Александр Марков
Обезьяны, нейроны и душа
Речной рак принимает решение
В нейробиологии успех исследований самым радикальным образом зависит от удачного выбора объекта. Эрик Кандель, получивший в 2000 году Нобелевскую премию за исследования памяти, рассказывает в своих мемуарах[24], что поворотным пунктом в его карьере стало решение сменить объект. Тайны памяти, ускользавшие от исследователей, пока они работали на кошках, удалось раскрыть в ходе изучения морского моллюска аплизии. Не в последнюю очередь этому способствовало то обстоятельство, что нейроны аплизии гораздо крупнее кошачьих. Это позволяет следить за работой индивидуальных нервных клеток – например, втыкая в них электроды и регистрируя электрическую активность. Результаты, полученные на аплизии, впоследствии оказались вполне приложимыми и к кошкам, и к людям.
Механизмы принятия решений изучают обычно на млекопитающих – животных с чрезвычайно сложной нервной системой и мозгом, состоящим из сотен миллионов очень мелких нейронов. Даже самые мощные современные методы, такие как магнитно-резонансная томография, позволяют в лучшем случае найти участки мозга или большие группы нейронов, участвующие в тех или иных этапах принятия решения в неоднозначной ситуации (Gold, Shadlen, 2007). Чтобы добраться до более тонких деталей, нужен объект попроще, и желательно с крупными нейронами. Впрочем, сначала нужно убедиться, что такие животные действительно способны принимать «осмысленные» (то есть целесообразные, адаптивные) решения на основе комплексного анализа разнородной информации, подобно тому как это делают умные млекопитающие.
Мы уже знаем, что даже отдельно взятый нейрон – базовый элементарный блок нервной системы – по сути дела является маленькой биологической машинкой для принятия одного из двух альтернативных решений (возбудиться или нет) на основе анализа разнородных входящих сигналов. Понятно, что из нескольких таких блоков в принципе нетрудно сконструировать более сложный контур, обеспечивающий осмысленное поведение организма. Но это теория, а как обстоит дело на практике?
Результаты экспериментов на раках, проведенных недавно психологами и нейробиологами из Мэрилендского университета (США), показали, что сравнительно простая нервная система рака эффективно справляется с задачами, требующими принятия решений (то есть осмысленного, целесообразного выбора одного из нескольких альтернативных вариантов поведения в зависимости от ситуации) (Liden et al., 2010).
В ряде работ, выполненных в последние годы, было показано, что раки могут стать перспективным объектом для нейробиологических исследований. Поэтому интерес ученых к этим животным вполне понятен. Одно из самых удобных свойств раков заключается в том, что в осуществлении некоторых важных поведенческих реакций у них участвуют немногочисленные очень крупные нейроны, электрическую активность которых можно регистрировать неинвазивными методами – помещая электроды просто в воду рядом с раком и ничего не втыкая в само животное.
Авторы исследовали реакцию молодых раков Procambarus clarkii на движущиеся тени (см. рисунок). В опытах приняли участие 259 раков. Чтобы исключить эффекты обучения и привыкания, каждого рака использовали только в одном опыте.
Схема экспериментальной установки. Проголодавшегося рака выпускали в правую часть аквариума, после чего он шел влево, на запах пищи. Когда рак достигал первого фотодиода, на него начинала надвигаться тень. При помощи электродов регистрировали активность медиальных гигантских нейронов. По рисунку из Liden et al., 2010.
Заметив приближающуюся тень, рак либо замирает, либо резко бьет хвостом и отпрыгивает далеко назад. Обе реакции – защитные. В природе движущаяся тень с большой вероятностью означает приближение хищника – например, крупной рыбы или птицы. В эксперименте использовали тень от пластиковой непрозрачной пластины, и раки никогда не игнорировали ее. В каждом опыте непременно наблюдалась одна из двух реакций – либо замирание, либо удар хвостом.
