Ученые могут прощупывать мозг с удивительной точностью, подобно тому как инженер-компьютерщик прощупывает микросхему. В одном из стандартных методов используются электроды: тонкие, как волосок, жесткие проводки, покрытые пластиковой изоляцией везде, кроме кончика. Оголенной остается примерно десятая доля миллиметра провода. Словно миниатюрный детектор, электрод в состоянии обнаруживать электрическую активность на микроскопическом расстоянии от оголенного металла. Длинный, гибкий провод, тянущийся от электрода, соединяет его с принимающим оборудованием. Точный механизм закрепляет электрод на месте, а затем двигает его микрометр за микрометром, чтобы исследовать заданную область мозга.
Такая схема достаточно чувствительна для измерения активности отдельных нейронов в мозге. Когда нейрон вблизи кончика электрода подает сигнал своим соседям, устройство регистрирует этот крошечный электрический импульс. Сигнал усиливается и передается в динамики, а экспериментатор слышит щелчок. В обычных обстоятельствах нейрон выдает один-два случайных щелчка в секунду, но, если он активно задействуется в происходящем, клетка может внезапно разразиться сотней щелчков за секунду. Любимая забава нейробиологов слушать щелчки отдельных нейронов и гадать, какую роль те выполняют в мозге.
Каждый нейрон в тектуме лягушки работает как детектор. Он следит за определенной зоной пространства например, областью непосредственно над головой и срабатывает чаще, когда в эту область попадает какой-то объект. Нейроны бывают разные: какие-то предпочитают движущиеся определенным образом зрительные стимулы, другим больше нравятся звуки или прикосновения. По крайней мере некоторые нейроны мультисенсорны: для них нет разницы, приближается к макушке видимый объект, раздается оттуда звук или к голове прикасаются, они сработают, чтобы передать сигнал остальному мозгу. Если два или более чувств сходятся, передавая одно и то же сообщение о приближающемся объекте, соответствующие нейроны в тектуме становятся особенно активными. Простое вычисление словно говорит: одна улика уже хорошо, а если их две или три явно происходит что-то важное.
Подобный экспериментальный метод можно использовать и в обратном направлении: посылать по электроду импульсы, чтобы активировать близлежащие нейроны. Этот метод называется микростимуляцией. Такая стимуляция настолько слаба, что на коже вы ее не почувствуете, но ее хватает, чтобы пощекотать нейроны и побудить их послать свои собственные сигналы. Использование микростимуляции позволяет задать вопрос: Если искусственно заставить возбуждаться эту группку нейронов у кончика электрода, что они велят делать животному?
Скажем, саламандра при электрической стимуляции тектума производит сложное скоординированное движение. Она поворачивается, открывает рот, высовывает язык, вытягивает передние конечности и делает хватательные движения своими длинными тонкими пальцами будто ловя добычу. Какую бы область пространства ни отслеживали нейроны в определенной зоне тектума, при электрической стимуляции этих нейронов животное будет тянуться к той самой области.
Стимулируйте точку на карте тектума игуаны и повернутся ее тело, голова, глаза. Животное будет смотреть ровно на то место, которому соответствует ваша точка на карте.
Стимулируйте тектум рыбы, и ее тело изменит положение, чтобы сориентироваться на нужную область пространства. Точно развернуться в нужном направлении для рыбы это не просто пошевелить шейным суставом. Здесь требуется сложное взаимодействие плавников и воды.
У гремучих змей есть своя версия инфракрасного зрения: пара специализированных чувствительных к температуре органов, расположенных посередине между глазами и ноздрями. Эти органы посылают информацию в тектум, который формирует карту температурных сигналов, наложенную на обычную зрительную карту пространства. Предполагается, что на этой мультисенсорной карте основываются как способность змеи поворачивать голову в сторону добычи, так и точность ее нападения.
