Не такая уж трудная проблема

 

На другом полюсе шкалы такие «материалисты», как философ Дэниел Деннет из Университета Тафтса в Медфорде (Массачусетс), настаивают, что не существует никакой трудной проблемы, и в конечном итоге мы сможем понять сознание. Может быть, мы даже найдем способы измерить квалиа и распознавать зомби – когда узнаем достаточно о том, как работает мозг.

Для Деннетта нет никакого таинственного процесса, необходимого, чтобы способности мозга к обработке информации перешли в сознание. По сути, он называет идеи Декарта «одной из величайших ошибок в истории мышления».

Деннетт утверждает, что сознание является непосредственным продуктом работы мозга. С этой точки зрения, мозг – это своего рода машина для создания гипотез, постоянно выдвигающая все новые «гипотезы» относительно того, что происходит в мире, и совершенствующая их на ходу. В таком случае сознание не является неким загадочным внетелесным опытом, а представляет собой побочный продукт информационных потоков в теле и мозге. Иными словами, это очень убедительная иллюзия.

Более того, мозг создает не только иллюзию сознания, но и ощущение того, что существует отдельное нематериальное «я», обладающее сознательным опытом. Его также можно рассматривать как загадочное «другое» состояние, не поддающееся объяснению, или как еще одну иллюзию, сотканную из нашего жизненного опыта и наших отношений с другими.

Хотя простых ответов на любой из трудных вопросов сознания не существует, с научной точки зрения материалистическая теория имеет два преимущества.

Во-первых, нет никакой необходимости объяснять непонятные взаимодействия между материальными и нематериальными явлениями, поскольку с материалистической точки зрения то, что кажется нематериальным, не более чем мыльный пузырь. И, во-вторых, такой подход устраняет трудную проблему и замещает ее стремлением объяснить, как мозг этот мыльный пузырь создает.

В последние два десятилетия эту проблему стали изучать в рамках нейробиологии. В следующих главах вы узнаете, чему эта линия исследований научила нас.

 

 

Глава 2. Биологические основы сознания

 

Нейробиологи добились невероятного прогресса в понимании биологических основ сознания и благодаря технологическим достижениям могут даже наблюдать за тем, как оно действует в мозге.

 

Первичный материал сознания

 

Мозговые основы сознания загадочны, но это, по крайней мере, доступная загадка. Как недавно заметил Марк Хэддон, первичный материал сознания не находится в другой части Вселенной, не произошел 14 миллиардов лет назад, и он не спрятан где-то глубоко внутри атома. Он расположен прямо здесь, внутри вашей головы.

Фактически, если отбросить философский вопрос о том, почему сознание вообще существует, мы можем начать исследовать мозг с точки зрения физических и электрических паттернов его активности – так называемых нейронных коррелятов сознания.

К сожалению, мозг не уж так просто открывает свои секреты. По последним подсчетам он содержит около 90 миллиардов нейронов с таким количеством связей между ними, что если бы вы стали подсчитывать их со скоростью одна связь в секунду, на полное их перечисление вам потребовалось бы три миллиона лет. Но даже это не отражает всю сложность мозга. В действительности поражает не столько его структура, сколько пронизывающие ее паттерны взаимосвязей, которые каким-то образом лежат в основе всего, что делает вас – вами.

Как эти паттерны взаимосвязей в итоге складываются в сознание – огромный вопрос. Так с чего же мы должны начать в наших попытках понять, как все это работает? Один из подходов состоит в том, чтобы разбить проблему на поддающиеся решению фрагменты и исследовать биологические основы различных аспектов сознания по отдельности.

Так, мы можем дифференцировать уровень сознания (различие между отчетливым состоянием бодрствования и осознанности и состоянием под общей анестезией), содержание сознания (то, что мы чувствуем и на что реагируем) и чувство собственного «я» (таинственное, но в то же время совершенно знакомое ощущение, что все переживается целостным «мной»).

