего применяются два метода. Один – это использование структурного МРТ-картирования мозга. Как правило, здесь узлами берутся какие-то области, а связями – нервные проекции между ними.
Второй подход, который формально нарушает понятие «коннектом», но все чаще используется сегодня, – функциональная коннектомика. Функциональный коннектом – не реальная в анатомическом смысле нервная сеть. В этом случае за узлы принимаются те участки нервной ткани, из которых ведется регистрация функциональной активности этой сети. Методом регистрации могут быть микроэлектроды, электроэнцефалографическое снятие сигналов с поверхности черепа, а также функциональное МРТ-исследование, где каждый воксель, или группа вокселей, отвечающая за анатомическую структуру, считается вершиной в сети. Дальше строится сеть на основе разных методик линейной или нелинейной статистической корреляции активности в узлах отведения сигналов. Связями в данном случае являются статистические зависимости активности в этих точках. Это дает возможность построить функциональную сеть, которая может далее накладываться на структурную.
Еще одно представление коннектома – это матрица связности, или матрица смежности. По осям этой матрицы откладываются вершины, а в пересечении, условно говоря, обозначается, «существует или не существует связь». По этим матрицам можно не визуально, а математически описать коннектом.
Анализ коннектомов ведется на разных пространственных масштабах. Сети мозга исследуются также и во временной динамике, в том числе длительной, например, в индивидуальном развитии мозга человека или животного. При этом рассматриваются разные формы изменений, связанные, например, с процессами компенсации при тех или иных нарушениях и т. д., выраженными в терминах теории графов. В совокупности это создает большое разнообразие топологических подходов в коннектомике: от выявления локальных свойств узлов и связей до глобальных характеристик сети как целого.
Свойства, описываемые таким образом, соотносятся дальше с высокоуровневыми когнитивными явлениями или процессами поведения посредством коррелятивных методов. Вариантов таких корреляций может быть множество. Можно сопоставлять характеристики процессов, происходящих в сети, или ее структурных перестроек с такими вещами, как обучение, память, язык, эмоции, внимание и тому подобное.
Одним из масштабных проектов в этой области стал выполнявшийся на протяжении пяти лет проект Национального института здоровья США «Коннектом человека» (The Human Connectome Project). Он привел к получению большой базы данных, накопленной на 1200 здоровых взрослых добровольцах. В базе были объединены анатомические и функциональные свойства мозга человека, а также расшифровка генома части испытуемых, то есть корреляция между анатомией и функциональными процессами в мозге с генетическими данными, наложенными на разные поведенческие когнитивные тесты.
Приведу несколько иллюстраций основных направлений и достижений в этих областях коннектомики. Как я уже упоминал, в сетях мозга человека были обнаружены структуры, получившие название «клуба избранных». Это комплекс из хабовых структур, лежащих преимущественно в медиальных частях корковых и подкорковых областей мозга, которые, во-первых, являются участками связности большого количества других структур и, во-вторых, имеют большее количество связей друг с другом. Последующие исследования показали, что структуры, имеющие такие характеристики, обнаруживаются в нервных системах и других млекопитающих, и даже у нематоды C. elegans, что говорит о том, что это некоторая общая закономерность эволюционного выстраивания эффективной экономики и коммуникации в нейронных сетях.
Вторая важная вещь, которая была выявлена и набирает все больше популярности, – это то, что коннектомы с помощью разных методов, в основном функциональных, можно дробить на фрагменты. В разных работах они получают разные названия – либо модули (modules), либо сообщества (communities). Существуют алгоритмы, которые позволяют автоматически вычленять такого рода модули или сообщества, что означает их большую связность друг с другом, и показывать, как происходит коммуникация между ними.
Отдельное направление – это изучение структурных и функциональных сетей мозга при разных патологиях, таких как болезнь Альцгеймера, шизофрения, состояние комы и т. д.
Я также упоминал, что есть еще одна шкала для исследования коннектомов – развитие мозга. Сейчас появляется много работ по онтогенезу нервных сетей. Последние работы, которые я видел на эту тему, построены на пренатальной визуализации топографии нервной сети мозга у плода, то есть выполняется реконструкция коннектома человека еще до рождения. В постнатальном периоде, естественно, ведется множество других исследований, часть из них – методом электроэнцефалографии.
И, наконец, последнее применение, которое я хотел здесь назвать, – это использование сетевых подходов для выяснения принципиальных свойств биологических нейронных сетей с целью создания на основе этого нейроморфного искусственного интеллекта – искусственных нейронных сетей, которые будут построены на таких же принципах организации и коммуникации. Так, например, компания IBM, которая в 2006 году взяла курс на развитие технологии когнитивных вычислений (cognitive computing), помимо обеспечения этого направления на уровне микроэлектроники – нейроподобных мемристоров и нейроморфных чипов, ведет активные исследования коннектомов и устройства когнитивных коммуникаций в мозге млекопитающих, таких, как мыши и макаки.
Надеюсь, я проиллюстрировал широту возможностей первого пункта, говорящего, что любая нервная система может быть формально представлена как сеть – то есть к ней может быть применен формализм теории сложных сетей или теории графов.
Но у этого подхода есть и существенные ограничения. Принципиальное ограничение, на мой взгляд, заключается в том, что все это направление, которое началось со структурных коннектомов, а сейчас перешло к функциональным коннектомам, что, казалось бы, постепенно приближает нас к мозгу, обеспечивающему когнитивные процессы, никак не решает «главной проблемы» – MAIN (mind-brain) problem. Как молчаливо предполагается в подходах коннектомики, из топологических свойств и характеристик активности нервных сетей головного мозга можно экстрагировать ментальные процессы, субъективный опыт, и эти состояния могут быть описаны теоретическими средствами теории сетей.
Но мое мнение – нет, нельзя. Решение главной проблемы – MAIN problem – требует не продолжения эмпирических исследований на уровне анатомии и физиологии мозга и их обобщения на языке теории сложных сетей, а качественно иного скачка в теории мозга, который даст принципиальный ответ на вопрос: где в мозге разум?
Я пропущу в сегодняшнем выступлении второй из названных мной пунктов – возможность описания разума на языке теории сетей. На эту тему есть небольшое, но постоянно накапливающееся количество исследований, где элементами сети, в зависимости от когнитивной дисциплины, могут быть взяты либо концепции или понятия – и тогда строятся семантические сети и исследуются связи различных понятий, либо элементы памяти – и тогда строятся графы и связи элементов субъективного опыта. Например, элементов эпизодической или автобиографической памяти у человека и путей распространения информации по такой сети в попытках найти нужную информацию. К этим исследованиям примыкает и исследование языка как сложной сети, то есть изучение языка не с точки зрения локальных характеристик, а с точки зрения глобальных свойств языковой сети.