В тектуме совы зрительная карта совмещена со звуковой. Когда птица охотится, она может нацеливаться, либо увидев добычу, либо, при охоте ночью, услышав ее шуршание в траве.
Стимулируйте верхний холмик обезьяны, и произойдет стремительное скоординированное движение головы и глаз. Обезьяна повернется к нужной точке пространства. Мне не встречались исследования с применением электрической стимуляции к верхнему холмику мозга человека, но мы подвид приматов, и у нас предположительно действует тот же механизм, что и у обезьян. Когда вы поворачиваетесь на что-то посмотреть, особенно если неожиданное событие заставляет вас ориентироваться быстро, рефлекторно, это непринужденное на вид, хорошо скоординированное движение скорее всего запускается из тектума.
Все позвоночные пользуются тектумом примерно одинаковым образом, хотя у многих видов есть свои дополнительные особенности. Область мозга собирает сенсорную информацию, выбирает самое яркое из происходящего вокруг и направляет животное, физически поворачивая его органы чувств в нужную сторону.
Такая ориентировка иногда называется явным вниманием. Это простое решение фундаментальной проблемы: вокруг происходит так много всего, что мозгу не справиться с обработкой всей информации. Животному нужно выбрать наиболее его интересующее и отбросить остальное. Если вы направите глаза и уши на один объект, то автоматически отбросите другие события, которые окажутся на периферии. Для вас эту работу выполняет тектум. Это первый в эволюции центральный пульт управления вниманием в мозге позвоночных.
Большинство людей, говоря о внимании, имеют в виду именно явное. В обиходном смысле слова, на что вы смотрите тому и уделяете внимание. Отвернувшись от объекта не уделяете.
Но взгляд это лишь часть истории о внимании. Студент может машинально черкать на бумажке, смотреть в тетрадь, но по-прежнему обращать скрытое внимание на преподавателя. Или представьте, что вы случайно услышали, как люди вас обсуждают. Вы не станете поворачиваться к ним, чтобы не выдать себя, но ваше внимание, ваши ресурсы обработки информации сосредоточатся на этом разговоре. Или вы можете замечтаться, сидя в кресле, и ваше внимание обратится на что-то, чего попросту не существует в физическом мире, а ваш взор будет рассеянно блуждать по потолку. Во всех этих примерах направление внимания не совпадает с направлением взгляда. Этот более сложный его вид скрытое внимание не входит в обязанности тектума, который занимается только явной ориентировкой. С тектумом в роли основного центра внимания лягушка в состоянии пользоваться только явным вниманием. Она может физически разворачиваться к объектам окружающего мира.
Во внимании явном ли, скрытом нет смысла, если им нельзя управлять. Но управление не такая уж простая инженерная задача. Нужно тщательно отслеживать управляемое. Впервые в этой эволюционной истории мы встретим не просто клетки, обрабатывающие информацию, и не просто животных, направляющих внимание, но мозговые системы, которые создают схему внимания комплекс информации (его называют внутренней моделью), следящий за состоянием внимания. Наша эволюционная история подбирается все ближе к чему-то напоминающему сознание. Но пока еще не добралась.
Беспилотному автомобилю нужна внутренняя модель всей конструкции. Встроенный в него компьютер должен не только получать информацию о внешнем мире и затем посылать сигналы рулю и педалям. Системе необходима информация о самой машине, ее форме и размере, ее поведении на дороге, ее постоянно меняющихся характеристиках: скорости, ускорении, местоположении. Без богатой, постоянно обновляемой внутренней модели, содержащей большой объем информации, у машины будет лишь центр управления, который посылает водительские команды, но, скорее всего, дело кончится аварией.
Принцип внутренней модели был впервые описан в инженерной сфере. Неважно, что управляется что-то материальное, вроде машины или роботизированной руки, или нечто аморфное, например поток воздуха во всех помещениях большого здания. Чтобы система управления работала как следует, ей нужна внутренняя модель того, чем она управляет. Ей требуется возможность наблюдать машину, робота или потоки воздуха. Внутренняя модель чем-то напоминает карту на столе генерала с маленькими пластиковыми танками и солдатиками. Это связный комплекс информации, который, обычно упрощенным или схематичным образом, отражает и отслеживает то, чем нужно управлять.
