Правда, некоторые особенности все же отличают мозг от компьютера. Существуют аналоговые факторы, управляющие возбуждением нейронов. Возбуждение нейрона может произойти, только если интенсивность химического потока в синапсе превысит критическую величину. Интенсивность возбуждения нейронов не менее важна для передачи информации, чем сам факт их возбуждения. Тем не менее существование таких дискретных нервных клеток, соединенных «проводами», которые определяют активное или неактивное состояние каждой клетки, выглядит чрезвычайно соблазнительно с точки зрения возможности создания в устройствах, подобных моему смартфону, искусственного разума. Но сеть, созданная в нашем мозге эволюцией, чрезвычайно сложна. Каждый из аксонов может быть соединен с тысячью разных дендритов. Эта цифра кажется очень большой, но, учитывая, что мозг содержит 86 миллиардов нейронов, каждый отдельный нейрон оказывается соединен лишь с малой частью всего мозга.
Именно эти электрические и химические процессы порождают мозговую деятельность, и их потеря может приводить к возникновению нарушений и патологий. 89-летний человек, мозг которого я держал в руках в Мозговом банке Общества болезни Паркинсона, страдал от болезни Альцгеймера, которая является прямым следствием потери нейронов и синапсов.
Мы можем вскрыть мозг, окрасить его клетки нитратом серебра, составить статическую карту сети нервных клеток, но как нам получить динамическую картину мозговой деятельности? Настоящую революцию в исследованиях мозга произвело появление возможности заглянуть внутрь живого мозга в то самое время, когда он выполняет те или иные задачи. Развитие новых технологий привело к поразительным успехам исследования мозга.
Самый легкий и быстрый способ узнать что-то о мозговой активности – это использование ЭЭГ. Когда мой мозг впервые должны были сканировать методом ЭЭГ, я несколько нервничал. Машина довольно сильно напоминала инопланетный аппарат для извлечения мозга. Процедура оказалась весьма длительной и включала в себя зачистку моего скальпа шлифовальной бумагой для обеспечения лучшего контакта и прикрепление к моей голове 64 электродов, которые хотя и не извлекли из нее мозг, но позволили увидеть кое-что из моих мыслительных процессов.
Электроэнцефалография (ЭЭГ), которую разработал в 1920-х гг. немецкий физиолог Ханс Бергер, использует электроды для регистрации электрической активности на поверхности скальпа. ЭЭГ измеряет колебания напряжения, вызываемые электрическим током, который протекает внутри нейронов мозга и между ними. При помощи ЭЭГ ученые обнаружили несколько разных типов волн, соответствующих разным видам мозговой деятельности. Синхронизированная активность большого числа нейронов порождает макроскопические колебания с разными частотами, соответствующие разным состояниям мозга.
Обнаруженный первым и наиболее известный частотный диапазон называют альфа-волнами: они возникают в результате синхронизированной активности большого числа нейронов, порождающей макроскопические колебания с частотой 8–12 Гц. Эта частота значительно ниже частоты нот, которые я извлекаю из своей виолончели: самая низкая из них вибрирует с частотой 65 Гц. Тем не менее эта волна подобна музыкальной ноте, звучащей в мозге. Альфа-волны можно обнаружить в задней части мозга в состоянии расслабленного бодрствования, причем они усиливаются, когда пациент закрывает глаза. Но они – не единственные ноты, которые играет мозг; в другие периоды мозговой деятельности можно обнаружить волны с другими частотами.
Самые медленные колебания – дельта-волны с частотой 1–4 Гц, соответствующие бессознательному состоянию глубокого сна без сновидений.
Следующий вид – тета-волны с частотой 4–8 Гц, соответствующие неглубокому сну или медитации.
Более быстрые, чем альфа, бета-волны с частотой 13–30 Гц, возникающие в мозге в состоянии активного бодрствования.
Наиболее важными для способности мозга образовывать сознание считаются быстрые гамма-волны с частотой 30–70 Гц; их частоты чуть-чуть захватывают нижнюю часть диапазона моей виолончели. Предполагается, что гамма-волны отвечают за формирование мыслей, обработку языка, память и различные типы обучения.