 

Уровень сознания

 

Что в мозге обуславливает наличие или отсутствие сознания? На самом примитивном уровне в мозге есть, по крайней мере, один переключатель «вкл./выкл.» – интраламинарные ядра таламуса, часть таламуса, расположенного в самом центре головного мозга над его стволом. При повреждении этой части мозга сознание полностью отключается. По-видимому, важную роль в том, находимся ли мы в сознании или же бодрствуем, но без сознания, также играет ограда (клауструм), тонкая пластинка серого вещества глубоко внутри мозга (см. далее).

 

Зона наилучшего восприятия для сознания?

В какой-то момент вы в сознании, а в следующий – уже нет. Может ли в реальности существовать такой переключатель сознания в мозге? Похоже, так оно и есть. В 2014 году исследователи смогли включить и выключить сознание женщины, стимулируя одну небольшую область ее мозга.

Пациентке, которой проводилась эксплоративная операция с целью локализации источника эпилептических припадков, ввели электрод рядом со скрытой глубоко внутри мозга тонкой пластинкой серого вещества, называемой оградой. Данную область мозга никогда ранее не стимулировали.

Когда исследователи стали стимулировать эту область высокочастотными электрическими импульсами, женщина потеряла сознание. Она перестала читать и безучастно смотрела в пространство, не отвечала на слуховые или зрительные команды, а ее дыхание замедлилось. Как только стимуляция прекратилась, она сразу же пришла в сознание без малейшего воспоминания о произошедшем.

Несмотря на то что эксперимент пока был проведен только на одном человеке, это открытие свидетельствует, что ограда играет важную роль в поддержании уровня сознания. Сторонник этой гипотезы Кристоф Кох из Института по изучению мозга им. Пола Аллена в Сиэтле считает, что ограда работает как своего рода проводник сознания, объединяя информацию, поступающую в разное время из разных областей мозга. В 2017 году эта теория получила дальнейшее подтверждение: в мозге мыши были открыты три длинных нейрона, тела которых расположены в ограде, а дендриты опутывают почти весь мозг, пронизывая на своем пути множество важных областей.

 

Рис. 2.1. Ограда расположена глубоко в мозге и может связывать наши ощущения в единое целое

 

Однако все согласны, что для сознания характерно нечто большее, чем простое различие между включением и выключением. Мы знаем, например, что человек может спать, переживая состояние, аналогичное нормальному бодрствованию. С другой стороны, человек в постоянном вегетативном состоянии может физически бодрствовать без каких бы то ни было признаков сознания.

Складывается картина, что несмотря на наличие некоторых важных областей мозга и типов клеток, вовлеченных в работу сознания, общее состояние зависит от того, как согласовывается деятельность всего мозга в пространственных и временны́х координатах.

Итак, как же количественно измерить уровень сознания? Одно очень перспективное решение предложил Марчелло Массимини из Миланского университета. Он и его коллеги разработали метод, при котором мозг стимулируют электромагнитным импульсом (с использованием так называемой транскраниальной магнитной стимуляции, или ТМС), а затем измеряют, как волны активности распространяются по мозгу. Это делают с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) – измерения электрической активности мозга, регистрируемой электродами на поверхности кожи головы. Импульс действует как удар в колокол, и нейроны по всему мозгу продолжают «звенеть» с определенным волновым паттерном, который зависит от активности связей между отдельными клетками мозга.

Проанализировав сложность этих волновых паттернов реакции мозга, Массимини и его команда предложили число от нуля до единицы, которое они назвали индексом сложности пертурбаций (ИСП). У людей в вегетативном состоянии, которые не реагируют на импульс и, вероятно, не находятся в сознании, показатель ИСП близок к нулю. По данным одного исследования, уровень ИСП = 0,3 является порогом, по-видимому, отделяющим состояния наличия сознания от его отсутствия.