Ранее было установлено, что удар хвостом происходит в результате возбуждения двух гигантских нейронов, расположенных в брюшной нервной цепочке и проходящих вдоль всего тела рака (medial giant interneurons, MG). Возбуждение этих нейронов регистрировалось при помощи двух электродов. Электрический импульс пробегает по гигантским нейронам примерно за одну миллисекунду до того, как начнут сокращаться мышцы брюшка.
То есть фактически приборы регистрируют принятое раком решение ударить хвостом еще до самого удара. Что касается реакции замирания, то она провоцируется возбуждением одного-единственного нейрона; этот нейрон известен, но в данном эксперименте его активность не регистрировалась.
Решение рака зависит от скорости движения тени. По горизонтальной оси – скорость тени (м / с), по вертикальной – процент принятых решений; серым цветом показаны замирания, черным – удары хвостом. По рисунку из Liden et al., 2010.
Оказалось, что рак решает, как ему поступить – замереть или ударить хвостом, – в зависимости от скорости движения тени. Если тень надвигается медленно (1 м/с), то рак, скорее всего, прыгнет.
При виде быстрой тени (4 м/с) – замрет. Эти скорости примерно соответствуют реальным скоростям движения хищных рыб.
Смысл такого поведения довольно очевиден. Если хищник движется не очень быстро, есть шанс спастись от него бегством. Это надежнее, чем замирать и надеяться, что тебя не заметят. Но если враг мчится со скоростью 4 м/с, прыгать от него бесполезно – догонит. Остается замереть и положиться на удачу. Похожее поведение характерно для грызунов: они тоже чаще реагируют замиранием, а не бегством, на угрозу, от которой трудно или невозможно убежать.
От скорости тени зависело не только само решение, но и время, затраченное раком на его принятие. Те раки, которые в итоге выбрали прыжок, раздумывали дольше, если тень надвигалась не очень быстро. Между началом движения тени и возбуждением MG проходило около 80 мс при скорости тени 1 м/с и лишь около 65 мс при скорости 4 м/с. Впрочем, раки все равно не успевали отпрыгнуть до того, как тень их накроет: при максимальной скорости движения тени она настигала их за 44 мс.
Могут ли раки, принимая решение, учитывать еще какие-то факторы, кроме скорости движения тени? Прыжок обходится раку довольно дорого: помимо того что на столь резкое движение тратится много сил, рак после прыжка оказывается дальше от своей цели – в данном случае от источника вкусного запаха, к которому он полз. Кроме того, после прыжка ему приходится дольше приходить в себя, прежде чем он сможет продолжить путь. Раки начинали снова ползти на запах в среднем через 11 с после реакции замирания и через 29 с после удара хвостом. На то, чтобы добраться до цели, в первом случае уходило в среднем 47 с (от начала эксперимента), а во втором – целых 140 с. В природе раки часто сталкиваются с дефицитом пищи и дерутся за нее друг с другом. Поэтому раку невыгодно шарахаться от каждой тени. Принимают ли раки в расчет это обстоятельство?
Авторы провели еще одну серию экспериментов с переменной концентрацией пищевого запаха и со скоростью движения тени 1 и 2 м/с. Ученые предположили, что более сильный – а значит, более привлекательный – запах пищи, возможно, будет склонять раков к тому, чтобы реже прыгать и чаще замирать. Это предположение подтвердилось: концентрированный запах пищи достоверно снизил частоту прыжков, соответственно повысив частоту замираний. Особенно четко эта закономерность проявилась при скорости тени 2 м/с. При низкой скорости (1 м/с) эффект был сходный, но более слабый.
Исследование показало, что процесс принятия решений у раков в общих чертах похож на таковой у млекопитающих. Раки интегрируют информацию, поступающую от разных органов чувств (в данном случае – от глаз и обонятельных рецепторов), «взвешивают» значимость этих сигналов и принимают решение на основе результатов взвешивания. Сам акт принятия решения состоит в том, что несколько ключевых нейронов, на которых сходятся окончания других нервных клеток, либо возбуждаются, либо нет.
