Истинный творец всего. Как человеческий мозг сформировал вселенную в том виде, в котором мы ее воспринимаем - Николелис Мигель

Рис. 2.4. Соотношение между серым и белым веществом коры у 59 видов животных. Обратите внимание, что обе оси являются логарифмическими. Zhang K., Sejnowski T. J. A Universal Scaling Law between Gray Matter and White Matter of Cerebral Cortex. PNAS 97, no. 10 (2000): 5621–26.

В конце 1990-х годов нейробиолог из Калифорнийского технологического института (Калтеха) Джон Оллман, который посвятил значительную часть своей научной карьеры изучению важнейших вопросов эволюции мозга млекопитающих, показал нечто, что стало теперь уже классическим открытием в области взаимосвязи между серым и белым веществом мозга. Оллман обнаружил, что график зависимости объема серого вещества коры от объема белого вещества для очень большого числа видов млекопитающих, включая многих приматов и человека, подчиняется строгому степенному соотношению.

Объем белого вещества = (Объем серого вещества)4/3

Показатель степени в этом уравнении (4/3) показывает, что при разрастании коры мозга объем белого вещества увеличивается намного быстрее (рис. 2.4). Если проанализировать аналогичные данные для приматов и попытаться выяснить, что именно изменилось в неокортексе человека и определило наши отличия от родственных нам шимпанзе и макак-резусов, становится ясно, что у человека наиболее значительный рост коры происходил за счет лобной доли, особенно ее самой передней части (непосредственно за лбом), называемой префронтальной корой, а также так называемых ассоциативных кортикальных областей в задней теменной и височной долях коры.

Если говорить о лобной доле, по сравнению с макаками-резусами у людей объем этой ткани увеличился в 30 раз. Интересно, что, как и предсказал Оллман, в наибольшей степени увеличение этой доли произошло за счет значительного разрастания белого вещества. Это привело к невероятному усилению связности между сильно разросшейся префронтальной корой и премоторной и моторной областями лобной доли и другими частями мозга, в том числе другими зонами коры в теменной и височной долях, а также субкортикальными зонами.

Это уникальное увеличение объема белого вещества в лобной доле человеческого мозга, а также сопутствующий рост ассоциативных зон в теменной и височной долях показывают, что гораздо большая часть человеческого неокортекса стала отвечать за концептуальное и абстрактное мышление более высокого уровня, требующееся для реализации развитых когнитивных навыков. Следовательно, не случайно нейробиологи, которые ищут неокортикальные сети, отвечающие за речь, изготовление орудий, четкое осознание самих себя, социальный разум и модель психического состояния – все те атрибуты, которые возникли за последние 4 миллиона лет эволюции гоминидов, – находят их в лобно-теменно-височных участках коры и в связывающих их аксональных путях. Я считаю, что именно такое распределение, скорее всего, породило органический вычислительный субстрат, давший начало Истинному творцу всего.

Учитывая все эти данные, мой вывод достаточно очевиден: для обеспечения эволюции больших и сложных социальных групп со сложным поведением, не говоря уже о культуре, которую мы передавали потомкам на протяжении тысячелетий, нам совершенно явно требовалось больше нейронов. Но несмотря на важность общего объема нейронов, думается, не менее принципиальна была уникальная нейронная сеть мозга, ставшая главной движущей силой возникновения у нашего вида удивительных ментальных способностей.

Оптимально подключенный внутри для гиперконнективности снаружи – кажется, именно таков лозунг эволюционной истории развития нашего мозга.

Но одного лозунга недостаточно ни для того, чтобы объяснить, как все эти человеческие свойства могли объединиться в цельном и подвижном разуме Homo sapiens, ни для того, чтобы найти нейрофизиологический механизм, позволивший нашему разросшемуся неокортексу формировать более крупные и более стабильные социальные группы. В современной нейробиологии первую проблему называют проблемой связывания. На протяжении последних тридцати лет проблема связывания была предметом жарких споров, в особенности среди тех, кто, как известный немецкий нейробиолог Вольф Зингер, изучает систему зрительного восприятия. Дело в том, что классическая теоретическая схема, именуемая моделью Хьюбела и Визеля в честь лауреатов Нобелевской премии Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля, чья работа в области зрительного восприятия произвела революцию в нейробиологии в целом и привела к рождению теоретической модели, которая спустя пятьдесят с лишним лет остается центральной догмой в физиологии зрения, не способна дать вменяемый ответ на этот вопрос.

С другой стороны, вторая проблема чрезвычайно важна для понимания того, почему мы, люди, преуспели в построении творческих и сплоченных социальных групп, которые смогли сформировать всю человеческую вселенную. Каким образом неокортекс соединяет свои части в единое непрерывное (или аналоговое) вычислительное устройство и как в конечном итоге она позволяет синхронизировать мозговую активность тысяч, миллионов и даже миллиардов отдельных людей в функциональные мозгосети?

Глава 3

Информация и мозг: немного Шеннона, чуточку Гёделя

Вжаркий влажный день лета 2015 года веселая толпа молодежи заполняла пасторальный променад в деревне Кларанс на швейцарской стороне Женевского озера, двигаясь, казалось, в ритме очередного концерта на открытом воздухе в рамках джазового фестиваля в Монтрё. С удовольствием отобедав в ресторане «Пале Ориенталь», расположенном всего в нескольких сотнях метров, мы с моим лучшим другом швейцарско-египетским математиком и философом Рональдом Сикурелом решили совершить послеобеденную прогулку и проанализировать еще один принципиальный элемент теории, которую мы выстраивали совместными усилиями. Мы шли бок о бок, подбрасывая друг другу идеи и обсуждая одну из наших любимых тем того богатого на события швейцарского лета (а именно – последовательность событий, позволивших жизни возникнуть на Земле несколько миллиардов лет назад, эволюционировать и преуспеть в непрестанном сопротивлении безжалостной и возрастающей во вселенной энтропии), пока вдруг не остановились перед странным деревом (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Рональд Сикурел позирует у знаменитого дерева на берегу Женевского озера в Монтрё, в Швейцарии, после важного теоретического прорыва (фотография любезно предоставлена Мигелем А. Николелисом).

Мы стояли, застыв посреди променада и сосредоточив все свое внимание на этом необычном дереве, и тут мне в голову неожиданно пришла одна идея. «Жизнь есть диссипация энергии с целью записи информации в органическую материю», – вдруг ни с того ни с сего произнес я, а затем повторил эту фразу несколько раз, чтобы точно ее не забыть.

Захваченный врасплох этой мыслью, которая немедленно начала резонировать у него в голове, Рональд вновь повернулся и уставился на дерево, словно ища на нем окончательное подтверждение. После недолгого молчания он широко улыбнулся, хотя и выглядел чуть более взволнованным, чем обычно. Он указал на ближайшую скамейку, приглашая меня присесть, и в конце концов заявил: «Кажется, есть!»

И тогда я понял, что мы наконец поймали нить, которую искали все лето, прогуливаясь по этому променаду каждый день, глядя на озеро, цапель, уток и гусей, раздражая спешащих по своим делам прохожих своей странной привычкой проводить мысленные эксперименты посреди оживленных улиц и в итоге по воле судьбы все же совершив наше судьбоносное знакомство со странным деревом, которое явно не казалось примечательным никому, кроме нас.

В то утро перед нашей обычной ежедневной встречей я по случайности обратил внимание на ветки и листья деревьев, росших по берегам этого швейцарского озера. Вспоминая типичные огромные кроны тропических деревьев Бразилии, которыми я восхищался с самого детства, я хорошо видел теперь, насколько разница в широте влияла на форму листьев деревьев и общую пространственную конфигурацию растений в разных уголках планеты. Я помню, как подумал об удивительном механизме адаптации, придуманном природой для оптимизации биологических солнечных панелей, используемых деревьями для извлечения максимального количества солнечной энергии в зависимости от того, где именно на планете Земля им выдалось пустить корни. Эта мысль заставила меня вспомнить почти забытый урок школьной учительницы ботаники, услышанный мною сорок лет назад. Речь шла о дендрохронологии – одном из увлечений нашей учительницы в 1977 году. Как считала мисс Зульмира, великий Леонардо да Винчи первым заметил, что каждый год на стволах деревьев образуется новое кольцо, ширина которого отражает климатические условия этого сезона (в определенных климатических условиях некоторые деревья могут образовывать за год несколько колец). Вооруженный этими знаниями, американский ученый и изобретатель Александр Твининг предположил, что путем сопоставления рисунка колец большого количества деревьев можно восстановить историю климатических условий в любой точке Земли. Годы с большим количеством влаги приводят к появлению более широких колец, а в засушливые периоды древесина нарастает лишь очень тонкими слоями.