В последующих исследованиях использовали только измерение ЭЭГ – без электромагнитной стимуляции – чтобы понять, можно ли отдельно применять показатели сложности для определения уровня сознания. Если упростить, эти показатели количественно измеряют, насколько импульсы мозга разнообразны, или непредсказуемы. Как оказалось, показатель спонтанной сложности также последовательно снижается от уровня, наблюдаемого при бодрствующем отдыхе, через мягкую седацию и до полной общей анестезии. Схожим образом исследования пациентов с электродами, имплантированными в мозг для локализации источника эпилептических припадков, показали общее снижение сложности при засыпании. Интересно, что во время быстрого сна (или фазы быстрого движения глаз – БГД), когда люди видят сны, сложность динамики работы их мозга соответствует таковой при нормальном сознательном бодрствовании – а значит, эти показатели сложности отражают именно специфические уровни сознания, а не просто физиологические изменения в работе мозга.

Что касается «высших» состояний сознания, то в некоторых недавних исследованиях с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ – измеряет магнитные поля, возникающие во время активности мозга) изучали динамику работы мозга при употреблении психоактивных веществ, таких как ЛСД, псилоцибин и кетамин. В сравнении с исходным состоянием эти вещества, по-видимому, действуют как полная противоположность анестезии или засыпанию. Похоже, что они повышают уровень сложности мозговой активности – такое наблюдается впервые. Может ли это быть признаком достижения некоторой «вершины» сознания? Повышенного уровня сознания? Говорить об этом с уверенностью слишком рано, однако это многообещающая область для будущих исследований.

Все эти способы измерения уровня сознания связаны с набирающей популярность теорией сознания, называемой теорией интегрированной информации, или ТИИ, которую разработал нейробиолог Джулио Тонони из Висконсинского университета (см. «Интеграция порождает осознанность?»). Однако существующие сегодня методы, подобные вышеупомянутым, дают лишь грубые приближения к теории. А для любой реальной системы измерение интегрированной информации во всей ее полноте пока что практически невозможно.

 

Интеграция порождает осознанность?

Наши переживания, связанные с восприятием цвета, формы и звука, существуют не по отдельности, а как полностью интегрированное целое. Джулио Тонони, нейробиолог из Висконсинского университета в Мэдисоне, выдвинул теорию, описывающую этот процесс. Он утверждает: для того, чтобы система обладала сознанием, она должна интегрировать информацию таким образом, чтобы целое несло в себе большее количество информации, чем сумма его частей. Для сознания интегрированная информация не может быть редуцирована до более мелких составляющих. Когда вы воспринимаете красный треугольник, мозг не может запечатлеть этот объект как бесцветный треугольник в совокупности с бесформенным пятном красного цвета.

Показатель способности системы интегрировать информацию Тонони назвал Фи. Согласно его теории, эта способность является ключевой характеристикой сознания. Цифровая камера обладает потрясающим объемом памяти, но все миллионы ее пикселей никогда не «видят» фотографию, в то время как ваше сознание способно «увидеть», поскольку ваш мозг активно интегрирует информацию, чтобы придать смысл полученным данным.

Один из способов вычислить Фи – разделить систему на две части и сравнить, как отличаются прогнозы будущего состояния у частей и целой системы. Наиболее радикальное деление будет давать две наиболее независимые части. Если эти части будут полностью независимыми, так что «целое» не превысит их суммы, тогда Фи будет равняться нулю, и система не будет обладать сознанием. Чем выше же созависимость частей при наиболее радикальном делении, тем бо́льшим будет значение Фи и, соответственно, уровень сознания системы.

Подход Тонони позволяет объяснить некоторые любопытные аспекты сознания. Почему мы утрачиваем сознание, когда ложимся спать? Тонони ответил бы, что во время сна информация из специализированных сетей мозга не интегрируется. Почему эпилептические припадки связаны с потерей сознания? Возможно, потому что припадки перегружают сеть, блокируя сложный процесс обмена информацией.