Разумеется, для того чтобы осуществлять подобные аналитические процедуры – и в результате совершать вполне осмысленные, адаптивные поступки, – вовсе не нужно обладать сознанием[25]. Даже очень простые нейронные контуры могут справляться с такой работой, совершая ее автоматически, без всякого осознания или рефлексии, подобно интерактивной компьютерной программе. Эта простая мысль до сих пор кажется чуждой многим людям, что вообще-то немного странно в наш компьютерный век. Изученное в обсуждаемой работе поведение раков нетрудно запрограммировать. Наверняка можно сделать искусственного автоматического рака, который будет реагировать на тени и запахи совсем как живой. Подобные роботы уже существуют: например, удалось сделать механических тараканов, которых живые тараканы принимают за «своих» и даже считаются с их «мнением», когда нужно решить, в каком из нескольких укрытий лучше всем вместе спрятаться (тараканы – большие коллективисты) (Halloy et al., 2007).
Вряд ли на раках можно изучать сложные мыслительные процессы, характерные для человека и других млекопитающих, но базовые нейрологические механизмы принятия решений, по-видимому, сходны у нас и у раков. Изучать их на раках гораздо проще, чем на обезьянах и крысах, что делает раков перспективными объектами нейробиологических исследований.
Рассмотренный пример также помогает понять, почему результаты мыслительных процедур у людей и других животных часто бывают предельно дискретными (контрастными, категориальными)[26]. Рак не может наполовину замереть, наполовину прыгнуть. Нужно выбрать одно из двух и затем уже действовать решительно, не оглядываясь на упущенные альтернативные возможности. Кроме того, как мы уже говорили, категоричность изначально заложена в саму структуру нейрона. Нейрон не может послать по аксону половину или семь восьмых потенциала действия. Все или ничего, ноль или единица, белое или черное. Надо ли удивляться, что люди так любят преувеличивать контрастность наблюдаемых различий между похожими объектами, что мы склонны искать (и, черт побери, находить!) четкие границы даже там, где их со всей очевидностью нет. Как, например, в эволюционном ряду, соединяющем нечеловеческих обезьян с человеком.
«Нет, вы все-таки скажите нам точно, в какой момент обезьяна стала человеком!» – вот типичное требование, предъявляемое публикой ученым, когда речь заходит об антропогенезе. Не скажу. Зато вы можете спросить у речного рака, на какие категории делятся хищники. Он вам объяснит, что хищники делятся на две категории, которые невозможно спутать и между которыми вообще нет ничего общего. Есть медленные хищники – от них нужно прыгать. Есть быстрые хищники – от них не убежишь, нужно замирать. Вот и все. Переходных форм не существует. Для такой логики достаточно пары нейронов. Для иной – часто не хватает и ста миллиардов.
Электромеханические устройства на мысленном управлении
Поскольку мысли материальны и складываются из комбинаций нервных импульсов, то нет никаких физических запретов на создание разнообразных инженерно-технических «приложений» к мозгу – устройств на мысленном управлении. Собственно, все тело животного представляет собой именно такое устройство. Но нам, конечно, хотелось бы получить более наглядную демонстрацию. Что-нибудь из металла и пластика, пожалуйста. С электромоторчиками и шестеренками – и чтобы мозг всем этим мог напрямую управлять.
Если бы подобные проекты нужны были только для убеждения упертых идеалистов, игра не стоила бы свеч. Но они нужны не только для этого. Разработка протезов, которыми человек мог бы управлять точно так же, как настоящими конечностями, при помощи мозговых импульсов, является одной из актуальных задач медицины. В последнее время в этой области наблюдается значительный прогресс. И люди, и другие обезьяны уже могут – при посредстве несложных электронных устройств – мысленно управлять движением курсора на экране компьютера. Но управлять курсором куда проще, чем пользоваться таким сложным прибором, как рука, в настоящем трехмерном пространстве.
