Тайны восприятия

ЧАСТЬ II

Мозг. Материальный субстрат:

от макроскопического к микроскопическому

В основе западного научного мышления лежит убеждение в том, что все непосредственно доступные восприятию макроскопические явления объясняются процессами, происходящими на микроскопическом уровне. История развития физики — отличная тому иллюстрация. Макроскопический феномен электрического тока сводится к движению мельчайших частиц, электронов, а магнетизм — к взаимодействию «элементарных магнитиков», т. е., по существу, тех же электронов, обладающих магнитным моментом. Интересно, что почти для всех макроскопических явлений сначала были открыты феноменологические законы — такие, например, как закон Ома, согласно которому сила электрического тока в проводнике пропорциональна поданному на него напряжению; позднее этот закон мог бы быть выведен уже в рамках учения о движении электронов в металлах. «Погружение» в микромир обогатило нас поистине сенсационными открытиями: электроны, о которых уже упоминалось, оказалось, обладают свойствами не только частиц, но и волн. Впрочем, обнаруживается, что не менее потрясающие идеи может подарить человечеству и возвращение из глубин микромира в макромир — но об этом несколько позже.

Сначала остановимся на аналитическом методе, имеющем фундаментальное значение не только для изучения мозга, но и для науки вообще. Вооружившись таким образом, мы попытаемся исследовать «элементарные частицы» мозга. Начнем с того, что проследим, насколько это возможно, связи между «элементами» и выполняемыми ими функциями на примере глаза. Избрать именно процессы зрительного восприятия нас побудили две веские причины. Во-первых, эти процессы на данный момент оказываются лучше всего исследованными. Во-вторых, мы полагаем, что зрительные процессы могут послужить нам в качестве модели при исследовании высокоуровневых, абстрактных процессов мышления; выражаясь конкретнее, можно высказать предположение такого рода: мозг в процессе мышления использует принципы, во многом схожие с принципами зрительного восприятия. Об этом свидетельствует и такое прижившееся в языке словоупотребление, как «рассмотреть проблему», «вести себя осмотрительнго»,

вместо «Как можно легко доказать, ...» (хотя любому сколько-нибудь разбирающемуся в математике человеку, конечно же, ясно, что доказательства

очевидными не бывают).

Естественно, одно лишь словоупотребление не в состоянии подтвердить истинность нашего предположения; однако оно может послужить в некотором смысле «отправной точкой», ведь такого рода устойчивые словосочетания несут в себе подчас гораздо более глубокое философское содержание, нежели то, что вкладывается в них в повседневной речи.

Итак, попробуем «взглянуть» на мозг и начнем с нейронов.

6. Мозг и его элементы —нейроны

а) Исследования мозга: вчера и сегодня

Человеческий мозг является, пожалуй, самой завораживающей структурой из числа предоставленных в наше распоряжение Природой. Обладая весом около полутора килограммов, мозг содержит в себе невообразимое количество нервных клеток, называемых нейронами; их число — порядка 100 миллиардов — сопоставимо с числом звезд в Млечном Пути. Получить наглядное представление об этом числе можно таким, например, способом. Вообразим себе, что в объеме размером с наперсток могут разместиться ровно 100 нейронов. Ну а чтобы расположить таким образом 100 миллиардов нейронов, понадобится куб со стороной 10 метров, до отказа набитый наперстками, в каждом из которых, как мы вообразили, содержится по 100 нейронов. Наш мозг по сравнению с этим кубом очень мал; и настоящие нейроны — совсем крошечные. Более того: помимо нейронов в мозге находятся еще и так называемые глиальные клетки, а также кровеносные сосуды, обеспечивающие все клетки питательными веществами, кислородом, гормонами и т. п. Нельзя забывать и о многочисленных связях между нейронами, которые пронизывают мозг и — подобно телефонным проводам — обеспечивают связь между нейронами. Если подумать о том, что каждый нейрон может быть таким образом связан с десятком тысяч своих собратьев, то перед нашим мысленным взором непременно возникнет образ чрезвычайно плотной сети — поистине неимоверного чуда миниатюризации. Все это приводит нас к мысли о том, насколько сложно строение мозга и, соответственно, насколько трудновыполнимы задачи, связанные с исследованием столь сложного объекта — и еще колоссальней выглядит идея создания подобной конструкции. В качестве иллюстрации используем

такой факт: ежесекундно мозг обрабатывает огромные объемы получаемой в процессе восприятия информации (сюда входят любые проявления внешнего мира: живописные картины, зажигательные мелодии, приятные запахи и т. д.) и делает это с молниеносной быстротой, а кроме того, еще и сохраняет результаты обработки в гигантском объеме памяти порядка 1010 бит.