Перейду сразу к следующему и главному пункту – тезису, что разум, или когнитом в терминах моей теории, представляет собой нейронную гиперсеть. Вводя это представление, мы должны, прежде всего, определить три ключевых понятия:
1. Понятие когнитивной группы (ког). В теории утверждается, что разум обладает зернистой структурой, он состоит из когнитивных элементов – k-элементов, или когов. «К» в обозначениях теории помимо когнитивности означает знание (knowledge). Коги – это единицы самых разнообразных знаний и опыта организма. Они опосредуют причинные (в других терминах информационные) соотношения когнитивного агента с его объектной и процессуальной средой – внешней или внутренней. Иными словами, разум гранулярен.
2. Понятие линкера когнитивных групп (лок). K-элементы или коги образуют между собой устойчивые когнитивные связи – k-связи, или локи (от LoCs – Links of Cogs). К-связи информационно отражают причинные связи объектов и событий в среде через соотношения когнитивного агента с ней. Иными словами, разум увязан.
3. Понятие когнитивной гиперсети (когнитом). k-элементы и k-связи образуют эмерджентную структуру – единую когнитивную сеть (К-сеть), которая и является носителем всего субъективного опыта когнитивного агента – его разумом (mind). Иными словами, разум интегрирован и целостен, формируя явление качественно более высокого уровня, чем его когнитивные элементы.
Рассмотрим ключевое понятие нейронной гиперсети – понятие когнитивной группы, или кога. Оно имеет двойной смысл. С одной стороны, в английском языке cog – это подчиненная, но неотъемлемая часть более крупной системы, организации, активности. Это своего рода монада, элемент. С другой стороны, ког в теории является аббревиатурой для понятия когнитивной группы (Cognitive Group – CoG), представляющей собой кооперативное подмножество элементов мозга, совместно несущее определенное когнитивное свойство. Совокупная активность такой группы нервных клеток определяет элемент субъективного опыта – аспект соотношения субъекта с его внешним или внутренним миром.
Здесь нужно остановиться и рассмотреть очень важное следствие из вышесказанного. С одной стороны, я определил ког как органическое образование – группу клеток нервной системы. С другой стороны, интегральной вершиной этой группы, ее объединенной сущностью является приобретенный в ходе эволюции или жизни индивида элемент опыта, информации, знания целого организма. Это означает, что любой ког является дуалом. На нижнем из уровней нейронной гиперсети – уровне N – мы имеем группу клеток с их физиологическими свойствами, но на верхнем уровне нейронной гиперсети – уровне N+1 – совокупный потенциал членов группы образует новый элемент с когнитивным качеством, отсутствующим у составляющих группу физиологических элементов. Это – качество опыта данного субъекта.
В общем виде такие дуалы являются объектами, связывающими соседние уровни организации материи в многоуровневых системах. Дуалами могут быть не только коги. Например, еще один дуал – это ДНК. Она была открыта как большая химическая молекула, и ученые на протяжении нескольких десятилетий изучали ее как набор нуклеотидов, пока не было установлено, что она кодирует элементы биологического уровня – единицы биологической информации. Поэтому на своем высшем уровне ДНК выступает не как химическая молекула, состоящая из нуклеотидов, а как система элементов биологического уровня, определяющего анатомию и физиологию организма, – геном. В этом отношении когнитом – это тоже система элементов, только уже не анатомического и физиологического, а когнитивного уровня.
Другой хорошо известный дуальный элемент – набор аминокислот, который на одном уровне является химической макромолекулой, а на другом – биологическим объектом, белком. Белок имеет специфические свойства, которые не могут быть описаны в терминах его аминокислотной последовательности, на языке химии. Например, это может быть трехмерный ионный канал, пропускающий в клетку ионы; это может быть рецептор, который взаимодействует с определенным лигандом; или фермент, взаимодействующий со специфическим субстратом.
Для описания таких многоуровневых систем, где наборы одних элементов создают конгломераты, образующие по своим каузальным качествам и свойствам уже другой, более высокий уровень системы, и существует теория гиперсетей. Гиперсети состоят из структур, которые называют гиперсимплексы. Основание гиперсимплекса содержит множество элементов одного уровня, а его вершина образуется их отношениями и приобретает интегральные свойства, делающие ее элементом системы более высокого уровня и имеющей название гиперсети.
Чтобы ясно описать мозг в виде нейронной гиперсети, нужно будет пройти еще очень большой путь. Мы находимся в самом его начале. Но можно представить себе логику эволюции ключевых понятий, образующих этот путь. Самое простое из них – понятие, которым пользуется современная нейронаука, – представление о мозге как о сети. Такая сеть формально может быть представлена графом – структурой, состоящей из вершин и ребер, или диграфом – направленным графом, где связи направлены от одной вершины к другой. Но в силу ограничений теории сетей, прежде всего тем, что она описывает лишь попарные связи вершин, что не отражает сложность интегративной деятельности нервной системы, модели сетей будут постепенно вытесняться более сложными формами описания – понятиями гиперграфов и далее заимствованными из алгебраической топологии понятиями симплексов и симплициальных комплексов. Но оба эти языка также имеют свои недостатки, ограничивающие их применения по отношению к нервной системе с ее когнитивными свойствами. Для этих целей наиболее совершенным является язык теории гиперсетей.
Я должен отметить, что на описанном мной логическом пути уже просматривается отчетливый тренд. На фоне массового использования теории сетей или графов в нейронауке стали появляться работы, рассматривающие нервную систему как гиперграф. Это более сложная концепция, чем сеть, но существенно более простая, чем гиперсеть. А в последние два-три года появились уже и работы, использующие для описания нервной системы концепции симплексов и симплициальных комплексов – более сложных понятий, чем гиперграфы, но все же более простых, чем гиперсети.
Гиперсети мы можем представить как многоуровневые высокопорядковые сети. В когнитоме гиперсетевая теория выделяет три уровня, три слоя. Все они «заземлены» – материально воплощены в нейронной сети, в ее нейронах. Но по своей организации и сложности элементы этих слоев имеют разное происхождение, разные функциональные свойства и разный масштаб локализации. Когнитивные группы в одних слоях являются глобальными, они охватывают весь мозг, а в других – локальными – лежат в отдельных областях мозга. Однако все эти когнитивные группы имеют при этом универсальную структуру гиперсимплекса.