Что гудит в мозге: от гамма-волн до дельта-волн
По мере того как день в нашей жизни сменяется ночью, мозг, по-видимому, ведет себя как оркестр, исполняющий симфонию, переходя от быстрых частей к медленным и обратно, время от времени выдавая скерцо, когда нам приходит в голову новая идея или встречается новая ситуация.
В сигналах ЭЭГ можно видеть резкие перепады, происходящие во время сна и отражающие переход от более высоких частот ко все более низким, характерным, например, для альфа-волн. Собственно говоря, разные стадии сна характеризуются разными частотами волн, распространяющихся в мозге, и именно поэтому такие нейронные колебания можно связать с такими когнитивными состояниями, как восприятие или сознание. Например, врачи констатируют смерть мозга, когда ЭЭГ не регистрирует никаких волн. Как нам кажется, волны, распространяющиеся в мозге, синхронизируют мозговую деятельности так, чтобы обеспечить наибольшую производительность работы мозга.
Хотя ЭЭГ открыла исследователям возможность быстрого доступа к мозговой деятельности, пожалуй, наиболее известным инструментом изучения происходящего внутри мозга стала технология функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), разработанная в 1990-х. По сравнению с компактным аппаратом ЭЭГ сканер фМРТ выглядит настоящим монстром. Он напоминает космическую капсулу для анабиотического сна – вот только заснуть в нем не удастся никому. Электромагниты работают с таким грохотом, что мне, когда я был внутри такого сканера, понадобились беруши. Хотя исследование на сканере фМРТ не болезненно, для получения четкой картины того, что происходит в голове пациента, он должен оставаться неподвижным неестественно долгое время.
Сканер выявляет изменения напора крови и содержания в ней кислорода, вызываемые нервной деятельностью. Более активные участки мозга используют большее количество кислорода. Усиление притока крови к активному участку может быть обнаружено, потому что кровь с более высоким содержанием кислорода более магнитна. Сканер фМРТ способен обнаруживать такие магнитные колебания, на основе которых впоследствии могут быть составлены карты активности, показывающие, какие именно части мозга участвуют в том или ином мыслительном процессе.
Поскольку ЭЭГ непосредственно измеряет мозговую деятельность по изменениям электрических параметров, а фМРТ лишь регистрирует производные характеристики, ЭЭГ позволяет гораздо точнее определить, что происходит внутри мозга. На данный момент фМРТ не может соревноваться с ЭЭГ в возможностях измерения изменений мозговой деятельности, происходящих с течением времени. Зато фМРТ позволяет получить снимки состояний мозга с гораздо более высоким разрешением. Поэтому сочетание этих двух методов дает нам возможность получить хорошее представление о работе мозга. Например, как ЭЭГ, так и фМРТ может определить, какой именно из участков моего мозга активизируется, когда я думаю о математике. Так можем ли мы увидеть сознание при помощи этих нейротелескопов? Пока что не можем. Собственно говоря, остается неясным,
Есть ли сознание у моего кота?
Даже если мы понимаем, какая часть мозга активизируется при тех или иных действиях и как работает химия и физика мозга, это все равно не позволяет нам толком понять, почему у нас есть сознание собственного «Я». Как подступиться к этому вопросу? С точки зрения математика, существует один мощный способ понять, что есть та или иная сущность, – сначала нужно попробовать понять, почему все остальное ею не является.
Например, несмотря на все старания моего виртуального собеседника убедить меня в обратном, я не верю в наличие сознания у моего смартфона или, например, у стула, на котором я сижу. А как насчет животных? До того как мой черно-белый кот Фредди убежал из дому, он любил сидеть в моем кабинете, бездельничая, пока я работал над своей математикой. Но обладал ли он самосознанием? А младенцы? Мозг ребенка развивается по мере его роста, и при этом изменяются его сознание и чувство самоосмысления. Как же можно определить разные уровни сознания? Существуют ли ступени развития мозга, проходимые по мере возникновения разных состояний сознания?
Разумеется, расспросить животное – например моего кота – о его внутреннем мире непросто. Однажды, в конце 1960-х гг., когда Гордон Гэллап, специалист по поведению животных, брился перед зеркалом, размышляя о том, как можно было бы проверить наличие у животных самосознания, его внезапно осенило. Он знал, что лицо, которое он видит в зеркале, – его. Интересно, кто из животных может понять, что в зеркале они видят не другое животное, а изображение самих себя?