В 2008 году группа американских нейробиологов, медиков и робототехников сообщила о сенсационном результате: им удалось научить двух макак резусов брать пищу и отправлять ее в рот при помощи механической руки с мысленным управлением (Velliste et al., 2008).
Схема эксперимента. Мозговые импульсы подвергаются компьютерной обработке, и на их основе генерируются сигналы, управляющие движением механической руки. Собственные руки обезьяны зафиксированы в горизонтальных трубках. По рисунку из Velliste et al., 2008.
В экспериментах использовалась искусственная рука, по своим механическим характеристикам близкая к настоящей. У нее пять степеней свободы: она может двигаться в плечевом суставе вверх-вниз, вправо-влево и вращаться вокруг своей оси (три степени свободы), в локтевом суставе она может только сгибаться-разгибаться (четвертая степень свободы); кроме того, она снабжена хватающей «кистью» в виде клешни, которая может сжиматься и разжиматься (пятая степень свободы). Все движения осуществляются при помощи моторчиков с компьютерным управлением.
Ученые вживили двум макакам по 96 электродов в участок моторной коры, управляющий движениями плеча и предплечья. Эти электроды у двух обезьян были немного по-разному распределены. Попадание электродов в те или иные конкретные точки коры было отчасти случайным, и уж во всяком случае никто не мог знать заранее, какие из электродов будут воспринимать мозговые команды, скажем, о подъеме руки, а какие – о сгибании локтя. Это предстояло выяснить в ходе дальнейших экспериментов. Долгий курс обучения должны были пройти не только обезьяны, но и компьютерная программа, интерпретирующая мозговые сигналы и преобразующая их в команды для управления механической рукой.
На начальном этапе обезьян учили управлять рукой при помощи джойстика с кнопкой (кнопка предназначалась для открывания и закрывания клешни). Кроме того, обезьяна просто смотрела на автоматические движения руки, которая брала пищу из разных мест и подносила ее ко рту подопытной (известно, что вкусная пища – чуть ли не единственный стимул, побуждающий обезьяну в лабораторных условиях быть внимательной и чему-то учиться). Пока механическая рука двигалась, а обезьяна на нее смотрела, компьютер регистрировал сигналы, поступающие от 96 электродов, и подвергал их статистической обработке. Сигналы от некоторых датчиков не коррелировали с движениями руки, и эти датчики впоследствии не учитывались. Для остальных электродов компьютер определял, какие движения искусственной руки сопровождаются наиболее интенсивными (частыми) нервными импульсами. Так были выявлены электроды (и соответствующие точки мозга), которые избирательно реагируют на те или иные движения (вверх-вниз, вперед-назад и вправо-влево), а также на сжимание и разжимание пальцев. Соответствующий «рисунок» возбуждения нейронов интерпретировался как команда, посылаемая мозгом. Например, если данные десяти датчиков регистрировали наиболее сильные сигналы при подъеме руки, то в дальнейшем, когда управление рукой передавали обезьяне, сигналы от этих десяти датчиков компьютер преобразовывал в команду «поднять руку».
После этого этапа предварительного обучения исследователи попытались сразу передать обезьянам всю власть над механической рукой, но ничего не вышло: обезьяны не справились с управлением. Тогда пришлось пойти более долгим путем постепенной передачи контроля от «автопилота» обезьяне. При этом училась не только обезьяна, но и компьютер: интерпретация нервных импульсов постоянно уточнялась и подстраивалась к текущему состоянию обезьяньего мозга. Как выяснилось, такая подстройка должна осуществляться ежедневно, потому что компьютерная интерпретация мозговых сигналов, основанная на вчерашних экспериментах, сегодня может для той же самой обезьяны оказаться недостаточно точной. Кроме того, импульсы, генерируемые мозгом во время пассивного наблюдения за автоматически движущейся рукой, оказались не совсем идентичными тем, что генерируются при непосредственном мысленном управлении искусственной конечностью.
