Это искусство позволяет вам созерцать различные сочетания из двадцати трех букв…
Считается, что есть две ключевые проблемы науки, прорыв в которых можно ожидать в ближайшие 20 лет: строение Вселенной и биологические основы сознания[328].
Для первого вопроса уже существует рабочая теория – стандартная модель. В исследованиях мозга все гораздо сложнее. Имея развитую теорию материи и фундаментальных взаимодействий, мы до сих пор не имеем удовлетворительной теории мозга и нервных основ сознания. Одна из главных причин состоит в том, что решение этой проблемы зависит от усилий традиционно далеких друг от друга дисциплин. Философ или психолог не может решить проблему, так как она зависит от знаний о работе мозга. Но эта теория не может быть сформулирована и на языке нейрофизиологии – процессов и структур мозга у какого-то вида животных, скажем человека. Мозг разных видов животных с совершенно разным строением способен к сходной когнитивной деятельности. Поэтому необходима фундаментальная, желательно математическая теория сознания для разных материальных носителей, вплоть до искусственных. Однако математик или физик-теоретик не знает тех фактов, которые должны составить фундамент такой теории, а работающий с подобными фактами клеточный нейробиолог не является экспертом в области аналитической философии сознания. Получается, что проблема принадлежит всем этим и многим другим дисциплинам, но ни одной из них в отдельности.
В подобных случаях часто говорят – проблема является междисциплинарной. Но в междисциплинарном сотрудничестве каждый из представителей наук остается на своей собственной территории. Здесь же сама проблема трансформирует ученых, их знания, методологию, жизненный путь. Проблема мозга и сознания важна в этом смысле по трем причинам.
Первая – биомедицинская. Изучая мозг, мы надеемся хоть в какой-то степени облегчить те страдания, которые приносят человечеству заболевания мозга. Более половины наследственных болезней связаны с нарушениями функций мозга. И это неслучайно, ведь более 80 % генов в нашем организме «работают» на мозг. Кроме того, человечество движется в направлении постепенного старения, и все острее проблема нейродегенеративных нарушений, возрастных расстройств памяти и интеллекта. ВОЗ прогнозирует рост этих заболеваний к 2050 году в три раза. Любые сведения о том, как мозг осуществляет свои когнитивные функции и что разлаживается в нем при старении, имеют огромное значение для миллионов людей.
Вторая сторона – технологическая. Мозг является сегодня самым совершенным вычислительным устройством. Лучшие из существующих компьютеров в задачах, которые решает реальный мозг в адаптивной среде, при необходимости быстрой ориентации, принятия решения, использования опыта, отстают от него по эффективности на 6–9 порядков. Наш мозг способен к потрясающе быстрому поиску в огромных массивах данных, распознаванию и работе в «зашумленной» среде, массивным параллельным вычислениям, широчайшему ассоциативному обучению, категоризации, абстракциям, эмоциям и чувствам, затрачивая на все это около 30 ватт. Самые совершенные суперкомпьютеры, способные моделировать лишь часть из этих функций, потребляют мегаватты энергии, достаточные для энергообеспечения небольшого города.
Даже малая толика того, что делает наш мозг, воплощенная в технологии, способна трансформировать общество, промышленность, экономику и жизнь каждого человека. Это несет в себе еще больший технологический потенциал, чем компьютерная революция полвека назад.
Третья сторона в наших исследованиях мозга, возможно, самая важная. Фрэнсис Крик, сооткрыватель генетического кода, посвятивший последние 25 лет жизни расшифровке нейронных кодов сознания, писал: «В масштабе истории человечества основной предмет научных исследований мозга состоит не просто в понимании и лечении различных медицинских состояний, каким бы важным это ни было, а в познании человеком истинной природы своей души». Изучая то, как, по словам И. П. Павлова, «материя мозга производит субъективное явление», мы стремимся понять, кто мы такие, откуда мы пришли, как устроено наше «Я».