 

В контексте конкретных областей мозга, участвующих в поддержании уровня сознания, в последнее время внимание было приковано к «горячей точке» задней коры, расположенной в теменной и затылочной долях коры больших полушарий головного мозга. По всей видимости, активность в этой области является очень надежным отличительным признаком наличия и отсутствия сознания, что было показано в исследовании Франчески Сиклари и ее коллег из Висконсинского университета в Мэдисоне. Вместо того чтобы сравнивать бодрствование со сном – сравнение, которое включает в себя, помимо потери сознания, еще множество изменений в мозге и теле, – исследователи наблюдали за мозгом только во время сна. Они будили испытуемых много раз в течение каждой ночи и спрашивали их, видели ли те сны. Это позволило им сравнить активность мозга при сновидениях и отсутствии каких бы то ни было сознательных переживаний. В данном случае общее состояние мозга и тела было одинаковым, так что любые найденные различия должны были быть связаны именно с сознанием. Как оказалось, задняя «горячая точка» играет настолько заметную роль в работе сознания, что исследователи смогли предсказывать, сообщит ли испытуемый о сновидениях еще до его пробуждения, основываясь только на активности этой зоны.

 

Есть ли сознание у младенцев?

У взрослых осознание того, что они что-то ощутили, увидели или услышали, связано с двухэтапным характером деятельности мозга. Так, сразу же после предъявления визуального стимула активируются области зрительной коры, а спустя приблизительно 200–300 миллисекунд активируются и другие области, включая префронтальную кору, которая отвечает за когнитивную деятельность более высокого уровня. Некоторые исследователи полагают, что осознание появляется только после того, как активность нейронов на втором этапе достигает определенного порога.

Исследовать этот процесс у взрослых достаточно просто, потому что они способны сообщить, когда осознают что-то. Но задать те же самые вопросы младенцам, чтобы узнать, осознают ли они что-либо происходящее в окружающей среде, и если да, то как осознают, невозможно.

Сид Куидэ и его коллеги из Высшей нормальной школы в Париже решили эту проблему так. Они надели шапочки для ЭЭГ на группы младенцев в возрасте 5, 12 и 15 месяцев и фиксировали активность их мозга в ответ на предъявляемую серию быстро меняющихся изображений. Как и взрослые, все младенцы реагировали на человеческое лицо, демонстрируя ожидаемый двухэтапный паттерн. Но на втором этапе – этапе деятельности, связанной с осознанием, – ответ был намного медленнее.

Самая медленная и наименее выраженная реакция была зарегистрирована у пятимесячных младенцев: задержка перед началом второго этапа составила более секунды. У 12-месячных младенцев второй этап регистрировали в период от 800 до 900 миллисекунд после предъявления изображения. 15-месячная группа показала очень схожий результат.

По-видимому, младенцы обладают тем же механизмом сознательной регистрации происходящего в окружающем их мире. Им просто требуется для этого немного больше времени.

 

Содержание сознания

 

Хотя нам кажется, будто то, что мы видим, слышим и чувствуем, очень реально, есть веские доказательства: наше восприятие – своего рода «контролируемая галлюцинация» – «лучшая догадка» мозга относительно того, что вызывает входящую сенсорную информацию.

 

Подумайте об этом: мозг заперт внутри костного черепа. У него нет прямого доступа к окружающему миру. У него нет прямого доступа даже к собственному телу. Все, что мозг получает, – это электрические сигналы от разных органов чувств: глаз, ушей и так далее. Эти сигналы зашумлены и противоречивы, но, тем не менее, мозг должен каким-то образом решить, что все это значит.

Еще в XIX веке немецкий физиолог Герман фон Гельмгольц выдвинул гипотезу, что мозг как бы делает предсказание. Он объединяет сенсорную информацию, поступающую из окружающего мира, с предварительными предположениями (или ожиданиями) относительно того, каков этот мир. Это приводит к «лучшей догадке» о том, что вызвало сенсорные сигналы, – вот что мы и воспринимаем сознательно.

Поначалу эту концепцию непросто принять на веру, но ее довольно легко проиллюстрировать с помощью простой зрительной иллюзии – иллюзии с тенью на шахматной доске (иллюзия тени Адельсона) (см. рис. 2.2).

На первый взгляд клетки, обозначенные A и B, выглядят как разные оттенки серого цвета. Однако в действительности они одинаковы. Дело в том, что мозг использует свое прежнее знание о том, что тень, падающая на поверхность, делает эту поверхность темнее. В сочетании с тем фактом, что мы ожидаем, что клетка B будет того же цвета, что и все остальные клетки по диагонали, мозг прогнозирует, что в «реальном мире» клетка B должна быть светло-серой. В результате мозг воспринимает ее как светло-серую, но слегка затемненную тенью. Этот эффект настолько силен, что даже демонстрация иллюзии не меняет восприятия.