Тот же принцип работает и в биологии. Мозг управляет телом с помощью внутренней модели, так называемой схемы тела комплекса информации о его структуре и постоянно меняющемся состоянии. Иногда при инсульте повреждаются области мозга, которые строят схему тела. Если пациент больше не осознает форму или структуру своей руки, он не сможет ею управлять. Пострадают простые навыки указывать на что-то, дотягиваться рукой, держать чашку. Но увидеть важность внутренней модели можно и не заглядывая в отделение постинсультной реабилитации. Повесьте тяжелую сумку с покупками на запястье и попробуйте взяться за ручку двери: поначалу ваши движения будут неуклюжими. Внутренняя модель руки, имеющаяся у мозга, внезапно оказывается неправильной: изменились динамические свойства конечности. Но очень быстро, за несколько попыток, внутренняя модель выучит новые правила, и ваши движения станут плавнее и точнее
Сноски
1
Elephant in the Room (англ.) идиоматическое выражение, используемое для характеристики чего-то настолько бросающегося в глаза, что не заметить его сложно, однако наблюдатели либо и в самом деле не видят проблемы, либо по каким-то причинам предпочитают не обращать на нее внимания. Ср. с выражением Слона-то я и не приметил. Прим. ред.
2
Мои исследования личного пространства и сложных движений изложены в двух книгах. M. S. A. Graziano, The Intelligent Movement Machine (Oxford, UK: Oxford University Press, 2008); M. S. A. Graziano, The Spaces between Us: A Story of Neuroscience, Evolution, and Human Nature (New York: Oxford University Press, 2018).
3
Следующие ссылки дают комплексное представление об этой теории. Другие, более технические или сосредоточенные на экспериментальных данных работы здесь не приводятся. M. S. A. Graziano and S. Kastner, Human Consciousness and Its Relationship to Social Neuroscience: A Novel Hypothesis, Cognitive Neuroscience 2 (2011): 98113; M. S. A. Graziano, Consciousness and the Social Brain (Oxford, UK: Oxford University Press, 2013); T. W. Webb and M. S. A. Graziano, The Attention Schema Theory: A Mechanistic Account of Subjective Awareness, Frontiers in Psychology 6 (2015): article 500.
4
Невозможно воздать здесь должное всем новым работам, посвященным механистическому, недуалистическому подходу к сознанию. Я привожу лишь несколько примеров и прошу прощения у множества блестящих авторов, которых не упоминаю. S. J. Blackmore, Consciousness In Meme Machines, Journal of Consciousness Studies 10 (2003): 1930; P. S. Churchland, Touching a Nerve: Our Brains, Our Selves (New York: W. W. Norton, 2013); F. Crick, The Astonishing Hypothesis: The Scientific Search for the Soul (New York: Scribner, 1995); S. Dehaene, Consciousness and the Brain (New York: Viking Press, 2014); D. Dennett, Consciousness Explained (Boston: Back Bay Books, 1991); K. Frankish, Illusionism as a Theory of Consciousness, Journal of Consciousness Studies 23 (2016): 1139; R. J. Gennaro, Consciousness and Self Consciousness: A Defense of the Higher Order Thought Theory of Consciousness (Philadelphia: John Benjamins Publishing, 1996); O. Holland and R. Goodman, Robots with Internal Models: A Route to Machine Consciousness? Journal of Consciousness Studies 10 (2003): 77109; T. Metzinger, The Ego Tunnel: The Science of the Mind and the Myth of the Self (New York: Basic Books, 2009).