В одном из небольших рассказов Борхеса говорится об огромной «Вавилонской библиотеке», автор называет ее также Вселенной, состоящей из бесчисленного множества комнат, заполненных шкафами с книгами, в каждой из которых четыреста страниц, на каждой странице сорок строчек из восьмидесяти букв, а число используемых знаков равно двадцати пяти. Во всей Библиотеке нет двух одинаковых книг. Сам автор утверждает – Библиотека беспредельна. Энтузиасты вычислений подсчитали, что ее размеры превосходят объем видимой Вселенной примерно в 10611 338 раз. Вот уже четыреста лет, пишет Борхес, как люди рыщут по комнатам Библиотеки в поисках разгадки ее тайн, теории Библиотеки и ее происхождения.
Я думаю, метафора Библиотеки скрывает за собой Вселенную состояний нашего сознания, полное собрание всех возможных произведений нашего мозга. А то, какими кодами записано содержание этих «книг» в сетях нервных клеток, и составляет основную проблему для современных исследователей мозга.
Мы знаем только начальные условия этого кода – наш мозг содержит примерно 86 млрд нервных клеток, каждая может иметь до 10 тыс. контактов с другими клетками, количество связей в такой сети исчисляется сотнями триллионов. И эта система постоянно работает, так что сигналы, посылаемые каждым нейроном другим своим «собеседникам», варьируют, и это тоже несет смыслы. Количество возможных комбинаций активности, которую может генерировать такая гигантская сеть, исчисляется цифрами, превышающими число элементарных частиц в известной Вселенной. Где-то в активности этой гиперсети и скрыт тот самый комбинаторный код, который мы ищем.
В этой Вавилонской библиотеке возможных состояний нашего мозга, мыслимых «кадров» его сознания, есть, например, все кадры фильмов, которые мы видели, и тех, которые когда-либо были или будут сняты. В этих потенциальных комбинациях активности – образы всех встречавшихся нам людей и тех, которых мы еще увидим, вообще всех людей, которые жили и будут жить на Земле. Возможные последовательности активности, «мелодии» этого супероркестра мозга содержат все когда-либо сочиненные людьми мелодии и всю музыку, которая еще будет написана. Среди прочего эта невероятная библиотека мозга вмещает в себя и все сюжеты, все тексты Вавилонской библиотеки.
Как же работать с такими невообразимыми величинами, с такой немыслимой сложностью? Один вариант – математически. Сегодня мы имеем только одну действительно математическую теорию для расчетов сознания, так называемую «теорию интегрированной информации», разработанную нейробиологом из Висконсинского университета Джулио Тонони. Суть ее заключается в том, что сознание в сети – это информация, которая возникает сверх информации, содержащейся в изолированных взаимодействиях ее частей – любых ее элементов, групп и комплексов. Поэтому кора головного мозга, где все очень сильно переплетено, так нужна для нашего сознания, с ней связаны высшие функции нашего мозга, а мозжечок, где нервных клеток в несколько раз больше, чем в коре, но они работают врозь, не связанными друг с другом модулями, не имеет для сознания особого значения. При повреждениях мозжечка наступают нарушения моторики, движений, но сознание почти не страдает.
В этой передовой теории очень важными являются подходы к количественным расчетам интегрированной информации. Ее величина, обозначаемая греческой буквой Ф (фи) и измеряемая в битах, позволяет сравнить потенциальный уровень сознания у любой системы: взрослого человека, младенца, собаки, червя, робота. Самая простая модельная система, которую сегодня изучают ученые в нейронауках, – нервная система миллиметрового червя – почвенной нематоды имеет всего 302 нейрона. Все эти нейроны известны, и расшифрована вся сеть связей между ними. Она содержит около 6 тыс. контактов. Вычислить количество интегрированной информации в такой нервной системе можно, рассмотрев все возможные разбиения этой сети, и тогда, чтобы рассчитать потенциальный уровень сознания нематоды, пользуясь возможностями современного компьютера, потребуется приблизительно 1079 лет. Таков объем сложности, который мы имеем, когда обращаемся к нашему мозгу и его степеням свободы.