В основе когнитивного гиперсимплекса, на уровне N – анатомо-физиологическом уровне – лежит кооперативная группа нейронов. А вершина этого гиперсимплекса, объединяющая группу в одно целое, лежит уже в верхней плоскости гиперсети, на уровне N+1, и имеет новые свойства, несущие когнитивное значение. Этим высокоуровневым свойствам кога уже можно приписать имя, например, «собака» (dog). Целиком такой гиперсимплекс и составляет дуал.
У когнитивной группы как единого целого – кога, появляется способность, во-первых, быть объектом воздействия на него как на единое целое, а во-вторых, оказывать эффект, который больше и, главное, на качественно другом уровне, чем эффекты отдельных составляющих его элементов. Иначе говоря, лишь когда вы вовлечете на уровне N все элементы этой группы, только тогда на уровне субъективного опыта, являющегося свойством уровня N+1, вы получите «собаку» и когнитивный эффект от нее для целого субъекта.
Таким образом, мы вводим еще одно принципиальное понятие теории – в когнитоме любой его элемент обладает когнитивной причинно-следственной силой – потенциалом воспринять и оказать когнитивное воздействие. Для каждого из них существует когнитивная «причина», которую можно описать в когнитивных терминах – этот ког активируется, только когда появляются данные условия на входе и существует когнитивное «следствие», – будучи активным, он способен изменить нечто в работе всего когнитома и в поведении целого организма, то есть вновь на когнитивном уровне. Это, в частности, открывает возможность начать объективно описывать индивидуальные свойства когов с точки зрения распределения вероятностей условий их активации, то есть когнитивных причин, и распределения вероятности условий того, какие они могут показать эффекты, то есть когнитивных следствий.
Теперь, описав принцип организации кога как гиперсимплекса и наличие у него когнитивного потенциала, я добавлю одно очень важное расширение теории. Возьмем гиперсимплекс, представляющий собой кооперативную группу нейронов в основании конуса и ее совместный когнитивный потенциал, скажем, концепт «собака» в вершине и положим его на бок. И поместим в его вершину одну нервную клетку, на которой сойдутся все эффекты кооперативной группы, лежащей в основании гиперсимплекса. А эта клетка, в свою очередь, будет способна распространить по ветвлениям своего аксона данный когнитивный эффект группы на свои нейроны-мишени в разных частях нервной системы.
Мой тезис здесь состоит в том, что такая ситуация реально присутствует в нервной системе благодаря синаптической конвергенции входов от кооперативно активных пресинаптических нейронов на одной постсинаптической нервной клетке. Это ведет к тому, что минимальным когом, согласно теории, может выступать отдельная нервная клетка. Подобная клетка может стать как бы фокусом когнитивной специализации группы и обладать такой же когнитивной компетенцией, как коллективная когнитивная группа. Иначе говоря, эта клетка, согласно теории, приобретает высокоуровневые свойства кодирования субъективного опыта взаимодействия организма с миром.
Когнитивная специализация отдельных нейронов – очень важное предсказание теории когнитома, которое позволяет перейти к эмпирическим исследованиям фундаментальных нервных основ когнитивности.
Понимание этого пункта нетривиально для механистических или физикалистских воззрений на сущность мозга, в которых он представяет собой лишь анатомическую сеть из физиологических элементов. Однако наличие такого рода высокоуровневых специализаций у отдельных нервных клеток достаточно понятно в рамках таких концепций, как эмерджентный и диалектический материализм, согласно которым новые уровни организации (а когнитом является качественно новым уровнем организации нервной сети) возникают при эволюции материи не за счет того, что наслаиваются на существующие нижние, а путем того, что принципиально перестраивают нижний уровень и его свойства. Таким образом, например, в эволюции происходит возникновение биологических элементов, появление молекул биологической природы. Так возникают аминокислоты и нуклеотиды, которые образуют белки и ДНК.
Согласно гиперсетевой теории мозга, по этому же принципу происходит возникновение психики и разума – то есть когнитома. Оно заключается в глубокой перестройке структурно-функциональных, то есть анатомических и физиологических свойств мозга. В результате никакая из прошедших эволюцию сложных нервных систем уже не является по своему устройству низкоуровневой, одноэтажной – каждая включает в себя разум.
То, что такое понимание далеко не тривиально, иллюстрирует знаменитый аргумент Лейбница о мельнице. Вспомним, что в этом мысленном эксперименте ему казалось очевидным, что если мы возьмем мозг человека и увеличим его до размеров огромной мельницы, чтобы мы могли войти внутрь и увидеть все части и происходящие там процессы, то, как он говорил, при ее осмотре мы не найдем внутри нее ничего, кроме частей, толкающих одна другую, и никогда не найдем ничего такого, чем можно было бы объяснить восприятие, то есть субъективный опыт. Однако согласно гиперсетевой теории мозга – это не так. Теория говорит, что в этом рассуждении Лейбниц существенно ошибся.
Будучи частями «мельницы мозга», клетки нервной системы, которые от момента зарождения сложных нервных сетей прошли 530 млн лет эволюционного развития, научились нести информацию о соотношениях целого организма с окружающим миром. То есть, с одной стороны, нейрон в мозге – это биологическая клетка, которая содержит цитоплазму, ядро, ДНК, белки и составляет элемент нейронной сети, а с другой – она имеет специализацию и роль в когнитивной гиперсети мозга.
Я уже много раз говорил о связанных с этим следствиях, поэтому просто проиллюстрирую их несколькими примерами.
Регистрация активности отдельных нервных клеток в мозге человека выявляет случаи их специфического вовлечения в распознавание определенных когнитивных объектов, то есть наличие у них когнитивных специализаций. Такая специализация может быть связана, например, с определенными концепциями. Скажем, как было показано в одном из ранних исследований на эту тему, с концепцией «Билла Клинтона», причем это кодирование нейроном не каких-либо психофизических свойств – скажем цвета, фона картинки, а именно идеи «Билл Клинтон», поскольку разряды данного нейрона возникают, даже если испытуемому предъявлена не фотография, а гротескный шарж на американского президента.
Или, например, концепт «Женщины-кошки» (Catwoman), когда клетка разряжается не только на фотографии актрисы, сыгравшей эту роль, но и на снимки из фильма о Женщине-кошке, где лицо актрисы скрыто маской. На фотографиях не видно лицо, но сам испытуемый знает, что именно эта актриса играла роль Женщины-кошки, и нервная клетка, активировавшаяся на фотографию актрисы, дает такую же активацию на изображение в маске.