5
D. Chalmers, Facing Up to the Problem of Consciousness, Journal of Consciousness Studies 2 (1995): 200219.
6
Более ранний и весьма прозорливый подход к сознанию, делающий акцент на внутренних моделях, содержится в работе: O. Holland and R. Goodman, Robots with Internal Models: A Route to Machine Consciousness? Journal of Consciousness Studies 10 (2003): 77109.
7
G. Ryle, The Concept of Mind (Chicago: University of Chicago Press, 1949).
8
J. Joyce, Ulysses (Paris: Sylvia Beach, 1922). Русский перевод: Джойс Д. Улисс / Пер. с англ. В. Хинкиса и С. Хоружего; коммент. С. Хоружего. М.: Республика, 1993.
9
D. Chalmers, The Character of Consciousness (New York: Oxford University Press, 2010); T. Nagel, What Is It Like to Be a Bat? The Philosophical Review 83 (1974): 43550; J. R. Searle, Consciousness, Annual Review of Neuroscience 23 (2000): 55778.
10
R. A. Koene, Scope and Resolution in Neural Prosthetics and Special Concerns for the Emulation of a Whole Brain, Journal of Geoethical Nanotechnology 1 (2006): 2129; R. Kurzweil, The Singularity Is Near: When Humans Transcend Biology (New York: Penguin Books, 2006); H. Markram, E. Muller, S. Ramaswamy, M. W. Reimann, M. Abdellah, C. A. Sanchez, A. Ailamaki, et al., Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry, Cell 163 (2015): 45692; A. Sandberg and N. Bostrom, Whole Brain Emulation: A Roadmap, Technical Report #20083, Future of Humanity Institute, Oxford University, 2008.
11
И другие авторы убедительно описывали возможный ход эволюции сознания, включая туда связи сознания с вниманием (хотя делали это иначе, чем я). К примеру: C. Montemayor and H. H. Haladjian, Consciousness, Attention, and Conscious Attention (Cambridge, MA: MIT Press, 2015); R. Ornstein, Evolution of Consciousness: The Origins of the Way We Think (New York: Simon & Schuster, 1991).
12
O. Sakarya, K. A. Armstrong, M. Adamska, M. Adamski, I. F. Wang, B. Tidor, B. M. Degnan, T. H. Oakley, and K. S. Kosik, A Post-Synaptic Scaffold at the Origin of the Animal Kingdom, PLoS One 2 (2007): e506.
13
Z. Yin, M. Zhu, E. H. Davidson, D. J. Bottjer, F. Zhao, and P. Tafforeau, Sponge Grade Body Fossil with Cellular Resolution Dating 60 Myr before the Cambrian, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 112 (2015): E145360.
14
D. H. Erwin, M. Laflamme, S. M. Tweedt, E. A. Sperling, D. Pisani, and K. J. Peterson, The Cambrian Conundrum: Early Divergence and Later Ecological Success in the Early History of Animals, Science 334 (2011): 10917; A. C. Marques and A. G. Collins, Cladistic Analysis of Medusozoa and Cnidarian Evolution, Invertebrate Biology 123 (2004): 2342.
15
H. R. Bode, S. Heimfeld, O. Koizumi, C. L. Littlefield, and M. S. Yaross, Maintenance and Regeneration of the Nerve Net in Hydra, American Zoology 28 (1988): 105363.
16
R. B. Barlow Jr. and A. J. Fraioli, Inhibition in the Limulus Lateral Eye in Situ, Journal of General Physiology 71 (1978): 699720.
17
K. Hadeler, On the Theory of Lateral Inhibition, Kybernetik 14 (1974): 1615.
18
S. Koenemann and R. Jenner, Crustacea and Arthropod Relationships (Boca Raton: CRC Press, 2005).
19
B. Schoenemann, H. Pärnaste, and E. N. K. Clarkson, Structure and Function of a Compound Eye, More Than Half a Billion Years Old, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 114 (2017): 1348994.