Но есть и другой подход – редуцировать сложность задачи с помощью теории мозга, сделав при этом субъективный опыт доступным не только для математических, но и для экспериментальных исследований.
Мы уже говорили, что мозг можно рассматривать как гигантскую нейронную сеть – это первый принцип нашего подхода. Рассмотрение любого объекта как сети автоматически переводит проблему в плоскость физической и математической теории. Исследуя мозг как сеть, мы, с одной стороны, применяем к нему все современные методы экспериментальной нейронауки, а с другой – движемся в сторону теории мозга и сознания.
В этих исследованиях мы опираемся на огромный опыт когнитивной нейронауки в России. Пионерские работы наших великих ученых И. М. Сеченова, И. П. Павлова, В. М. Бехтерева, А. А. Ухтомского, П. К. Анохина и многих других заложили основы изучения механизмов высших функций мозга. В числе этих работ и теория функциональных систем, которой мы пользуемся в качестве второго принципа в нашей работе.
Представьте себе большую страну с многомиллионным населением, обширной территорией, крупными и мелкими городами, деревнями и поселками. Наш мозг отчасти похож на такое государство. У него есть свои республики, районы, мегаполисы, где сосредоточены десятки миллионов нервных клеток. Вся эта гигантская социальная система охвачена распределенными сетями – транспортными, финансовыми, промышленными, военными, коммуникационными и так далее, вплоть до криминальных. Каждая из них глобально охватывает весь мозг – всю страну, но в каждом из городов и участков она представлена лишь несколькими элементами – нервными клетками, своими агентами. Все остальные жители участвуют в других сетях. Каждая сеть решает свою задачу – все ее рассыпанные по стране участники, возможно, ничего и не знают друг о друге, но объединены одной целью. Такая распределенная сеть элементов, работающих совместно для достижения общего результата, и есть функциональная система. Этих сетей в нашей нервной системе огромное количество, когда-то они спят, когда-то – просыпаются, и в этот момент у человека возникают те или иные ощущения, образы, мысли, действия, поступки.
В отношении к кодам Вавилонской библиотеки мозга теория функциональных систем говорит, что именно такие рассеянные сети и составляют произведения этой библиотеки. Их тексты не записаны в отдельных книгах, это именно распределенный код, где отдельные буквы и слова взяты из миллионов книг по всей библиотеке. Только высветившись вместе в этих книгах в какой-то момент, они составляют некое единое осмысленное произведение. При этом нейроны из разных областей мозга, объединившиеся в такую функциональную систему, начинают обладать свойством сцепленности, единого когнитивного целого.
Мы разобрали два фундаментальных принципа организации когнитивных сетей мозга: любой мозг может быть описан в виде глобальной нейронной сети, и кодирование когнитивной информации в ней осуществляется распределенным, реляционным кодом. Однако мы не решили главной проблемы – что делать с огромной сложностью, невообразимым числом степеней свободы в такой сети? Третий принцип нашего подхода направлен на радикальную редукцию этой сложности. Он связан с механизмами памяти.
Сколько произведений в действительности содержится в библиотеке нашего мозга? Исследования показывают, что одиночный «кадр» нашего сознания, своего рода «стоячая волна» из сцепленной активности распределенных по мозгу нейронов, продолжается доли секунды. Средняя продолжительность жизни человека, 70 лет, составляет около 2,2 млрд секунд. Около трети времени мы тратим на сон, так что в контакте с внешним миром мы находимся менее 1,5 млрд сек. За это время мы испытываем несколько миллиардов состояний сознания. Это конечно, много, но уже совсем не те астрономические цифры, которые дает рассмотрение всех потенциальных степеней свободы мозга.