Или активация другого нейрона не только на фотографию героя «Звездных войн» – актера, игравшего Люка Скайуокера, но и на надпись «Люк Скайуокер» на экране компьютера. А также на слова «Люк Скайуокер», которые были произнесены синтетическим компьютерным мужским или женским голосом.
Такого рода нейроны выявляются и в экспериментах на животных. В мозге животных такие клетки способны, в частности, распознавать объекты, категории лиц, индивидуальные лица, лица разной социальной значимости. Например, в мозге овец найдены нейроны, которые избирательно активируются на фотографии других овец, причем больше реагируют на фото овец с большими рогами, чем овец с маленькими рогами. При этом нейроны в мозге овцы способны проводить не только когнитивную категоризацию, но и когнитивную дискриминацию – одни нейроны активируются на фотографии овец, а другие – на фотографии пастуха. Интересно, что те клетки, которые активируются на пастуха, также реагируют на изображение пастушьей собаки, то есть в когнитоме «овцы», по крайней мере, для этого когнитивного нейрона, это одна и та же функциональная категория.
Изложенные выше следствия теории и ее предсказания дают возможность проникать в исследование субъективного опыта через изучение работы когнитивно специализированных узлов нейронной сети в бодрствующем мозге человека и животных – реконструировать когнитом по тому, нейронами с какой когнитивной специализацией и каким образом связанными обладает данный организм.
До последнего времени подобные эксперименты проводились, в основном, электрофизиологическими методами, с помощью вживленных в мозг микроэлектродов. Такое небольшое «окно» в мозг животного позволяло зарегистрировать сигналы, как правило, нескольких нейронов, редко одной-двух сотен клеток из небольшого участка мозга. Это очень ограниченные возможности для коррелятивных исследований и совсем неподходящие условия для каузальных экспериментов, в которых отдельные когнитивно специализированные нейроны должны быть подвергнуты различным воздействиям, проверяющим, возникнет ли соответствующий субъективный опыт, или можно ли его избирательно заблокировать. Поэтому в последние годы мы стали разрабатывать и использовать арсенал новых экспериментальных подходов. Вместо методов, опирающихся на электрические сигналы клетки, мы применяем генетически кодируемые зонды, детектирующие процессы внутри нервной клетки, а для слежения за этими процессами в мозге и воздействия на их применяем оптические методы.
Чтобы выявить нейроны, вовлекающиеся в когнитивные процессы, мы используем геномный ответ этих клеток на субъективную новизну. Для этого создается незнакомая для данного животного ситуация, в которой оно впервые сталкивается с новой информацией, детектируемой нервными клетками его мозга. Геномный ответ этих клеток мы выявляем по активации обнаруженных нами ранее генов, которые молчат в мозге, когда нейроны работают в штатном электрофизиологическом режиме, но как только организм сталкивается с какой-то новизной и мозг должен что-то запомнить, происходит вспышка экспрессии этих генов в соответствующих нейронах. Она нужна, чтобы клетка зафиксировала в долговременной памяти эту новую информацию – запомнила своих синаптических «соседей» в нервной сети, выступивших причиной этой необычной новой ситуации.
Но, наряду с запоминанием этого синаптического притока, нейроны ряда глубоких структур головного мозга, через данную комбинацию входов, способны запомнить и породившие этот приток факторы внешнего мира, точнее преднастроенные ожиданиями и внутренними потребностями соотношения организма с этими внешними факторами. Первый, синаптический обзор мы назовем внутренним обзором (internal purview) когнитивно специализированного нейрона, а второй – его внешним обзором (external purview).
Сегодня мы можем находить и метить в мозге такие когнитивно специализированные нейроны. Эти клетки в момент нового когнитивного эпизода экспрессируют ген c-fos, по продуктам экспрессии которого можно выявить всю эту сеть в мозге. Благодаря новым методам микроскопии мы можем с клеточным разрешением реконструировать целый мозг животного, претерпевшего эпизод нового опыта, и можем идентифицировать в нем нервные клетки, которые были вовлечены в эту когнитивную вспышку. Более того, мы можем визуализировать не только отдельные клетки, но даже их отростки, по которым можно отслеживать связи этих нейронов, то есть восстанавливать структуру всей сети.
Еще один подход, который мы развиваем в последние несколько лет, – это использование линий трансгенных животных, которые позволяют когнитивно индексировать все нейроны в мозге животного, вовлекавшегося в тот или иной когнитивный эпизод. Индексировать в данном случае означает, что мы далее на протяжении всей жизни животного можем специальными оптическими методами избирательно выявлять эти клетки и исследовать их работу.
В таких экспериментах мы используем две линии трансгенных мышей, которые скрещиваем друг с другом, получая двойных трансгенных животных. У одних в геноме – один конструкт, у других – другой, и если происходит их слияние, то это как смешать жидкости из разных сосудов, вместе они дают гремучую смесь. Каждый генетический конструкт по отдельности ничего не делает, но если мы их совмещаем при определенных условиях во время когнитивного эпизода, то все клетки, которые были вовлечены в этот эпизод, претерпевают генетическую модификацию – ДНК только тех нервных клеток, которые были активны в этом эпизоде, структурно изменяется. То есть у всех клеток этой нейронной подсети мозга теперь другой геном.
В ходе такой генетической манипуляции нам важно внести в ДНК этих клеток определенные функциональные маркеры, которых нет в геноме всех остальных нейронов и по которым мы можем выявлять и исследовать данную когнитивную группу. Например, мы вставляем в их ДНК ген флуоресцентного белка таким образом, чтобы на протяжении всей жизни животного эта сеть клеток, сработавшая во время когнитивного эпизода, стала светиться определенным цветом. С помощью такого приема мы можем избирательно увидеть эту когнитивную группу в целом мозге животного, какой бы обширной она ни была.
До сих пор я рассказывал о методах, позволяющих увидеть помеченные когнитивные группы нейронов только после смерти животного. Но в последнее время мы разработали методы прижизненного исследования когнитивно индексированных нейронных сетей мозга.
С этой целью мы, в частности, применяем методы двухфотонной in vivo микроскопии. Они основаны на использовании подходов нелинейной микроскопии, которые позволяют возбуждать флуоресценцию в строго определенных слоях ткани и осуществлять далее трехмерную реконструкцию источников этой флуоресценции. Если мы ввели в геном клетки, вовлекшейся в эпизод нового когнитивного опыта, ген флуоресцентного белка, то с помощью двухфотонной микроскопии по свечению такого белка мы увидим этот нейрон в живом мозге. Более того, по расположению сосудистого дерева вокруг клеток можно в разное время жизни животного находить одни и те же нейроны. Благодаря этому, мы можем возвращаться к ним ото дня ко дню, задавая вопрос, как они себя ведут в разных ситуациях.
