Еще один способ оценить, что происходило в ходе эволюции человеческого мозга, заключается в сравнении его анатомии с анатомией мозга других приматов, таких как макаки-резусы и шимпанзе. Современные шимпанзе тоже эволюционировали с тех пор, как наши виды разошлись 6 миллионов лет назад, однако, хоть мы и не можем считать, что их мозг идентичен мозгу нашего общего предка, это полезный ориентир. Специалисты в области нейроанатомии, интересующиеся эволюцией мозга, проводят сравнения такого рода на протяжении уже многих десятилетий. Успехи в развитии современных методов визуализации мозга позволяют узнать гораздо больше подробностей о том, как происходило невероятное расширение неокортекса мозга человека по сравнению с мозгом наших ближайших родственников.
В целом неокортекс образован двумя основными компонентами серым и белым веществом. Серое вещество содержит крупные кластеры главных типов клеток, определяющих функцию мозга: это нейроны и поддерживающие их клетки другого типа, называемые глией. Белое же вещество образовано большим количеством пучков нервных волокон. Эти пучки волокон ответственны за обширные связи между разными зонами коры, формирующими четыре доли (лобную, теменную, височную и затылочную[5]) в каждом из полушарий мозга в левом и в правом. Также они обеспечивают прочную связь между правым и левым полушариями мозга через выросты так называемого мозолистого тела нейрональной трассы, через которую кора получает и отправляет сообщения к субкортикальным структурам, таким как спинной мозг. Серое и белое вещество неокортекса легкоразличимы. Первое образует шестислойную нейронную структуру. Эти нейроны, принадлежащие собственно неокортексу, располагаются поверх плотного и толстого слоя белого вещества.
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): 562126.
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.
Развивая эту идею, пионер в современной истории вычислительной техники Чарлз Бэббидж предположил, что можно характеризовать возраст геологических слоев и соответствующие климатические условия путем анализа колец, запечатленных в окаменелых деревьях. Хотя Бэббидж предложил этот метод в 1830-х годах, дендрохронология стала активной сферой научных исследований только благодаря трудам и настойчивости американского астронома Эндрю Элликотта Дугласа, который обнаружил корреляцию между древесными кольцами и циклами солнечных пятен, на протяжении тридцати лет измеряя ширину древесных колец от настоящего времени вплоть до 700-х годов нашей эры. Используя эти уникальные биологические записи, археологи смогли точно установить, например, время постройки некоторых сооружений ацтеков в юго-западной части современных Соединенных Штатов. Сегодня дендрохронология позволяет ученым восстанавливать картины вулканической активности, ураганов, оледенений и осадков, происходивших на Земле в прошлом.
Таким образом, древесные кольца достаточно ярко иллюстрируют, каким образом органическая материя может физически заполняться информацией, представляющей подробный отчет о климате, а также о геологических и даже астрофизических событиях, происходивших за время жизни организма.
За исключением воздаяния должного за дендрохронологию мисс Зульмире, я не смог сделать никаких важных выводов из двух, казалось бы, несвязанных наблюдений изысканной формы листьев деревьев в парке Монтрё и записей о возможных временных событиях в стволах деревьев. Поэтому я занялся рисованием хобби, к которому я вернулся во время сбора материала для этой книги, пока до встречи с Рональдом в ресторане «Пале Ориенталь» еще оставалось время.
Через несколько часов, когда мы с Рональдом сидели на скамейке в парке, все эти соображения вновь пришли мне в голову. С той лишь разницей, что теперь я видел четкую логическую и причинную связь между солнечными панелями дерева и отсчитывающими время древесными кольцами. «Точно, Рональд! Солнечная энергия рассредоточивается в виде информации, прописываемой в органическом веществе, формирующем ствол дерева. Вот он, ключ: энергия превращается в физически закрепленную информацию, чтобы достичь максимального локального снижения энтропии, которое необходимо дереву, чтобы прожить следующий день, собрать еще больше энергии, встроить больше информации в свою плоть и продолжать противостоять аннигиляции!»
Летом 2015 года мы с Рональдом с головой окунулись в идею об использовании термодинамики в качестве объединяющей основы для плавного связывания эволюции всей вселенной с теми процессами, которые привели к возникновению и эволюции жизни на Земле. В ходе этих бесед мы достаточно быстро осознали возможные последствия от восприятия жизни и живых организмов в качестве реальных эволюционных экспериментов, нацеленных на поиск оптимального пути для превращения энергии во встроенную информацию в качестве главной стратегии, с помощью которой жизнь хотя бы некоторое время может противостоять ужасу окончательного исчезновения при переходе в состояние, называемое нами смертью.
Хотя за последние сто лет многие авторы обсуждали такие концепции, как энергия, информация и энтропия в приложении к живым организмам, нам казалось, что за время той нашей прогулки нам удалось прийти к чему-то новому. Для начала наше открытие требовало нового определения информации, которое бы точнее отражало основы функционирования живых систем и отличалось от более известной версии термина, предложенной Клодом Шенноном в электротехнике для описания сообщений, передаваемых через зашумленные каналы в искусственных устройствах. Кроме того, тщательно обдумав свою теорию, мы поняли, что выработали в процессе еще одну новую идею, приравняв организмы и даже их клеточные и субклеточные компоненты к новому классу вычислительных устройств к органическим компьютерам, о которых я уже упоминал в 2013 году в статье, написанной при совершенно иных обстоятельствах.
В отличие от механических, электронных, цифровых или квантовых компьютеров, создаваемых инженерами, органические компьютеры возникают в процессе естественной эволюции. Их главная особенность заключается в том, что для приобретения, обработки и хранения информации они используют свою органическую структуру и законы физики и химии. Это фундаментальное свойство означает, что функционирование органических компьютеров в первую очередь основано на аналоговом вычислении, хотя в некоторых важных случаях встречаются элементы цифрового вычисления. (Аналоговые системы для расчетов используют непрерывные вариации заданных физических параметров, описывающих электрический ток, механическое перемещение или поток жидкости. Простейший пример аналогового вычислительного устройства логарифмическая линейка. Аналоговые компьютеры использовались повсеместно до появления в конце 1940-х годов цифровой логики и цифровых компьютеров.)