Однако связь мозга с мышлением и чувствами не всегда была для людей столь уж очевидной. В древние времена эти функции приписывались сердцу. Отголоски такого взгляда на природу мышления мы и по сей день находим в речи: «с открытым сердцем», «тяжело на сердце», «затаить в сердце обиду» и т. п. Прошло немало времени, прежде чем роль мозга в мышлении, чувствовании и восприятии стала общепризнанной. История древних исследований мозга очень показательна: до тех пор, пока не появится и не закрепится верная теория, очень трудно порой бывает постичь суть исследуемого явления.

Знаменитый греческий врач Гиппократ (460-370 г. до н. э.), стремившийся поставить медицину на естественно-научный фундамент, уже имел взгляды на мозг, схожие с сегодняшними, однако они не получили признания современников и потомков — ведь этим взглядам противостояли воззрения не менее прославленного грека, великого философа Аристотеля (384-322 г. до н. э.), утверждавшего, что мышление порождается сердцем. Уже после смерти Аристотеля, около 300 г. до н. э. в Александрийской академии собрались ученые и врачи, объединенные интересом к изучению функций мозга и нервной системы. Двое из этих античных ученых мужей —Герофил (335-? г. до н. э.) и Эрасистрат (300-240 г. до н. э.) — вошли в историю медицины как основоположники новой науки и первооткрыватели мира человеческой анатомии. Не взирая на запрет, касавшийся вскрытия тел умерших, они занимались изучением внутреннего строения человеческого тела; более того, они проводили эксперименты на людях, приговоренных к смерти, выяснив с помощью этих экспериментов множество фундаментальных фактов (обнаружилось, например, что человек теряет способность видеть, если нарушена связь между глазами и мозгом). Исследования привели Герофила и Эрасистрата к убеждению, что человеческое тело обладает обширной нервной системой, центром которой является мозг. Они предположили, что мозг, кроме того, служит местом обитания души и связан с процессами мышления. Тем самым, собственно, и были заложены первые камни фундамента, на котором выстроена вся современная теория мозга. Впрочем, авторитет Аристотеля был настолько высок, что и после открытий, сделанных александрийскими анатомами, взгляды его незыблемо продержались еще в течение нескольких веков.

Окончательный перелом в теории произошел только во II в. н. э. благодаря трудам греко-римского врача Клавдия Галена. Гален использовал для своих опытов раненных гладиаторов и трупы животных, однако до современного уровня исследований мозга было еще далеко. Более тысячи лет продолжался «застой» в экспериментальной медицине, жившей все это время за счет знаний, полученных древними греческими и римскими учеными, подобными Галену.

Вплоть до эпохи Возрождения ученые не нарушали табу; с приходом Ренессанса началась новая эпоха открытий. Анатомы того времени уже знали, как выглядит мозг, укрытый от глаз в черепной коробке: серо-белая масса, напоминающая формой извилин грецкий орех. После изобретения голландцем Антони ван Левенгуком микроскопа (а произошло это в 1677 году) ученые получили возможность заняться изучением структуры мозга и нервных клеток. Итальянскому нейрологу Камилло Гольджи мы обязаны изобретением метода, позволяющего рассмотреть под микроскопом отдельные нервные клетки, особым образом окрашенные. Благодаря этому методу перед учеными открывались все новые и новые детали строения как всего мозга, так и его отдельных составляющих; к этому времени относится знакомство анатомов со строением нервных клеток. Параллельно с этими исследованиями шло развитие и других дисциплин. Примерно с середины XIX в. начали бурно развиваться методы электрофизиологии, а с ними — непременные электрические измерения при изучении нервных клеток. Эти работы заложили фундамент для дальнейших исследований нейронов,причем прогресс в этой области часто бывал напрямую связан с открытиями физиков и химиков.

Современные исследования мозга преследуют несколько различных целей. Во-первых, эти исследования, естественно, направлены на решение медицинских задач, а значит, изучаются, прежде всего, болезни мозга: шизофрения, маниакально-депрессивные состояния, а также болезни Паркинсона, Альцгеймера, опухоли головного мозга, кровоизлияния в мозг и т. п. Найдя причины этих недугов, ученые-медики, вероятно, смогут научиться излечивать и предотвращать такие заболевания. Кроме того, в процессе исследований постоянно совершенствуются и методы диагностики, как это произошло, например, при изучении опухолей мозга и кровоизлияний.Следующее, не менее важное направление исследований мозга определяется чисто научными интересами ученых, т. е. нацелено оно на получение фундаментальных знаний о строении и функционированиимозга, о принципах, на которых основана почти неимоверная — хотя, безусловно, кажущаяся — легкость, с которой человеческий мозг собирает и обрабатывает инфор-

мацию. Какова природа впечатлений — зрительных, обонятельных и т. п.? Каким образом происходит обработка информации,переданной ощущениями? Как работает память? Что определяет способность человека чему-либо обучаться? Существенно сложнее понять, что стоит за такими чувствами, как ярость, печаль, радость; каким образом протекает процесс проективного мышления, и как все это влияет на развитие планов действий, в конечном счете приводящих желание к исполнению ... Перечисление способностей человеческого мозга, естественно, можно продолжить и дальше — перед учеными простирается гигантское, почти необозримое поле деятельности. Наконец, назовем еще одно направление в науке, занятое раскрытием тайн мозга: теория вычислительных систем, напрямую связанная с исследованием «принципов действия» человеческого мозга. Уже сейчас существуют компьютеры, работающие по принципу нейронных сетей (подробнее об этом мы расскажем в главе 31) — природного феномена, воспроизведенного человеческими руками, попытка, так сказать, «подсмотреть» кое-что у Природы.