Мы также можем вживлять в геном активирующихся при когнитивном эпизоде нейронов не только постоянно светящиеся флуоресцентные белки, но и сенсоры активности, флуоресценция у которых возникает, только когда нервная клетка возбуждается. Тогда мы достигаем уже двух целей. Во-первых, мы идентифицируем в мозге всю когнитивную субсеть, а во-вторых, мы вводим в эти клетки сенсор, который позволяет следить, когда и при каких условиях нейроны данной сети работают. Способен ли, условно говоря, «нейрон Билла Клинтона» реагировать и на Барака Обаму?
В описанных выше экспериментах с двухфотонной микроскопией мы вынуждены ограничивать поведение животных, закрепляя их голову под объективом микроскопа. Но в последние годы мы стали также использовать мини-микроскопы, монтируемые на голову свободно передвигающейся мыши. В этих экспериментах в мозг вживляется небольшая цилиндрическая линза, соединяемая с миниатюрным устройством на голове мыши, пропускающим через эту линзу свет определенной длины волны для возбуждения флуоресценции у генетически помеченных нейронов, которые находятся под линзой. Это изображение передается через линзу в микроскопическую камеру на голове мыши, и так мы можем регистрировать активность популяций из сотен когнитивно-индексированных нейронов в свободном поведении животного.
И, наконец, нам важно исследование не только активности нейронов этих когнитивных ансамблей во время поведения, но и того, что будет, если мы станем стимулировать нейроны этого ансамбля, сформировавшегося при приобретении конкретного субъективного опыта. Можем ли мы такой стимуляцией вызвать у животного данное состояние субъективного опыта, когда внешних условий для этого нет? Экспериментально этот вопрос сводится к тому, можем ли мы стимуляцией небольшой группы данных когнитивно индексированных нейронов получить то поведение, которое ранее сопровождалось этим субъективным опытом? Или можем ли мы, вызвав это состояние изнутри мозга стимуляцией генетически помеченных нервных клеток, «склеить» его с другим состоянием, которое мы предъявляем через органы чувств? И создать, таким образом, химерный элемент искусственного опыта, которого никогда не было в жизни животного, а теперь оно способно реагировать только на этот гибридный стимул, но не на его части по отдельности?
Такие вопросы решаются сегодня благодаря методам оптогенетики. С их помощью мы вставляем в когнитивно индексированные нейроны не только ген флуоресцентного белка, но и ген, кодирующий светочувствительные ионные каналы. Этих генов нет в геноме млекопитающих, они взяты из геномов водорослей или микробов. Когда они начинают экспрессироваться в помеченных нами нервных клетках, они делают эти нейроны мозга чувствительными к свету. Таким образом, когда мы освещаем какую-то область мозга, где лежат тысячи нейронов, светом определенной длины волны, мы запускаем через открытие ионных каналов либо возбуждение, либо торможение (в зависимости от того, ген какого ионного канала был вставлен в геном) только той части клеток, которые входили в этот когнитивный ансамбль. Нас интересует, что будет при этом происходить с поведением животного. К примеру, в самом простом случае, когда включается свет, стимулирующий группу нейронов в моторной коре одного из полушарий, животное выполняет определенное действие – вращается по часовой стрелке или же против нее. Света нет – эта группа клеток не активна, животное сидит спокойно. Включение света – стимуляция этой группы клеток – возникновение соответствующего действия.
Вернемся теперь к цели моего выступления. Самое важное, что я пытался показать, что мы сейчас работаем в режиме, соединяющем два модуса: теоретический и экспериментальный. В таком режиме эксперименты ставятся не для того, чтобы получить новые факты, обобщить их и вывести затем из них теорию. Наоборот, вначале создается теория, из которой далее выводятся предсказания, а эксперименты направлены уже на проверку этих предсказаний. Другими словами, теория является направляющим фактором в постановке экспериментов. Она, таким образом, позволяет исследовать в экспериментах новые важные вопросы: например, что является минимальной единицей когнитивной информации в нервной системе, каким образом кодируется эта единица, что является элементарным и неделимым элементом субъективного знания, что в работе мозга и формирующихся в нем когнитивных групп определяет наше восприятие мира? И как, с другой стороны, процессы познания создают нейронные гиперсети, и ниже каких элементов в познании, мы не можем опуститься?
Послений вопрос связывает такого рода исследования с фундаментальным вопросом о том, насколько глубоко наш мозг может дробить восприятие физического мира и какие феномены, обусловленные дискретизацией и взаимоисключением когнитивных нейронных групп, возникают на границах минимально возможных наблюдений?
Я бы хотел, в связи с этим, закончить выступление словами выдающегося физика Джона Арчибальда Уилера:
«Никакая теория физики, которая имеет дело только с физикой, никогда не объяснит физику. Я убежден, что по мере того, как мы продолжаем попытки понять Вселенную, мы также пытаемся понять человека».
Познаваемый человеком физический мир в очень глубоком и при этом совершенно не мистическом смысле увязан с человеческим мозгом – его когнитомом, который обеспечивает контакты с этим миром и его познание.
Поэтому одна из наиболее далеко идущих линий развития теории когнитома – концептуальный мост, связывающий естественные науки, включая физику, с гуманитарными, включая психологию.
Т.Ч.: Гиперсеть, или ваш когнитом, он ограничивается костями черепа?
К.А.: Он находится в объеме черепа.
Т.Ч.: Да, но есть такая вещь, как distributed cognition, когда я переношу часть своих когнитивных возможностей на условные механизмы, гаджеты.
К.А.: Разум как структура не существует в промежутке между двумя мозгами или мозгом и объектами окружающего мира.
Т.Ч.: Да, это серьезный вопрос.
К.А.: Гаджет – это физический объект, который вы должны воспринять когнитомом – социально-натренированным, аккумулировавшим знания о назначении этого гаджета. А гаджет сам по себе ничем не выделяется из среды, как и весь остальной физический мир никак предварительно не размечен для нас. Здесь в зале нет ни люстр, ни дверей, ни аудиоколонок…
Т.Ч.: Тогда когнитомы людей, говорящих на разных языках, разные? Потому что разное членение мира. Это тот курс, в который лингвистика начинает входить уже всерьез.