 

Рис. 2.2. Иллюзия с тенью на шахматной доске (иллюзия тени Адельсона)

 

Подобные воззрения круто меняют наше понимание работы мозга. С этой точки зрения, представление о том, что чувства достоверно записывают происходящее извне и информируют об этом мозг, неверно; на самом деле наиболее тяжелую часть работы по восприятию осуществляют связи, идущие от мозга обратно к сенсорным поверхностям. Другими словами, содержание нашего осознанного восприятия в значительной степени сконструировано мозгом: это своего рода «контролируемая галлюцинация», в которой наши перцептивные гипотезы постоянно корректируются сенсорными сигналами, поступающими из внешнего мира.

Если говорить о физических основах этих процессов, растет число доказательств того, что перцептивные гипотезы и нисходящие связи оказывают большое влияние на сознательное восприятие. Еще в 2001 году нейробиологи Винсент Уолш и Альваро Паскуаль-Леоне попросили испытуемых следить за движущимися точками, в то время как экспериментаторы препятствовали деятельности мозга с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). При воздействии на нисходящие связи (идущие сверху вниз или изнутри наружу) они обнаружили, что испытуемые больше не видели движение точек. Следовательно, чтобы понимать, что происходит во внешнем мире, мозгу нужны его внутренние «предсказания».

Недавно Ларс Мукли и его коллеги из Университета Глазго показали, что функциональную МРТ (измеряет метаболическую активность, или кровоток в мозге) можно использовать, чтобы «декодировать» тип изображения, на которое смотрит человек. Что особенно важно, они смогли декодировать эту информацию даже из области зрительной коры, которая не получала никаких входящих сенсорных данных, а это значит, что информация должна основываться на нисходящих прогнозах, приходящих из других частей мозга.

Другое недавнее исследование связало перцептивные гипотезы с так называемым альфа-ритмом в мозге. Это заметное колебание мозговой активности (мозговая волна) частотой примерно 10 герц (10 колебаний в секунду), особенно выраженное в затылочных отделах мозга, где расположена зрительная кора. Исследование, проведенное в Центре им. Терезы Саклер при Университете Сассекса, показало, что влияние перцептивных предсказаний на восприятие зависит от фазы альфа-цикла: на пике волны влияние больше, чем в ее низшей точке.

Какие возможности дает нам сознание чего-либо? Это может показаться очевидным, но когда мы что-то сознаем, мы можем вести себя очень гибко. Если я вижу чашку кофе, я могу игнорировать ее, взять или бросить ее в стену – все, что только захочу. Как утверждает влиятельное направление исследований под названием «теория глобального рабочего пространства», эта гибкость возникает благодаря тому, что все содержание нашего сознания в каждый отдельный момент широко «транслируется» в различные области мозга, позволяя человеку реагировать всеми возможными способами (см. «Модель глобального рабочего пространства сознания»). Фактически многие сторонники этой теории утверждают, что процесс «трансляции» и является самим сознанием.

Для изучения связи между сознательным восприятием и глобальной «трансляцией» можно сравнить активность мозга, вызванную осознанно видимым стимулом (например, буквой «А», четко предъявляемой на экране), с активностью, вызванной тем же стимулом, но не доходящим до сознания. Существует множество способов осуществления этого, например с помощью метода маскировки, при котором целевой стимул предъявляется очень кратко и сразу же сопровождается пустым стимулом. Многие эксперименты, где использовали этот метод, показали, что, когда испытуемые сообщают о сознательном восприятии, большая область коры – так называемая лобно-теменная сеть – активируется. Это свидетельствует в пользу теории глобального рабочего пространства, в которой лобно-теменную сеть связывают с рабочим пространством. Тем не менее, некоторые недавние открытия, в том числе упомянутая ранее «горячая точка» задней коры головного мозга, бросают вызов этой теории.

