Как рождается сознание?

Как рождается сознание?

Для нас, нейрофизиологов, решение этой загадки стало целью всей жизни. В наших взглядах много общего, в том числе мы убеждены, что не существует единой проблемы сознания. На самом деле есть множество явлений, которые необходимо объяснить, в частности, самосознание (способность анализировать собственные желания и мысли), содержание сознания (что именно мы осознаем в каждый конкретный момент), и то, как процессы, происходящие в мозге, связаны с сознанием и с бессознательным.

Так где же искать ответы? Ученые пока не обладают достаточными знаниями о внутренних процессах в мозге, чтобы точно сказать, как сознание возникает из электрической и химической активности нейронов.

В качестве первого шага необходимо найти наилучшие нейронные корреляты сознания (НКС) — активность мозга, сочетающуюся с теми или иными явлениями сознания. Что происходит в нейронах мозга, когда мы осознаем, что видим собаку, или когда нам вдруг становится грустно? Мы стремимся найти нейронные события, соответствующие каждому субъективному переживанию.

Разногласия относительно наилучших НКС возникли во время бурного научного спора, проходившего в Оксфордском университете летом 2006 г. С тех пор мы продолжаем изучать и оспаривать взгляды друг друга. При этом нас объединяет то, что наши суждения основываются на нейрофизиологии, а не являются умозрительными философскими построениями. Мы проанализировали значительный объем нейробиологических, клинических и психологических данных, на которых и построены наши аргументы.

В настоящее время мы занимаемся поиском наиболее адекватных нейронных коррелятов сознания. Если мы найдем правильные НКС, то сможем понять и рождение сознания.

Существует мнение, что каждый сознательный результат восприятия (т.е. то, как в мозге отображаются стимулы, воздействующие на органы чувств) связан с конкретным объединением нейронов, функционирующим определенным образом. Есть один уникальный нейронный коррелят сознания для восприятия красного пятна, другой — для восприятия своей бабушки (ссылка на теорию гностических нейронов Ю. Конорского; «нейрон бабушки» — нарицательное понятие), третий — для состояния гнева. Блокировка любого нейронного коррелята сознания изменит связанное с ним восприятие или приведет к его исчезновению.

В физиологическом плане вероятным субстратом НКС служат объединения пирамидных нейронов коры больших полушарий — разновидности нервных клеток, соединенных между собой связями на значительном удалении друг от друга. Вероятно, для таких групп требуется всего миллион нейронов из 50—100 млрд, содержащихся в нашей голове. Объединение тянется от коры на задней стороне полушарий, где начинается обработка зрительных стимулов, до передней стороны, выполняющей такие исполнительные функции, как анализ причинно-следственных связей и планирование действий. Если, например, посмотреть на дерево (обратить внимание на его образ, проецирующийся на сетчатку), то это повысит силу или синхронность активности данной группы нейронов.

Объединение способно само себя поддерживать и подавлять конкурирующие объединения, передавая возбудительные сигналы между входящими в него нейронами. Если вдруг кто-нибудь позовет вас по имени, то в коре образуется другое нейронное объединение. Оно установит двустороннюю связь с передней частью мозга и направит ваше внимание на голос, подавляя существовавшее до того объединение, представлявшее дерево, которое теперь исчезнет из моего сознания.

Одна из универсальных истин в биологии заключается в том, что для выполнения тех или иных необходимых функций у организмов развиваются соответствующие приспособления. Это правило в полной мере относится и к мозгу. Нервные клетки приобрели множество форм и функций, а вместе с ними и различные способы соединения. Такая неоднородность отражается и в нейронах, образующих НКС. И здесь взгляды нейрофизиологов сильно расходятся. По одному мнению, сознание — это не некоторое целостное свойство большого количества разряжающихся нейронов, которые омываются раствором нейромедиаторов. Некоторые утверждают, что конкретные группы нейронов опосредуют или даже генерируют различные явления сознания.

И поскольку нейрофизиологи получают все больше возможностей для тонкого воздействия на популяции нейронов, мы вскоре сможем перейти от наблюдения того, что определенное состояние сознания связано с конкретной нейронной активностью, к выявлению причинно-следственных связей, т.е. констатации того, что определенная популяция отчасти или целиком отвечает за состояние сознания.

Но как определить, какая именно группа нейронов и какая активность в ней составляют осознаваемое восприятие? Вовлекают ли НКС все пирамидные нейроны коры в каждый данный момент времени? Или же они задействуют лишь подгруппу клеток с дальними проекциями, которые осуществляют взаимодействие между лобными долями и сенсорными областями в задней части мозга? Может быть, они вовлекают нейроны отовсюду при условии, что те разряжаются синхронно?