Задача, которую обезьяна должна была выполнить при помощи искусственной руки, изо дня в день была одна и та же: нужно было взять пищу (пастилу или ягоду), которая появлялась в разных местах в пределах досягаемости, и поднести ее ко рту (а потом, разумеется, съесть, но это уже делалось без помощи технических средств). Самая трудная часть задания состояла в том, чтобы поднести раскрытую клешню точно к пище. Для этого нужно управлять рукой с точностью до нескольких миллиметров, иначе еду не удастся схватить. Подносить пищу ко рту можно с меньшей точностью, поскольку обезьяна могла шевелить головой (ее руки – настоящие, а не искусственные – были закреплены в специальных трубках).
В течение нескольких недель контроль над искусственной рукой постепенно передавался от автопилота обезьяне. Помощь автопилота, упрощенно говоря, состояла в том, что обезьяне было легче совершать «правильные» движения, чем «неправильные», – искусственная рука охотнее двигалась в нужном направлении, чем в любом другом. Постепенно эта помощь слабела. С точки зрения обезьяны это означало, что задача становилась все более трудной, так что ей приходилось каждый день продолжать учиться, постепенно совершенствуя мастерство владения искусственной рукой.
Наконец автопилот был полностью отключен, и обезьяны стали совершенно самостоятельно кормить себя при помощи механической руки, управляемой мозгом. Нельзя сказать, что это получалось у них так же ловко, как настоящими руками, но все же в большинстве случаев им удавалось взять пищу и отправить в рот.
Авторы отмечают, что обезьяны не просто выучили серию механически повторяющихся «ментальных» действий, а освоили настоящее сознательное управление искусственной конечностью. Это подтверждается несколькими фактами. Во-первых, положение пищи все время менялось, так что тянуть искусственную руку нужно было в разные стороны.
Во-вторых, ученые провели дополнительный опыт, в котором пища была внезапно передвинута в тот момент, когда обезьяна уже поднесла к ней свою клешню. Если бы обезьяна теперь направила клешню к лакомству по прямой линии, угощение было бы сбито с подставки. Нужно было переместить конечность по дуговой траектории, и обезьяна отлично с этим справилась.
В-третьих, в ходе экспериментов обезьяны освоили ряд новых движений, которым их никто не учил. Например, если во время поднесения пищи ко рту лакомство падало, обезьяны не продолжали двигать ко рту пустую клешню, а останавливали ее в ожидании следующей порции. Они также научились совершать клешней небольшие движения около рта, чтобы удобнее было ее облизывать, и не тянули руку к новой порции пищи до тех пор, пока не оближут хорошенько. Сначала они держали клешню закрытой в течение всего времени переноса пищи ко рту, но потом заметили, что пастила прилипает к клешне и обычно не падает, даже если клешню разжать. Тогда они стали разжимать клешню не у самого рта, а еще в пути.
Идеи и методы, придуманные авторами, должны помочь медикам и инженерам в разработке протезов с мысленным управлением. О дальнейших перспективах читатели могут помечтать самостоятельно. А для темы этой главы важно, что подобные эксперименты наглядно демонстрируют правильность идей, высказанных еще И. М. Сеченовым в 1863 году в статье «Рефлексы головного мозга». Мысли материальны, а мозг – орган души – представляет собой устройство не менее вещественное, чем бетономешалка (хотя и гораздо более сложное). К нему вполне можно прикрутить пару-тройку дополнительных электромеханических «аксессуаров». Когда-нибудь – возможно, довольно скоро – они будут продаваться в магазинах.