 

Модель глобального рабочего пространства сознания

Содержание нашего сознательного опыта постоянно претерпевает изменения. Модель глобального рабочего пространства, которую в 1988 году предложил Бернард Баарс из Института нейронаук в Сан-Диего (Калифорния), пытается описать, как происходят эти изменения.

Баарс предполагает, что неосознаваемые переживания обрабатываются локально в отдельных участках мозга, при этом мозг также отслеживает происходящее в теле и в памяти. Различные аспекты наших постоянно меняющихся переживаний осознаются только тогда, когда эта информация передается в сеть нейронов, распределенных по многим разным областям мозга – «глобальное рабочее пространство». Это отражается в мгновенной скоординированной активности мозга, и наши переживания становятся содержанием сознания.

 

Рис. 2.3. Транслирующееся сознание: глобальное рабочее пространство предполагает, что сознание рождается из высоко координированной и широко распространенной деятельности мозга

 

В поддержку этой теории говорят результаты так называемых экспериментов по бинокулярной конкуренции, которые служат хорошим доказательством того, что мозг действительно активно выбирает, какую информацию отправить в наше сознание. Обычно оба глаза видят одну и ту же картину, поэтому мозг легко объединяет два монокулярных изображения в целостную картину. Но если правому и левому глазу предъявить различные изображения, мозг разрешит этот конфликт, позволив вам видеть только одно изображение в один момент времени. Иными словами, вы будете осознавать либо изображение от левого глаза, либо изображение от правого глаза, но не оба изображения одновременно.

 

Что действительно происходит в мозге, когда мы осознаем нечто, все еще выясняют, и нам предстоит многое узнать. Но кажется все более вероятным, что наше переживание «реальности» на самом деле является своего рода контролируемой галлюцинацией, генерируемой мозгом и обновляемой на лету.

 

Придержите эту мысль

Похоже, что в случае сознания мозг делает именно это – как бы на время придерживает мысль. Недавние исследования показали, что осознанное восприятие требует устойчивой активности мозга в течение сотен миллисекунд. Эту отличительную характеристику мозговых волн можно использовать, чтобы различать уровни нарушения сознания у людей с черепно-мозговыми травмами.

Нейробиологи считают, что для сознания необходимо, чтобы нейроны возбуждались, продуцируя устойчивый паттерн мозговой активности. Точный характер паттерна зависит от характера сенсорной информации, но, как только информация вошла в обработку, мозг должен сохранять стабильный паттерн в течение короткого периода времени – как будто ему нужно мгновение, чтобы считать информацию.

В 2009 году Аарон Шургер из Федеральной политехнической школы Лозанны проверил эту теорию, просканировав мозг 12 испытуемых методом фМРТ. Испытуемым показывали два изображения одновременно, по одному для каждого глаза. Один глаз видел красную линию на зеленом фоне, а другой – зеленую на красном. В результате этого смешения испытуемые иногда осознанно воспринимали рисунок, а иногда нет.

Когда люди сообщали, что видят рисунок, сканирование в среднем показывало, что их мозговая активность стабильна. Когда же они говорили, что ничего не видят, активность была более вариабельна. Шургер и его коллеги повторили эксперимент, используя электроэнцефалографию и магнитоэнцефалографию, измеряющие электрические и магнитные поля, генерируемые деятельностью мозга. Эти методы обеспечивают более высокое временно́е разрешение, чем фМРТ, что позволило исследователям увидеть, как в течение нескольких миллисекунд в пределах одного мозга изменяется паттерн активности.

Основываясь на предыдущем эксперименте, исследователи ожидали, что активность мозга испытуемых стабилизируется и останется таковой в течение сотен миллисекунд в случае, если они сообщат, что видят рисунок, а иначе будет изменчивой.

Затем ученые опробовали свой метод на 116 пациентах с нарушениями сознания. Пациентам в состоянии минимального сознания, в вегетативном состоянии и только что вышедшим из комы проигрывали звуковой тон, при этом регистрировалась активность их мозга. Оказалось, что чем выше была степень осознанности пациента, тем выше была степень устойчивости их мозговой активности.

Данная работа подтверждает и дополняет теорию нейронного глобального рабочего пространства сознания.