К.А.: Да, верно. И это очень интересная вещь. Один из проектов, который я давно хотел бы сделать совместно со специалистами по языку, – следующий. Можно реконструировать «коллективный когнитом» носителей того или иного языка. Конечно, это не будет полная реконструкция когнитома, и не индивидуальная. Но, как и построение лингвистических сетей, она может дать усредненный за счет ассоциативных тезаурусов того или иного языка взгляд на языковую часть когнитома. Для этого вы вначале назначаете в качестве вершин сети концепции и понятия, которые кодируются в языке. При этом частота их использования будет отражать значимость этих концептов в когнитомах прибегающих к ним людей. А дальше, используя ассоциативный словарь, реконструируете сеть – что с чем связывается, также приписывая этим связям весовые характеристики. Иначе говоря, можно взять формализм теории сложных сетей, который я описывал в докладе, и применить его к анализу языковой когнитивной сети.
Такое исследование может вскрывать различия не только между разными языками, но и между историческими срезами в одном языке, в эволюционирующем обществе. Так, большой ассоциативный словарь русского языка составлялся специалистами из МГУ и Института языкознания на основе опроса 11 тысяч испытуемых в конце 1980-х годов, а далее обновлялся в конце 1990-х годов. И даже без сложного сетевого анализа видно, как изменились использования слов и ассоциации между ними, отражая изменения в обществе и структуре «коллективного когнитома».
Имея соответствующие тезаурусы, можно с помощью формализма теории сетей исследовать и многие другие вопросы: как этот коллективный когнитом устроен у мужчин, а как у женщин, как у детей разных возрастов и как у взрослых, как он организован у разных социальных групп? С концепцией когнитома открывается множество возможностей для эмпирических исследований.
Т.Ч.: То есть, если представить, что мы получили эти когнитомы со всех 6 тыс. языков, на которых говорит планета, получается немыслимое пространство, я даже боюсь представить. Тогда возможно будет сказать: «Человек может так смотреть на мир».
К.А.: Да, когнитом заключает в себе картину мира, а язык отражает ее. Единственное, в идеале нужно было бы реконструировать эту карту не только по языку, но и по нейронным когнитивным группам, несущим эти концепты в мозге.
Т.Ч.: У меня еще один вопрос. Вот эти все штуки с включением генов во время обучения, это направление в сторону IQ, генетики?
К.А.: Нет, это уже эпигенетика.
Т.Ч.: А при чем здесь гены? Вот он учится и учится…
К.А.: Первый шаг – мы нашли гены, которые в нейронах мозга молчат и включаются в тот момент, когда клетка должна надолго запомнить новую информацию. Это обычная динамическая работа генома (on-off) – какие-то гены работают, какие-то нет. Дальше мы взяли промоторный элемент этого гена – своего рода «рецептор», который реагирует на сигналы из окружения клетки и запускает экспрессию данного гена, и к нему пришили другой ген, которого раньше не было в организме. Теперь, когда клетка запоминает что-то, она через данный промотор включает свой нормальный ген («мы ничего не нарушили там»), но в ее геноме теперь есть и второй такой же промотор, который заставляет работать другой, внедренный нами ген. В зависимости от того, какой он, в одних случаях этот ген обеспечивает флуоресценцию этой клетки, а в других случаях этот ген запускает в ее геноме нужную нам рекомбинацию ДНК. То есть мы заставили этот ген, кодирующий фермент из бактериофага, которого нет у эукариот, разрезать какой-то участок генома в интересующих нас нейронах мозга мыши и вставить туда нужный нам генетический инструмент. Это не имеет никакого отношения к генетике как вопросам о наследовании – это скорее генная инженерия, редактирование геномов соматических клеток. Мы заставили клетки мозга во время когнитивной деятельности приобретать новые генетические свойства, которые, конечно, не передаются по наследству.
Т.Ч.: Очень интересно, что вы говорили про каузальность vs коррелятивность. Потому это то, что нас всех раздражает и о чем мы много лет говорим, что вся такая наука идет на тему корреляции – когда, например, он за ухом чешет, значит, у него что-то включилось.
К.А.: Самые необычные вещи, которые позволяет сделать сегодня экспериментальная нейробиология, – это инженерия разума и сознания животного. Мы можем генерировать у мыши искусственные следы памяти, создавать гибридные воспоминания, можем затягивать два воспоминания в одни и те же клетки мозга и этим искусственно связывать эти ментальные объекты.
Участник 1: Как быть с биологическим объектом в этом случае? Ведь вы говорите о когнитивных функциях биологического объекта. Он сам по себе существует как биологический организм, значит, в этот момент он должен выполнять и любые свои биологические функции. У нас от этого колоссальный фон идет. Вы показываете небольшое количество активных нервных клеток, вообще же клеток – миллионы, а работают единицы. Как-то странно, почему только они выполняют эту задачу, а куда делся организм?
К.А.: Первое – в отношении термина «биологические объекты». Объекты, с которыми мы с вами имели дело в докладе, безусловно, биологические. Все мы биологические объекты, но это не единственное и не максимальное описание разумного существа. Мы такие биологические объекты, которые при этом когнитивные. Это уже новое свойство, развившееся в недрах биологии. Более того, мы еще и социальные объекты. Есть много проблем с тем, как все это уживается между собой. В связи с этим, когда я говорю, что исследуемый мной биологический объект, – это и когнитивный объект, возникает вопрос: как эти две сущности могут находиться в одном и том же пространстве организма?
В организме параллельно действует большое количество функциональных систем, которые кодируются разными группами клеток, в том числе и нервными. Я могу разговаривать, одновременно поддерживать вертикальную позу тела, двигать рукой, думать о следующем вопросе и т. д. Эти функциональные системы прошли в ходе своего развития подгонку так, что они друг другу не противоречат. Что происходит, когда в эксперименте мы вмешиваемся в эту интеграцию, создавая новое когнитивное событие? Ведь группа клеток, которая активируется при этом в мозге, это очень большая популяция. У мыши в ЦНС около 70 млн нервных клеток, и мы посчитали, что во время одного когнитивного эпизода активируется где-то 400–500 тыс. из них.
Участник 1: То, что вы показываете, – это считанное количество клеток, вот это меня смущает.