Большая часть исследований НКС была направлена на изучение зрения. Психологи отработали методики, позволяющие прятать объекты от нашего сознательного восприятия. Один из примеров такого явления был продемонстрирован в 2005 г. Восприятие небольшого неподвижного изображения, проецирующегося в один глаз (например, нечеткого очертания лица серого цвета), полностью подавляется, если в другой глаз передавать череду непрерывно меняющихся цветовых пятен. Несмотря на то что в ответ на стимуляцию левого глаза в зрительной коре интенсивно разряжается огромное количество нейронов, они не находят выхода в сознание. Данный результат трудно объяснить с позиции, согласно которой когерентный разряд больших групп нейронов и есть коррелят сознания. Различные зрительные иллюзии такого рода используются для поиска НКС в мозге обезьян и людей.

Были выдвинуты несколько предположений о работе сознания, основанных на экспериментальных результатах. Одно из них состоит в том, что НКС включают в себя пирамидные нейроны, стратегически расположенные в выходной зоне коры больших полушарий — в ее пятом слое. Эти клетки посылают сигналы и принимают сильные возбудительные входы от пирамидных нейронов в других областях коры. Такая организация создает петлю положительной обратной связи, позволяющей образовавшемуся объединению нейронов существовать до тех пор, пока его не выключит другое формирующееся объединение. Разряд таких групп продолжается в течение до-лей секунды, что более соответствует временной шкале сознания, чем разряд одиночных нейронов.

Сравнительно недавно группа исследователей продемонстрировали на генетически модифицированных мышах, что галлюциногены — такие как ЛСД, псилоцибин (содержащийся в грибах) и мескалин — действуют на определенный тип молекул, называемых серотониновыми рецепторами, которые обнаруживаются на пирамидных клетках, сгруппированных в пятом слое. Гипотезу, согласно которой влияние галлюциногенов на сознание происходит по причине активации одного типа рецепторов, располагающихся на конкретной группе нейронов, можно далее протестировать с помощью молекулярных инструментов, которые позволят включать и выключать пирамидные нейроны пятого слоя до тех пор, пока не будет точно выявлена вовлеченная группа нейронов.

Второе предположение относительно того, что НКС лежат в основе сознания, касается ограды — уплощенной структуры, располагающейся под корой больших полушарий. Нейроны этой структуры получают входы практически от всех областей коры и проецируются обратно. Видимо, ограда расположена идеально для того, чтобы объединять активность сенсорных областей коры в целостное восприятие.

Для дальнейшего развития этих идей нейрофизиологи должны изучить электрическую активность большого количества нейронов в различных местах мозга. Предварительные попытки подтверждают, что конкретные группы нейронов выражают отдельные разновидности восприятия, составляющие наши ежедневные впечатления.

Однако из вышесказанного вовсе не следует, что один, 100 или даже миллион нейронов, выращенных в чашке Петри, могут обладать сознанием. Нейроны входят в состав обширных сетей и способны генерировать сознание лишь в данном контексте. Полезно провести такую аналогию: несмотря на то что молекулы ДНК кодируют состав белков нашего тела, для синтеза белка необходимо множество других молекул.

Разницу в содержании сознания грудных детей, взрослых людей и животных можно объяснить различиями в свойствах возникающих у них нейронных объединений. Существование каждого объединения зависит от систем пробуждения в стволе мозга и в таламусе (передающем сенсорные входы в кору), которые постоянно находятся в активном состоянии и снабжают кору нейромедиаторами и другими веществами. Если системы пробуждения молчат, то никакие устойчивые объединения нейронов не возникают, и человек находится без сознания. Так происходит и во время глубокого сна, и под действием наркоза.

Несмотря на то что модель нейронных объединений можно исследовать в физиологических экспериментах, существует разумное возражение, что она не является теорией, базирующейся на наборе конкретных положений — т.е. не способна предсказать, какая система станет обладать сознанием. Нейрофизиологии же необходима такая теория, которая сможет предугадать на основе физических измерений, какие из следующих организмов имеют сознание: дрозофила, собака, человеческий плод через пять месяцев после зачатия, пациент с тяжелой болезнью Альцгеймера, Всемирная паутина и т.п.

Некоторые специалисты работают над подобными концепциями. Однако мы еще столь невежественны в отношении работы мозга, что нам остается лишь строить предположения. Нужны конкретные гипотезы, которые можно было бы проверить с помощью современных технологий.

Возможно, что сознание рождается из качественных, а не из количественных различий в нейронных объединениях. Значение имеет не число вовлеченных нейронов, а информационная структура, которую они представляют. Для каждого конкретного восприятия необходима определенная сеть нейронов, а не случайный набор активирующихся нейронов. Более того, для обеспечения полноценного сознания объединения нейронов должны включать как сенсорные представительства в задней части коры, так и лобные структуры, вовлеченные в память, планирование и речь. Мозг работает не за счет своей массы, а в силу того, что нейроны соединены чрезвычайно специфичным и индивидуальным образом. Закономерности их соединения отражают всю аккумулированную информацию, которую организм приобрел в результате обучения в течение всей своей жизни, а также генетическую память предков.