20
R. Gillette and J. W. Brown, The Sea Slug, Pleurobranchaea californica: A Signpost Species in the Evolution of Complex Nervous Systems and Behavior, Integrative and Comparative Biology 55 (2015): 105869.
21
C. R. Smarandache-Wellmann, Arthropod Neurons and Nervous System, Current Biology 26 (2016): R960R965.
22
S. Koenig, R. Wolf, and M. Heisenberg, Visual Attention in Flies Dopamine in the Mushroom Bodies Mediates the After-Effect of Cueing, PLoS One 11 (2016): e0161412; B. van Swinderen, Attention in Drosophila, International Review of Neurobiology 99 (2011): 5185.
23
D. H. Erwin, M. Laflamme, S. M. Tweedt, E. A. Sperling, D. Pisani, and K. J. Peterson, The Cambrian Conundrum: Early Divergence and Later Ecological Success in the Early History of Animals, Science 334 (211): 109197; B. Runnegar and J. Pojeta Jr., Molluscan Phylogeny: The Paleontological Viewpoint, Science 186 (1974): 31117.
24
J. Kluessendorf and P. Doyle, Pohlsepia mazonensis, an Early Octopus from the Carboniferous of Illinois, USA, Palaeontology 43 (2000): 91926; A. R. Tanner, D. Fuchs, I. E. Winkelmann, M. T. Gilbert, M. S. Pankey, A. M. Ribeiro, K. M. Kocot, K. M. Halanych, T. H. Oakley, R. R. da Fonseca, D. Pisani, and J. Vinther, Molecular Clocks Indicate Turnover and Diversification of Modern Coleoid Cephalopods during the Mesozoic Marine Revolution, Proceedings of Royal Society, B, Biological Sciences 284 (2017): 20162818.
25
P. Godfrey-Smith, Other Minds: The Octopus, the Sea, and the Deep Origins of Consciousness (New York: Farrar, Straus and Giroux, 2016); S. Montgomery, The Soul of an Octopus (New York: Atria Books, 2015).
26
A.-S. Darmaillacq, L. Dickel, and J. A. Mather, Cephalopod Cognition (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2014); D. B. Edelman, B. J. Baars, and A. K. Seth, Identifying Hallmarks of Consciousness in Non-Mammalian Species, Consciousness and Cognition 14 (2015): 16987; J. N. Richter, B. Hochner, and M. J. Kuba, Pull or Push? Octopuses Solve a Puzzle Problem, PLoS One 11 (2016): e0152048.
27
B. Hochner, An Embodied View of Octopus Neurobiology, Current Biology 22 (2012): R88792.
28
P. M. Merikle, D. Smilek, and J. D. Eastwood, Perception without Awareness: Perspectives from Cognitive Psychology, Cognition 79 (2001): 11534; R. Szczepanowski and L. Pessoa, Fear Perception: Can Objective and Subjective Awareness Measures Be Dissociated? Journal of Vision 10 (2007): 117.
29
E. Knudsen and J. S. Schwartz, The Optic Tectum, a Structure Evolved for Stimulus Selection, in Evolution of Nervous Systems, ed. J. Kaas (San Diego: Academic Press, 2017), 387408; C. Maximino, Evolutionary Changes in the Complexity of the Tectum of Nontetrapods: A Cladistic Approach, PLoS One 3 (2008): e3582.
30
D. Ingle, Visuomotor Functions of the Frog Optic Tectum, Brain, Behavior, and Evolution 3 (1970): 5771.
31
Здесь авторская неточность. Роджер Сперри проводил подобные эксперименты в начале 1940-х гг. Работа 1943 г., на которую ссылается автор в Примечаниях, посвящена исследованию зрения тритонов без регенерации нерва. Упомянутый выше эксперимент был описан в работе 1944 г. Optic nerve regeneration with return of vision in anurans, опубликованной в Journal of neurophysiology. Полное библиографическое описание статьи см. в Примечаниях на с. 224. Прим. науч. ред.