К.А.: Это потому, что, когда мы оптически регистрируем активность нейронов в живом мозге, мы можем делать это только через маленькое окошко. Поэтому мы видим совсем немного генетически маркированных клеток, крохотную часть от их огромного числа в целом мозге. Но зато с помощью методов оптогенетики можно избирательно стимулировать эти когнитивно индексированные нейроны и смотреть, вызывает ли это активацию других клеток данной когнитивной группы? Сколько клеток из сети в 500 тыс. нейронов нужно возбудить, чтобы воссоздать целостное поведение? Мы уже знаем, что порой всего 100 нейронов достаточно, чтобы вызвать поведение, которое обслуживает вся функциональная система. А можно ли стимуляцией лишь одного нейрона такой громадной системы пробудить всю остальную распределенную по мозгу сеть и соответствующее поведение?
Участник 1: Извините, теоретический вопрос заключается в следующем. Вот вы сказали, что, будучи правильно понятым, разум есть мозг, и это самое главное… Что такое «будучи правильно понятым»? Или я упустил, неправильно понял? Не могли бы вы расшифровать популярно?
К.А.: Скорее, это я упустил. За словами «мозг, будучи правильно понятым…» должна была бы следовать их расшифровка, но у меня не было на это времени. Вкратце их смысл следующий. Мозг может быть описан как коннектом – как сеть. И нейронаука этим сейчас и занимается. Но мое утверждение, что мозг, «будучи правильно понятым», в действительности представляет собой когнитом – гиперсеть, которая состоит уже не из нейронов, а из более крупных элементов – когнитивных групп, когов. Точно так же, как и геном – это не просто большая химическая молекула, состоящая из нуклеотидов, а связанная система генов – единиц биологического уровня, которые кодируют биологическую информацию.
Т.Ч.: Можно я задам еще один вопрос, очень грубо сформулированный: значит ли это, что один и тот же нейрон, который у существа, стоящего на высокой ступени эволюции, и у существа, находящегося на более низкой ступени, – это разные вещи, потому что они материально одинаковые, а на самом деле они нарастили вот эти когнитивные свойства. Я правильно понимаю?
К.А.: Да. Вы можете взять внешне один и тот же, как вам кажется, мозг, и в одном случае он будет наполнен развитым когнитомом, а в другом это будет мозг умственно отсталого, не сформировавший развитую гиперсеть – не создавший достаточное число когнитивных групп и связей между ними.
Участник 2. Вопрос по поводу первой части: меня интересует представленная во время доклада проволочная модель, это тоже когнитом?
К.А.: Нет, это модель не когнитома, а коннектома человека – первая, насколько я знаю, трехмерная модель. Она была создана Владимиром Михайловичем Бехтеревым еще во время его работы в Казани. Те трехмерные реконструкции, которые существуют сейчас, – повторение и развитие этой пионерской работы на более высоком уровне.
Участник 2: У вас очень толковая теоретическая, аксиоматическая постановка задачи. Но у меня вопрос: можете ли вы сказать, что в мозге устроено так – что этой структурой, этой аксиоматикой вы повторяете? То есть я не услышал самого главного: какое это отношение имеет к мозгу?
К.А.: Может быть, я должен пояснить это другими словами. Например, если у вас есть гиперсеть, которая состоит из уровня N и уровня N+1, то узлы в опорной сети N, то есть отдельные нейроны, соотносятся определенным образом – группы из распределенных узлов на уровне N образуют вершины на уровне N+1.
Т.Ч.: А это физические процессы?
К.А.: Нет, это не физические процессы, а реляционные отношения – кооперация этих узлов на уровне N по достижению результата нового качества на уровне N+1. Я здесь хочу другую вещь сказать. Есть рассеянная в мозге кооперативная группа клеток – ког, она может охватывать большую территорию. И другая группа тоже охватывает большую и перекрывающуюся территорию. Это как два облака частиц, одно внутри другого, но при этом на уровне N+1 они каузально взаимодействуют друг с другом, одно способно «толкнуть» другое.
Т.Ч.: А эти облака – пересекающееся множество?
К.А.: Да, и в этом большая сложность понимания таких гиперсимплексов. Я однажды рассказывал об этом на симпозиуме, где председателем был известный физик-теоретик, нобелевский лауреат. Так вот он сказал – вы рассказываете о взаимодействии таких групп и приводите аналогию с группами людей, государствами, но между государствами есть границы, поэтому два государства и могут взаимодействовать. В этом он увидел противоречие с изложенной мной моделью гиперсети. Нет противоречий: группа 1 может быть «вложена» в группу 2 – занимать одни и те же структуры мозга и пересекаться на уровне N, но при этом каузально взаимодействовать как две вершины на уровне N+1.
Т.Ч.: А он ошибается, потому что я одновременно в сети, которая ходит в парикмахерскую, и в сети, которая ходит в университет, – это разные сети.
К.А.: У меня есть предположительное объяснение, как реализуются такие каузальные эффекты. Ответ заключается в том, что в случае живого бодрствующего мозга мы имеем дело не с пассивной тканью, в которой можно проследить распространение возбуждения, а с постоянно активной тканью, постоянно находящейся в некотором состоянии активности. В такой ткани глобальные процессы – это не переход возбуждения из одного начального места в другое, а динамические взаимодействия между группами элементов, каждая из которых на фоне постоянной текущей активности синхронизуется с миллисекундным сдвигом относительно другой. И этот краткий сдвиг в одной синхронной группе дает вам образ зебры, а в другой – забора.
Т.Ч.: Значит надо скорость иначе считать?
Участник 2: Нет, в этот раз я с вами не согласен, потому что если мы возьмем процессы, связанные с молекулами, атомами, то они должны легко моделироваться физикой, и как раз скорость распространения вот такая, какая она есть, она не складывается.
К.А.: Моделировать, но не линейно. Возьмите, например, работы Вольфа Зингера, рассматривающие появление или непоявление некоторого когнитивного состояния на фоне постоянной активности сети как вопрос сдвигов в осциллирующих популяциях нейронов. Феноменологически мы при этом видим парадоксальную с точки зрения линейной логики картину – активацию с нулевой синаптической задержкой. Есть многие специалисты, которые занимаются нелинейной динамикой в этих системах.
Участник 2: Последний вопрос у меня такой: какие конкретные, фундаментально новые данные были получены с помощью этих методов?
К.А.: Тут надо сказать, что на первом этапе мы занимались именно разработкой новых методов. И мои сотрудники нетерпеливо говорили: «Ну что мы занимаемся методами? Давайте будем ставить конкретные научные эксперименты». По этому поводу у нас было довольно много баталий. Но моя позиция была в этом отношении достаточно твердой – старыми методами мы можем решать задачи вчерашнего дня, а нам нужно решать задачи сегодняшнего. Теперь у нас есть эти необходимые методы.
Участник 2: Я здесь с вами полностью согласен – методы не менее важны, чем эксперименты.
К.А.: Теперь о новых данных, которые были получены благодаря этим методам. По вспышке экспрессии немедленных ранних генов в нейронах мы получили возможность картировать следы памяти – ее локализацию в мозге. И нам удалось при этом найти и следы потерянной памяти – той, которая по поведенческим критериям считается исчезнувшей. Мы обнаружили, что мозг животного, у которого память была фармакологически разрушена, реагирует экспрессией немедленных ранних генов на стимулы, присутствовавшие в момент обучения, совсем не так, как мозг необученного животного. Это помогло нам установить, что происходит с таким скрытым следом памяти, когда мы действуем на мозг напоминающими воздействиями. Оказалось, что если достроить эту сеть, то поведенческая память начинает восстанавливаться.
Т.Ч.: У меня вопрос: какая математика в мозгу? Это же не отдельные элементы, там математика, а там мозг. Мозг – часть мира.
Участник 2: Недавно у меня был разговор с очень крупным математиком, и он признает, что у нас сейчас нет математики для описания мозга. То, что у нас есть, – это либо математика квантовой механики, которая не очень подходит, потому что и в классической механике, и в квантовой частицы неразличимы.
К.А.: Я думаю, что математический аппарат, способный описать когнитом, то есть разумный мозг, – это не теория сетей. По определению сеть состоит из попарно связанных элементов. А в нервной системе взаимодействие элементов не формализуется попарными связями. Поэтому сейчас математики и физики-теоретики, работающие с мозгом, начинают все чаще использовать концепцию гиперграфов, где ребром является группа одновременно связанных вершин. Однако я думаю, что наиболее подходящий аппарат дает алгебраическая топология. Когнитивные комплексы мозга, скорее всего, должны быть описаны языком геометрии.
Т.Ч.: И последний вопрос задам: как вы думаете, вот эта вся история разрубает узел психофизический/психофизиологический?
К.А.: Да, я считаю, что она решает этот вопрос. Общий смысл решения в том, что у уровней организации материи, на которых разумная система начинает взаимодействовать с другими объектами, появляются новые структуры, новые свойства. Нейронная гиперсеть – именно такая новая структура. А субъективный опыт является ее новым свойством.
Еще одно важное следствие теории – эти новые уровни не появляются в виде надстройки над существующими, они возникают как глубокая перестройка нижележащих.
Участник 3: Вам вообще такие исследования на человеке нужны? Если да, то для чего? Методология исследования на животных у вас есть, и она очень хорошо разработана, а вот на людях…
К.А.: Мы даже и у животного изучаем гиперсетевой мозг пока настолько поверхностно, что это напоминает попытки играть на органе с закрытыми глазами и завязанными руками. Мы все еще не можем видеть активность подавляющей части нейронов мозга животного, не можем избирательно влиять на их отношения, не имеем возможности войти в эту активность много раз… Да, конечно, нам нужен человек, но пока я не видел хорошей возможности для такого рода проектов.
Т.Ч.: Но тут-то нам крышка!!!
К.А.: Возможно-возможно… Но мы знаем, что такие «тут-то нам и крышка» нередко разрешались с ходом развития цивилизации.
Участник 4: Извините, но не было раскрыто понятие «лок».
К.А.: Простите, у меня к докладу было подготовлено 220 слайдов, и многие я был вынужден опустить. Что такое «лок»? Если мы вспомним заложенную Локком теорию ассоциаций, она основывается на идее, что разум образуют связи между «атомами» опыта. Как говорил Иван Петрович Павлов, мысли – это элементарные ассоциации знания. В теории нейронных гиперсетей такими атомами, элементами знаний являются коги – клеточные когнитивные группы, а их ассоциациями – локи – линкеры этих когнитивных групп. Процесс формирования ассоциаций Павлов называл замыканием временной связи – это еще один смысл термина лок (lock).
Как образуются локи? Когнитивная связь возникает не за счет того, что одна группа нейронов через свои аксоны действует на другую. Для формирования лока – замыкания связи между двумя когами, эти когнитивные нейронные группы должны пересечься на общих нейронах – клетках-хабах. То есть лок образован не отростками, идущими от одних клеток к другим, а тоже нервными клетками. Это нейроны, которые «всосали» в себя и первое, и второе когнитивное событие, ассоциировав их друг с другом. Теперь стимуляция нейронов первого кога способна потянуть за собой и возбуждение второго. Это важно, прежде всего, с теоретических позиций, потому что требует исследовать не коннектомику нервных проекций, а топологию нейронных перекрытий. Вторая важная вещь – если локами являются группы клеток, то на ментальные связи можно воздействовать точно так же, как на ментальные элементы – через воздействия на нейроны.
Т.Ч.: То есть локи становятся клетками более высокого ранга в каком-то смысле.
Участник 5: Спасибо большое! У меня вопрос к главному вопросу. Вы понимаете, существа с мозгом делятся на тех, кто обладает разумом, и кто не обладает разумом. И если возьмем историческую часть, то в давние времена проблема мозга и сознания вообще не существовала, а проблема разума существовала. Здесь я рассуждаю как психолог. Вы останавливаетесь на проблеме субъективного опыта, а все, что с ним связано, делится на опыт индивидуальный и коррелятивный, поэтому у меня вопрос, и это как бы критика: вот в этом у вас состоит главное противоречие. Вы начали с того, что есть когнитивная наука, у нее есть главный вопрос, а закончили тем, что вообще она (когнитивная наука) должна еще возникнуть и связать физику и психологию. Так вот у меня вопрос: она существует в зародыше, или в каком-то состоянии, или она еще возникнет, потому что это громаднейший вопрос. Мне нужно изменить всю классификацию наук, по-вашему?
К.А.: Прошу прощения, я слушал внимательно, но не понял.
Участник 5: Когнитивная наука, она существует или нет?
К.А.: Существует, конечно. Но она находится на определенном этапе своего развития – этот этап построен на коррелятивных идеях, в нем нет опорной базовой идеи, решающей главную проблему – MAIN (Mind-brAIN) problem. Мы же с вами согласимся с этим? Это не означает, что отдельные ветви когнитивной науки не способны добиваться успехов, существовать независимо друг от друга. Например, можно изучать психологию, и не залезая в мозг. Но многие вещи вы поймете, только заглянув в мозг.
(Аплодисменты)
К.А.: Большое спасибо.