Если нейронные корреляты сознания являются всего лишь разрядом одних нейронов, а не других, то сознание находится в самих нейронах. Однако приверженцы этой гипотезы не дают никакого объяснения тому, какими качественными свойствами должны обладать клетки. Более того, если даже миллион нейронов не может породить сознание, не являясь частью «обширных сетей», тогда основная нагрузка в идентификации НКС переносится на то, чтобы их выявить. Пытаясь обнаружить различные формы сознания в конкретных связях в мозге,ученые привязывают различные функции к конкретным областям мозга. Не следует забывать, что многие животные, в том числе птицы, не имеют коры больших полушарий, однако считается, что сознанием они обладают.

Не исключено, что сознание нельзя разделить на различные параллельные явления. Действительно, мы знаем, что зрительная стимуляция может повлиять на то, как мы слышим, и наоборот. Слияние компонентов сенсориума опровергает такие концепции, как изолированное зрительное сознание. Еще важнее то, что мы можем быть как в сознании, так и без него. В лаборатории испытуемые находятся в сознании на протяжении всего эксперимента, следовательно, манипуляции производятся не с самим сознанием, а с его содержанием. Любой полученный результат таких испытаний будет, по сути, попыткой ответить совсем на другой вопрос: «Что такое внимание?». Он, безусловно, правомерен, однако отличается от вопроса «Что такое сознание?». Для выявления лучших НКС мы должны найти различия между сознательным и бессознательным состояниями.

Не существует никакого внутреннего волшебного свойства, присущего каким-либо областям мозга или группам нейронов, отвечающим за сознание. Нам надо выявить некоторый процесс в мозге; и для того, чтобы он был истинным коррелятом сознания, он должен объяснять множество явлений, с которыми мы регулярно сталкиваемся, например пробуждение от будильника, действие наркоза, сон и бодрствование, самосознание, разница между сознанием человека и животного.

Но где же ключ к нейронным механизмам этого процесса? Немецкий нейрофизиолог Вольф Зингер (Wolf Singer) продемонстрировал, что огромная популяция нейронов в таламусе и коре больших полушарий на некоторое время начинает синхронно разряжаться на частоте 40 раз в секунду. Но поскольку такая же активность может возникнуть в живой ткани, выращенной в чашке Петри, для возникновения сознания необходимо какое-то дополнительное условие.

Нейрофизиолог Родольфо Ллинас (Rodolfo Llinas) недавно предположил, что координированный кратковременный разряд устанавливает две взаимодополняющие петли между таламусом и корой больших полушарий, которые обеспечивают сознание. Это «специфическая» система, связанная с содержанием сознания, и «неспецифическая», связанная с системой пробуждения и поддержания уровня бодрствования. Такая логика позволяет объяснить, почему сильный сенсорный вход от звука будильника полностью включает сознание. Более того, модель Ллинаса проводит различие между сознанием сновидений и бодрствования. Во время сновидений не существует сенсорного входа, поддерживающего петлю бодрствования, поэтому функционирует лишь петля содержания сознания.

Основная проблема состоит в том, что в модели, разработанной Ллинасом, сознание рассматривается как состояние, возникающее по закону «все или ничего». Она не способна учесть, как в мозге происходят приливы и отливы непрерывно меняющегося сознания. Я склоняюсь к альтернативному объяснению. На протяжении более чем десяти лет ученые знают, что активность десятков миллионов нейронов может синхронизироваться на несколько сотен миллисекунд, а затем менее чем за секунду синхронизация распадется. Такие «ансамбли» клеток со скоординированной активностью способны непрерывно видоизменяться, причем пространственная и временная шкала этого процесса как раз подходит для череды впечатлений сознания, происходящих «здесь и сейчас». Широко распределенные сети нейронов собираются, разъединяются и вновь соединяются в ансамбли. Уровень сознания постоянно меняется, и количество активных нейронов коррелирует с уровнем сознания в каждый данный момент времени.

Такой нейронный коррелят сознания — кратковременный ансамбль — удовлетворяет всему перечню перечисленных выше явлений. Действие звука будильника объясняется тем, что сильнейший сенсорный вход включает мощный синхронный ансамбль. Сновидения и бодрствование различаются, поскольку сны являются результатом работы маленьких ансамблей, инициируемых слабыми внутренними стимулами, в то время как в основе бодрствования лежат большие ансамбли, поддерживающиеся более сильными внешними стимулами. Наркоз уменьшает размер ансамблей, и тем самым отключает сознание. Самосознание может возникнуть только в том случае, если мозг достаточно велик и обладает значительным количеством внутренних связей, чтобы могли образовываться обширные нейронные сети. Степень сознания животного или человеческого плода также зависит от размеров ансамблей.

Можно возразить, что ансамблевая модель никак не привязана к пространству. Однако часто мы уделяем слишком много внимания самой локализации. Нет никакой необходимости в наличии «центра» для любой функции мозга, а в особенности для сознания.

Но мы не сможем искать решение до тех пор, пока не будем знать, какие доказательства нас удовлетворят: томограмма мозга, поведение крысы, сконструированный робот или же выведенная формула?

По материалам журнала «В мире науки»

Комментарии: