Мы можем подойти к вопросу об информации, содержащейся в человеческом мозге, другим путем – с помощью интроспекции, то есть самонаблюдения. Попытайтесь представить себе какой-нибудь зрительный образ из детства. Вглядитесь в него внимательно своим мысленным взором. Вообразите, что он состоит из маленьких точек наподобие фотографии в газетах. Каждая точка обладает определенным цветом и яркостью. Теперь вы можете задаться вопросами: сколько битов информации необходимо, чтобы описать цвет и яркость каждой точки, сколько точек нужно, чтобы создать картину, вызванную вами в памяти, и сколько времени требуется, чтобы вспомнить все детали картины, возникшей перед вашим мысленным взором. Предаваясь воспоминаниям, вы в каждый данный момент сосредоточиваете свое внимание на очень маленькой детали картины, ваше поле зрения весьма сужено. Когда же вы соберете вместе все эти данные, то получите скорость переработки информации мозгом в битах за секунду. Произведя соответствующие вычисления, я получаю, что предельная скорость переработки информации мозгом равняется примерно 5 000 битов в секунду.
Чаще всего такие зрительные воспоминания концентрируются на очертаниях фигур и резких переходах от яркого к темному, а не на конфигурациях частей, имеющих нейтральную яркость. Лягушка, например, хорошо видит лишь контрастные по яркости предметы. Есть, однако, серьезные свидетельства тому, что достаточно обычны детальные воспоминания о внутренних частях предметов, а вовсе не об их очертаниях. Самый яркий пример тому, вероятно, – эксперименты с людьми по реконструкции объемного образа, когда необходимо мысленно соединить память о том, что видел один глаз, с тем, что в данный момент видит другой. Слияние образов при таком – он называется анаглифическим – способе их рассмотрения требует, чтобы в память вошло 10 000 элементов предъявленной картины.
Но я вовсе не вспоминаю зрительные образы все время, пока я бодрствую, равно как не подвергаю постоянно людей и окружающие предметы внимательному изучению. Я занят всем этим лишь небольшой процент времени. Другие мои информационные каналы – слуховой, осязательный, обонятельный и вкусовой – работают со значительно меньшей скоростью передачи информации. Я полагаю, что средняя скорость переработки информации мозгом составляет приблизительно 5 000 / 50 = 100 битов в секунду. За шестьдесят с лишним лет это дает 2 · 1011, или 200 миллиардов, битов зрительной и всякой иной информации, запасенной для воспоминаний, – в предположении, что я обладаю идеальной памятью. Это меньше, но не намного, чем число синапсов или нейронных соединений (поскольку мозгу приходится заниматься не только воспоминаниями), из чего следует, что нейроны и в самом деле являются главными переключающимися элементами при выполнении мозгом его функций.
Замечательную серию экспериментов по выявлению изменений, происходящих в мозге при обучении, провели американский психолог Марк Розенцвейг и его коллеги в Калифорнийском университете в Беркли. Они содержали две популяции лабораторных крыс в различных условиях: одну в убогой, однообразной, бедной обстановке, другую, наоборот, в богатой, разнообразной, обогащенной среде. У животных второй группы обнаружилось разительное увеличение массы и толщины коры больших полушарий мозга, а также изменение химии мозга. Эти изменения произошли как у взрослых, так и у молодых крыс. Подобные эксперименты показывают, что обучение сопровождается физиологическими изменениями мозга. Они демонстрируют также, как пластичность мозга может задаваться его анатомическими механизмами. Поскольку чем больше кора больших полушарий мозга, тем легче осуществить дальнейшее обучение, становится ясным, насколько важна богатая окружающая среда в раннем детстве.
Отсюда должно следовать, что обучение соответствует возникновению новых синапсов или же активации ранее бездействовавших. Некоторые предварительные свидетельства в пользу этой точки зрения были получены американским нейроанатомом Вильямом Гринау и его сотрудниками в Иллинойском университете. Они обнаружили, что, после того как в течение нескольких недель крыс обучали выполнять новые задачи в лабораторных условиях, в коре их больших полушарий возникали новые ответвления нейронов, образующие синапсы. У других крыс, которые содержались в тех же условиях, но не получали аналогичного обучения, подобных нейроанатомических новшеств не наблюдалось. Образование новых синапсов требует синтеза белковых молекул и молекул РНК. Есть немало фактов, указывающих на то, что эти молекулы образуются в мозге во время обучения, а некоторые исследователи предполагают, что результат обучения содержится в молекулах белков и РНК мозга. Но, видимо, правильнее будет сказать, что новая информация содержится в самих нейронах, которые, в свою очередь, построены из молекул белков и РНК.
Насколько плотно упакована хранящаяся в мозге информация? Обычно плотность информации при работе современной электронной вычислительной машины составляет около одного миллиона битов на кубический сантиметр. Эта величина получена путем деления всего количества информации, имеющейся в компьютере, на его объем. Человеческий мозг содержит, как уже говорилось, около 103 битов в объеме немного большем, чем 103 кубических сантиметров. Отсюда получается величина 1013 / 103 = 1010, то есть около десяти миллиардов битов на кубический сантиметр. Таким образом, наш мозг имеет в десять тысяч раз более плотную упаковку информации, нежели компьютер, хотя компьютер намного больше его. Другими словами, современная электронная вычислительная машина, способная обрабатывать объем информации, доступный человеческому мозгу, должна быть в десять тысяч раз больше его по размерам. С другой стороны, нынешние компьютеры могут обрабатывать информацию со скоростью от 1016 до 1017 битов в секунду, что в десять миллиардов раз быстрее, чем в мозге. При такой небольшой общей информационной емкости и столь невысокой скорости обработки данных мозг должен быть чрезвычайно удачно устроен и заполнен, чтобы решать так много таких важных задач настолько лучше, чем самый лучший из известных нам компьютеров.
Когда объем мозга животных удваивается, число нейронов в нем не увеличивается в два раза. Оно возрастает, но медленнее. Человеческий мозг объемом около 1 375 кубических сантиметров, как уже говорилось, содержит, без учета мозжечка, около десяти миллиардов нейронов и примерно десять триллионов битов. В лаборатории Национального института умственного здоровья около Бетесды, штат Мэриленд, я держал недавно в руках мозг кролика. Он был объемом примерно в тридцать кубических сантиметров, то есть размером с редиску, вмещал несколько сот миллионов нейронов, имевших дело с несколькими сотнями миллиардов битов информации, управляющей поведением живого существа, включая такие его действия, как поедание салата, подергивание носом и «заигрывание» с особой противоположного пола.
Поскольку среди млекопитающих, рептилий или амфибий встречаются животные с самыми различными размерами мозга, мы лишены возможности дать надежную оценку числа нейронов в мозге типичного представителя каждого таксона. Но в наших силах определить усредненные величины, что я и сделал в схеме на рис. 5. Приблизительный подсчет, приведенный там, показывает, что человек обладает примерно в сто раз большим числом битов информации в мозге, чем кролик. Я не знаю, можно ли сказать, что человек в сто раз разумнее кролика, но я и не уверен, что это утверждение такое уж смехотворное.
Мы в состоянии теперь сравнить постепенное увеличение количества информации, содержащейся в генетическом материале, и количества информации, содержащейся в мозге организмов, за все время эволюционного развития. Две кривые пересеклись в точке, соответствующей времени в несколько сот миллионов лет назад и информационной емкости в несколько миллиардов битов. Где-то во влажных джунглях каменноугольного периода появилось животное, которое впервые за все время существования мира имело больше информации в мозге, чем в генах. Это была примитивная рептилия, которую, появись она в наше ученое время, мы не нашли бы чрезмерно разумной. Но ее мозг был знаменательным поворотным пунктом в истории жизни. Два последующих скачка в эволюции мозга, сопровождавших возникновение млекопитающих и появление человекоподобных приматов, были еще более важными этапами в развитии разума. Основную часть истории жизни со времени каменноугольного периода можно назвать постепенным (и, конечно, неполным) торжеством мозга над генами.
Ill. Мозг и колесница
Головной мозг современных рыб представлен главным образом средним мозгом с крохотным передним мозгом, у современных амфибий и рептилий это выглядит совсем иначе (рис. 6). И тем не менее ископаемые останки самых ранних из известных позвоночных показывают, что основное разделение современного мозга на задний, средний и передний уже существовало. Пятьсот миллионов лет назад в первозданном море плавали рыбоподобные существа, называемые остракодермами и плакодермами, чей головной мозг уже имел явные признаки того же деления, что и наш. Но относительные размеры и значение этих компонентов и даже выполняемые ими функции были, конечно, весьма отличны от сегодняшних. Самое привлекательное здесь – это, пожалуй, история последовательного разрастания и специализация трех наслоений мозга, надстраивающихся над спинным, промежуточным и средним мозгом. После каждого следующего эволюционного шага старые части мозга по-прежнему продолжают существовать и функционировать. Но к ним добавляется новое наслоение с новыми функциями.
Главным представителем этой точки зрения сегодня является Поль Мак-Лин, руководитель лаборатории эволюции мозга и поведения Национального института умственного здоровья. Одна из особенностей его работы состоит в том, что она проводится на многих различных животных, от ящериц до саймири (беличьих обезьян). Другая заключается в том, что МакЛин и его коллеги тщательно изучали «социальное» и всякое иное поведение этих животных, чтобы понять, какая из частей мозга управляет тем или иным видом поведения.
Рис. 6. Схематическое изображение мозга рыбы, амфибии, рептилии, птицы и млекопитающего в их сравнении друг с другом (мозжечок и продолговатый мозг являются частями заднего мозга): 1 — обонятельные луковицы; 2 — передний мозг; 3 – средний мозг; 4 — мозжечок; 5 – продолговатый мозг
У беличьих обезьян с характерными «готическими» отметками на лице существует своего рода ритуал встречи с себе подобными. Самцы обнажают зубы, трясут прутья решетки своих клеток, издают клич высокого тона, который, вероятно, для их сородичей является сигналом устрашения, и поднимают ноги, чтобы продемонстрировать свою мужскую силу. Такое поведение в любом современном людском собрании граничило бы с непристойностью, но в стае беличьих обезьян оно совершенно нормально и служит для поддержания иерархического подчинения.
Мак-Лин обнаружил, что повреждение одного маленького участка мозга беличьей обезьяны лишает ее возможности вести себя подобным образом, но в то же время никак не влияет на другие формы поведения, например половое или оборонительное. Этот участок находится в древнейшей части переднего мозга, то есть в том отделе, который присущ не только людям и другим приматам, но также и тем млекопитающим и рептилиям, которые были нашими предками. Похоже, что у млекопитающих-неприматов и у рептилий сходное ритуализированное поведение управляется тем же участком мозга, но повреждение его может приводить к распаду других автоматизированных форм поведения – таких, например, как ходьба или бег.
У приматов часто может быть обнаружена связь между половым поведением и положением на иерархической лестнице. Среди японских макак «социальный» ранг поддерживается и усиливается путем ежедневных наскакиваний: самцы низшей касты принимают позы подставления, характерные для самок в период половой охоты, а самцы высшего ранга походя и чисто ритуально наскакивают на них. Эти наскакивания имеют весьма малое половое значение, они служат в качестве легко понимаемого символа власти и подчинения, устанавливая своего рода «кто есть кто» в сложном «общественном» устройстве обезьяньего стада.
В одном из экспериментов по изучению поведения беличьих обезьян ученые наблюдали за Каспаром, самцом-доминантом, намного более активным, чем все другие в стае. Ему принадлежали две трети всех зарегистрированных случаев демонстрации полового поведения, однако все они были направлены на взрослых самцов. Каспар за все время эксперимента ни разу не спаривался ни с одной самкой. Тот факт, что он активно стремился к доминированию, но весьма вяло – к половым контактам, позволяет полагать, что хотя обе эти функции базируются на одних и тех же системах организма, но они совершенно различны. Исследователи, изучавшие эту стаю, пришли к заключению: «Половое поведение следует рассматривать как наиболее эффективный социальный сигнал в групповой иерархии. Оно ритуализованно и, как представляется, имеет смысл „Я – хозяин". Скорее всего, оно произошло из сексуальной активности, но используется для социального общения и отделено от функций размножения. Другими словами, это ритуал, возникший из полового поведения, но служащий социальным целям, а не целям размножения».
Существование поведенческих, равно как нейро-анатомических, связей между половым поведением, агрессивностью и доминированием подтверждается многими исследованиями. Ритуалы брачных игр кошачьих и многих других животных в начальной стадии едва отличимы от драки. Известно, что домашние кошки иногда громко и притворно мурлычут, в то время как их лапы дерут обивку мебели или царапают хозяина.
Из опытов, аналогичных тем, что проводились с беличьими обезьянами, Мак-Лин вывел весьма привлекательную модель структуры и эволюции мозга, которую он назвал триединым мозгом. «Мы должны, – говорит он, – посмотреть на себя и на мир глазами трех совершенно различных личностей», две из которых не вооружены речью. Человеческий мозг, считает Мак-Лин, «равнозначен трем взаимосвязанным биологическим компьютерам», из которых каждый имеет «свой собственный разум, свое собственное чувство времени и пространства, собственную память, двигательную и другие функции». Каждый мозг соответствует одному крупному эволюционному шагу. Все три мозга различаются нейроанатомически и функционально, и в каждом из них совершенно различно распределение таких нейрохимических агентов, как дофамин и холинэстераза.
В наиболее древней части человеческого мозга находится спинной мозг, продолговатый мозг и варолиев мост (которые вместе образуют задний мозг) и, наконец, средний мозг. Комбинацию из спинного мозга, заднего и среднего мозга Мак-Лин называет «нейрошасси». Оно включает в себя все необходимые механизмы для воспроизводства и самоподдержания организма, включая регуляцию сердечной деятельности, кровообращения и дыхания. У рыб и амфибий эти отделы, по существу, и составляют весь мозг. Но рептилии или высшие животные, у которых удален передний мозг, по словам МакЛина, «также лишены движения и цели, как экипаж, покинутый водителем».
Мне думается, что большой судорожный эпилептический припадок, grand mal, если продолжить это сравнение, можно представить себе как заболевание, при котором все «водители» сбежали из-за электрического шторма в мозге и в распоряжении несчастной жертвы
мгновенно не осталось ничего, кроме самого нейрошасси. Это страшное ухудшение состояния здоровья временно отбрасывает больного на несколько сот миллионов лет назад. Недаром древние греки, назвав болезнь именем, которое мы до сих пор употребляем, считали эпилепсию наказанием, наложенным богами. Очевидно, они сумели распознать истинный характер этого заболевания.
Мак-Лин различает три типа «водителей» нейрошасси. Владения самого древнего из них расположены вокруг среднего мозга (и состоят главным образом из того, что нейроанатомы называют olfactostriatum, corpus striatum, globus pallidus). Этот «водитель» общий у нас со всеми другими млекопитающими, а также рептилиями. По всей вероятности, он возник несколько сот миллионов лет назад. Мак-Лин называет его комплексом рептилий или, проще, P-комплексом. Вокруг P-комплекса расположена лимбическая система. Она общая у нас со всеми другими млекопитающими, но в своей законченной форме уже отличается от той, что есть у рептилий. Она возникла, скорее всего, более ста пятидесяти миллионов лет назад. И наконец, новая кора, неокортекс, вне сомнения, самое последнее эволюционное приобретение мозга, окружающее все остальные его части.