Естественно, ни одно из названных направлений не может существовать изолированно: все три тесно переплетаются друг с другом. Медицина нуждается в фундаментальных теориях, а информатика может, со своей стороны, привнести нечто новое в понимание основных принципов функционирования человеческого мозга.

Наша книга посвящена, в основном, общим вопросам всех трех направлений, т. е. некоторым фундаментальным проблемам исследований мозга. Сначала попытаемся разобраться, насколько понимание природы отдельных его элементов — нейронов — может помочь нам проникнуть в тайну целого, в тайну человеческого мозга. Итак, начнем с рассмотрения строения и свойств нейрона.

б) Нейрон — основной элемент нервной системы

Собственно говоря, нервная система представляет собой единство двух взаимосвязанных компонентов: центральной нервной системы, состоящей из головного и спинного мозга, и так называемой периферийной нервной системы, к которой относятся нервные волокна, связывающие мозг с органами чувств и мышцами.

Используя метод окрашивания, о котором уже упоминалось, нейроны можно наблюдать с помощью микроскопа. На рис. 6.1 представлена фотография окрашенной таким образом нервной клетки. Продолжительное изучение нервных клеток дает ученым основание предполагать, что все они

Рис. 6.1.Нервная клетка зрительной коры головного мозга кошки при значительном увеличении. В центре хорошо видно тело клетки, или сома

имеют одинаковое строение. Это, разумеется, ни в коем случае не означает, что все нервные клетки выглядят одинаково; здесь, скорее, можно провести некоторую аналогию с ... цветами. Цветы, как известно, очень разнообразны: и высокие, на плотных стеблях, и вьющиеся, и цветущие всеми цветами радуги, с листьями самых причудливых форм и размеров. И все же каждый цветок непременно обладает корнем, стеблем, листьями и т.п. Похоже обстоит дело и с «внешним видом» нервных клеток (см. рис. 6.2):

Объектом опытов становились аксоны различных животных. При этом было установлено, что нервная система использует при передаче сигналов особого рода язык, или код, с помощью которого и осуществляется согласованная деятельность всей системы. В мозг поступают кодированные сигналы (например, боль от ушибленного пальца); в ответ мозг передает по соответствующим нервным волокнам некие управляющие сигналы нужным мышцам, на что они тем или иным образом реагируют. Интересно,что такого рода «передача информации», характерная для всех живых организмов, осуществляется у людей и животных по одному и тому же принципу.

Электрическое напряжение в аксоне возникает не только в момент передачи сигнала, но существует и тогда, когда аксон «не при исполнении» и находится в спокойном,не возбужденном состоянии. По отношению к окружающей его жидкости аксон заряжен отрицательно. Разница потенциалов между ними, разумеется, чрезвычайно мала, что-то около 70 милливольт (мВ). При возбуждении аксона происходит мгновенная смена зарядов, т. е. аксон приобретает по отношению к окружающей его жидкости положительный заряд. Этот весьма кратковременный процесс называется нервным импульсом (рис. 6.5), и обусловлен он прохождением заряженных частиц (ионов) сквозь поверхность аксона. Длительность одного такого нервного импульса составляет величину порядка одной миллисекунды, т. е. тысячной доли секунды. Скорость поистине молниеносная! Регистрирующее устройство отображает поступающие нервные микроимпульсы в виде характерных коротких вертикальных полос. После аксона нервный импульс отправляется далее, к синапсу.

Все нервные импульсы, проходящие через аксон, имеют постоянную длительность и интенсивность и протекают с одной и той же скоростью, которая зависит от диаметра и структуры этого конкретного аксона. Медленно проводящие аксоны обеспечивают импульсу скорость порядка 1 м/с (и 3,6 км/ч); высокоскоростными проводниками считаются аксоны, в которых импульс достигает скорости порядка 100 м/с (т. е. 360 км/ч). На такой скорости сигнал преодолевает путь от мозга до кончика большого пальца на ноге примерно за 1/50 секунды. Нервные импульсы перемещаются по аксону, оставляя за собой участки, совершенно лишенные какого бы то ни было возбуждения и готовые принять следующий импульс (рис. 6.5). Такой механизм препятствует случайному перекрытию двух отдельных импульсов. Нервные импульсы играют в языке нервной системы роль знаков или букв. Учитывая, однако, что длительность и интенсивность нервных импульсов постоянна, остается только удивляться языку, обходящемуся всего лишь одной буквой. Как с помощью единственного знака можно передать хоть