Однако реальную редукцию числа степеней свободы Вавилонской библиотеки мозга осуществляет память. Большинство «кадров сознания» не записываются в долговременную память, не оставляют следов на полках библиотеки нашего мозга. Эпизоды же, которые попадают туда, сгруппированы в смысловые сегменты, что еще сильнее компрессирует запись. В итоге наша память за всю жизнь, по-видимому, накапливает существенно меньше миллиарда произведений, возможно не больше, чем число книг в Британской библиотеке. А мозг мыши, имеющей около 70 млн нервных клеток и живущей не более трех лет, то есть около 90 млн секунд, вряд ли содержит более миллиона произведений, скорее существенно меньше. Он может быть похож по объему на городскую или районную библиотеку. Продолжительность жизни червя нематоды – 2–3 недели, т. е. около 1,5 млн секунд. Собрание произведений ее нервной системы вряд ли превышает размеры домашней библиотеки. Это уже те объемы, с которыми вполне можно работать не только теоретически, но и экспериментально.
До сих пор, говоря об узлах в сетях мозга, мы говорили о физических элементах – нервных клетках. Три разобранных выше принципа дают нам единицу совершенно другого типа – распределенную по мозгу сеть нейронов, сцепленных единым когнитивным опытом. Каждая такая сеть, одно содержащееся в памяти «произведение» нашего мозга – это один его когнитивный элемент. Мы будем называть такие элементы «когами». В совокупности они образуют систему опыта конкретного организма – его «когнитом». Этим термином мы будем обозначать особую сеть из тесно переплетенных и взаимодействующих друг с другом когнитивных нейронных сетей. Так же как геном не сводится к простому собранию отдельных генов, неся в себе многочисленные регуляционные связи между ними, когнитом – это гораздо больше, чем просто сложение отдельных когов.
Когнитом – двухслойная сетевая структура. Нижний слой – это сеть из сотен нервных структур, своего рода география «страны» мозга, куда погружен отдельный элемент «общества», живущий в своем доме, в своей семье, в своих локальных сетях. Но дальше, когда мы начинаем говорить о принципах работы всего общества, то мы должны перейти на более высокий слой. Это и есть слой произведений библиотеки мозга. В этом слое каждая из функциональных сетей нижнего слоя сетей образует одно ядро, один узел. Этот верхний слой является уже не топографическим, а топологическим. В нем вместо анатомических связей между узлами-нейронами существуют информационные связи между узлами-когами.
Когнитом – постоянно растущая и изменяющаяся структура. Мы рождаемся с рудиментарным когнитомом, содержащим очень небольшой репертуар видовых функциональных систем. Но с первых же минут жизни он начинает обрастать сетью новых, отличающихся у каждого из нас когнитивных элементов. Этот процесс продолжается до самой смерти. С возрастом он начинает перекрываться с процессами старения когнитома – распада когов, ослабления и потери связей между ними.
Концепция когнитома позволяет выявить ключевые свойства естественных нервных сетей, важные для создания искусственных когнитивных сетей. Активация, например, отдельных узлов в естественном когнитоме, за счет перекрещивания нервных участников в этих когнитивных сетях, способна вытянуть за собой из памяти многие другие коги. Это объясняет, почему мозг обладает такой потрясающей автоассоциативностью. Возбуждение одного кога через тысячи связей с другими элементами когнитома способно почти моментально вызвать богатейшую сеть ассоциаций, осуществить доступ почти ко всему прошлому опыту.
Мы можем также ставить новые экспериментальные задачи – подсчета числа когов, каталогизации когнитомов, их сравнения между собой, изучения патологий и болезней когнитома. Чтобы научиться делать это, мы должны начать по-новому смотреть на работу мозга.
Сегодня лучшие из томографических методов сканирования мозга человека имеют разрешение около кубического миллиметра. В одном кубическом миллиметре в коре головного мозга может быть до 80 тыс. клеток. Это большой город, а возможно – и несколько малых городов. И там, возможно, нас интересует лишь один житель-нейрон, а все остальные будут шумом, фоном. Пользуясь традиционными методами сканирования мозга, мы просто получим некую карту очагов, где будет видно, что в таких-то районах сейчас активность несколько больше, в других – меньше. Ясно, что раскрыть эту сеть, понять истинные принципы ее работы, декодировать ее по таким «тепловым картам» не получится. Значит, нам нужно видеть сеть не с миллиметровым, а с клеточным разрешением. Только тогда, отследив каждого «гражданина» в отдельности, мы сможем понять, кто эти агенты, где они живут, чем занимаются, как они кооперируются друг с другом для решения задач всего мозга.
Один такой метод мы нашли в конце 1980-х годов. Нас тогда интересовали уникальные гены, которые работают в нервных клетках для записи новой информации. Для того чтобы мысль или событие зафиксировались в памяти надолго, нервные клетки должны включить свой генетический аппарат и синтезировать новые белки. Когда вы видите, узнаёте что-то новое, в миллионах нейронов вашего мозга происходят вспышки активации генома. Если в этот момент не дать синтезироваться белкам в мозге, то память о нем существует короткое время, минуты, а потом исчезает. Но какие гены начинают работать в нервных клетках для того чтобы запомнить новую информацию, не было известно.
Нам с коллегами из Институтов молекулярной биологии и молекулярной генетики удалось найти такие гены. Они молчат, когда мозг занят стереотипными действиями, рутиной, когда к клеткам не поступает новая информация. Но стоит только возникнуть чему-то новому, что требует формирования новой когнитивной сети, как все клетки этой сети с максимальной для молекулярной биологии скоростью, за несколько секунд, включают гены, которые дают команду: «Запомни то, что произошло сейчас, запомни своих партнеров по сети». Каждая клетка запоминает своих – и вся сеть запоминается. Так в Вавилонской библиотеке мозга появляется новое произведение, записанное на страницах уже имеющихся книг.
Гены, которые мы нашли, в частности, ген c-fos, составляют своеобразное бутылочное горлышко в сложнейших молекулярных сетях и каскадах внутри клетки. Сигналы, которые приходят к клетке и которые ей необходимо запомнить, уникальны для каждой клетки, спектр их очень велик. Но дальше они все сходятся на ядре клетки, и если требуется выполнить сигнал «Запомни сейчас!», то включается очень ограниченное число генов, названных «немедленными ранними генами». Каждый раз, когда нервная клетка запоминает что-то, она должна активировать один из этих генов. Это узкое горлышко, которое, «засветится» и покажет, что клетка «включила память». То есть наряду с расшифровкой генетического механизма памяти клетки мы получили уникальный инструмент для выявления функциональных систем, образующихся по всему мозгу. То, что «немедленные ранние гены» могут служить своего рода молекулярными крючками для вылавливания нейронов, входящих в конкретный когнитивный элемент, дает нам целый набор новых подходов и инструментов для экспериментального изучения когнитома.
Например, используемые в наших исследованиях методы нейрофотоники и нейрооптогенетики требуют соединения новейших достижений в области анализа поведения и обучения, нейрофизиологии, молекулярной биологии и генной инженерии, лазерной физики и волоконно-оптических технологий. Кроме того, мы взаимодействуем со специалистами в области нанотехнологий и материаловедения для создания новых сенсоров нейронной активности, со специалистами в области ядерно-физических методов – для томографии структуры и связей мозга, с психологами, изучающими когнитивные функции у человека, со специалистами в области информационных технологий – с целью визуализации и анализа когнитивных нейронных сетей мозга, с математиками – с целью моделирования сетей. В одном из этих конвергентных подходов мы используем генетически модифицированных мышей, в геном которых встроен специальный репортерный конструкт, индикатор обучения нейрона. Это искусственная генетическая кассета, где в начале стоит регуляторный участок, вырезанный из гена c-fos, который мы идентифицировали как активирующий в клетке сигнал запоминания. Когда в ядро клетки поступает сигнал «Запомни!», она включает работу этого гена. Далее в этой кассете стоит ген зеленого флуоресцентного белка, взятый у глубоководных светящихся организмов. Когда этот белок синтезируется, мы можем увидеть все такие нейроны как загорание отдельных электрических лампочек в огромной сети по всей «стране».
Специальные новые методы оптической томографии позволяют нам разглядеть такие «лампочки» даже не на поверхности, но внутри трехмерного мозга. Для этого мы разработали метод, делающий ткани мозга оптически прозрачными, а весь мозг видимым, как прозрачный кристалл, в объеме которого высвечиваются миллионы элементов интересующей нас когнитивной нейронной сети. Еще более точную трехмерную картину активной сети дает метод послойного двухфотонного сканирования мозга с высоким клеточным разрешением.
В двух других способах «вылавливания» когнитивных сетей регуляторный участок гена c-fos включает работу других генетических элементов. В первом из них ген рецептора, реагирующего на химические сигналы, например, дифтерийного токсина. При активации когнитивной сети во всех клетках, которые в нее входят, и только в них, появляется этот рецептор. При введении в организм дифтерийного токсина, который сам по себе безвреден, он убьет только клетки с его рецептором, уничтожив тем самым всю когнитивную сеть целиком, но не тронув непричастных к ней соседей. Можно поступить и гуманнее, если вместо гена рецептора токсина ввести ген рецептора к веществу, которое будет лишь инактивировать помеченные клетки.
Следующий способ обращается к революционным гибридным технологиям. Мы можем избирательно стимулировать когнитивные нейронные сети оптическими методами. Для этого под регуляторный участок нашего гена-крючка для когов можно подстраивать гены, кодирующие рецепторы, делающие клетку чувствительной к фотонам, к освещению. Каждый раз, когда на такой нейрон падает свет определенной длины волны, этот фоточувствительный рецептор возбуждает клетку. Один импульс света – один нервный импульс клетки. Вводя в мозг специальные оптические волокна или даже освещая мозг животного сверху, через череп, мы можем теперь направленно управлять нервными клетками в такой когнитивной сети, специфическом коге, который мы «поймали».
Можно ли стимуляцией отдельных нейронов известного нам кога вызвать его из памяти целиком, увидев его на уровне субъективного переживания и поведения? Делают ли это одни нейроны лучше, чем другие, и в чем их сетевые особенности? Можно ли возбуждением нейронов, являющихся участниками нескольких когов, извлечь из памяти сразу комплекс из них? Можно ли создать синтетический элемент субъективного опыта, искусственно сочетая активацию ранее не работавших совместно когов? К ответу на эти и другие вопросы о когнитоме мы можем уже сегодня приступать.
Это лишь начальные шаги исследования когнитивных нейронных сетей мозга и построения теории когнитома. Когнитом реален, и его можно исследовать, однако самой теории еще предстоит отточить свои аксиомы и постулаты, выстроить свод следствий и эмпирических предсказаний. Кроме того, как всякая строгая научная теория, она должна быть облачена в одежды математики, язык формул и геометрических фигур, на котором, как говорил Галилей, написана книга философии природы.
Но есть и другая сторона – сама математика отражает процессы в когнитоме. Не случайно один из великих математиков Дэвид Гильберт писал, что основная идея его теории доказательств сводится к описанию деятельности нашего разума, протокола о правилах, согласно которым действует наше мышление. Таким образом, математическая теория когнитома должна описывать и те правила операций в нем, которыми пользуется сама математика.
Кроме того, наше познание физического мира, в том числе и квантовых процессов, также строится на когах – единицах нашего когнитивного опыта, информационного взаимодействия с миром. Поэтому многие из выдающихся физиков вновь и вновь поднимают вопрос, не отражают ли знания, получаемые в современной квантовой физике, в значительной степени особенности нашего когнитивного аппарата, процессов нашего восприятия и мышления? Как соотносится кубит, нередуцируемый строительный блок материи, с битом – фундаментальным квантом человеческого знания об этой материи? Как соотносится бит, неделимая единица познания человеком мира, с когом, элементарным материальным представлением этого мира в его когнитоме? Эти вопросы связывают две ключевые нерешенные проблемы современной науки.