Редукционизм
К сожалению, выводы науки о материальности мыслей и о том, что душа является продуктом работы мозга, очевидные для многих специалистов уже во времена Сеченова, большинству людей до сих пор не кажутся ни очевидными, ни бесспорными. Человек субъективно воспринимает себя как идеальную сущность, не связанную неразрывно с «бренным телом». Нам очень легко поверить в возможность существования души отдельно от тела и крайне трудно свыкнуться с тем банальным фактом, что никакой души без работающего мозга быть не может. По-видимому, это такой же адаптивный, то есть полезный для выживания, самообман, как и упомянутое выше восприятие камней как сплошных, непроницаемых объектов. Пещерному человеку для выживания не нужно было знать, что нейтрино легко пролетит сквозь камень, не задев ни одного атомного ядра. Ему гораздо важнее было понимать, что сам он сквозь камень не пройдет. Так же и о материальной природе собственной психики незачем знать млекопитающему с зачаточными способностями к рефлексии, едва начавшему осознавать свое существование. Ему полезнее думать о себе и сородичах как о личностях, обладающих свободой выбора (о ней мы поговорим чуть позже). Отсюда – неприятие выводов нейробиологии широкими кругами общественности и даже отдельными учеными.
Когда дело доходит до научных диспутов, интуитивное неприятие рационализируется, облекаясь в наукоподобные аргументы. Самый типичный из них – обвинение всех «последователей Сеченова» в так называемом редукционизме. Звучит грозно, но, если разобраться, никакого смысла в этом нет. В данном контексте слово «редукционизм» – не более чем наукообразное ругательство.
Редукционизм – это «методологический принцип, согласно которому сложные явления могут быть полностью объяснены с помощью законов, свойственных явлениям более простым (например, социологические явления объясняются биологическими или экономическими законами). Редукционизм абсолютизирует принцип редукции (сведения сложного к простому и высшего к низшему), игнорируя специфику более высоких уровней организации»[27].
В утверждении о материальности души редукционизма не больше, чем в любом естественнонаучном объяснении того или иного явления природы. Никто и не думает сводить психику к простой сумме свойств нейронов и синапсов мозга. Разумеется, на каждом «уровне организации» работают свои специфические закономерности. Их нельзя игнорировать, но этого никто и не предлагает. Мы действительно никогда не сможем «полностью объяснить» человеческую психику только с помощью законов, действующих на более низком уровне – например, на уровне отдельных нейронов. Свойства мозга не сводятся к сумме свойств нервных клеток. Нужно еще знать, как эти клетки между собой связаны, как они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Если мы будем это знать в точности и во всех деталях, то действительно сможем объяснить психику и даже смоделировать ее на компьютере, создав искусственный интеллект (правда, компьютер для этого понадобится, похоже, на много порядков более мощный, чем нынешние). Но учет всех связей и взаимодействий – это как раз и есть переход к рассмотрению явления на более высоком «уровне организации». Никакого редукционизма здесь нет, а есть лишь обычный, классический естественнонаучный подход.
Точно так же не является редукционизмом утверждение, что живая клетка состоит из молекул, а молекулы – из атомов. Разумеется, если мы просто выпишем в столбик все вещества (типы молекул), имеющиеся в клетке, и для каждого укажем его количество, мы не поймем работу клетки. Свойства клетки не сводятся к сумме свойств ее молекул. Но если мы учтем еще и пространственное распределение этих молекул и все их взаимодействия друг с другом и с внешней средой, все их взаимные влияния и превращения, то тем самым мы перейдем на более высокий уровень и получим адекватную модель клетки как целостной живой системы. Только таким путем, сочетая анализ и синтез, мы можем разобраться в природе вещей. Холистические заклинания – абстрактные призывы рассматривать вещи только в их целостности – и обвинения в «редукционизме» нам в этом не помогут. По-моему, такие обвинения на самом деле говорят лишь о неприятии обвинителем принципа причинности, материализма и научного метода как такового.
