Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац

Сильное оптическое воздействие, вызываемое пульсирующими, калейдоскопическими вспышками света, стало очевидной причиной припадков так называемой фоточувствительной эпилепсии – редкого заболевания, которое стало встречаться все чаще и чаще с распространением телевизионных игр и видеоигр. Точная причина фоточувствительной эпилепсии по-прежнему остается неизвестной, но полагают, что ею может быть нарушение синхронизации, возникающее вследствие того, что мозговые волны «увлекаются» вспышками света, что заставляет нейроны мозга срабатывать в несвойственном для них ритме и вызывать эпилептический припадок. Эта гипотеза согласуется с результатами клинических наблюдений, которые свидетельствуют о том, что самыми опасными являются частоты в диапазоне от 15 до 20 Герц, то есть лишь незначительно превышающие частоту альфа-ритма головного мозга. Таким образом, здесь мы имеем дело со случаем, когда быстрый периодический сигнал, поступающий из окружающей среды, оказывал сильное воздействие на биологию человека.

Более быстротечный вид синхронизма, по-видимому, фигурирует в одной из величайших нерешенных проблем человеческой психологии, а именно: каким образом мозг рождает сознание. Несмотря на то что ученым до сих пор не удалось уяснить нейронную основу человеческих мыслей и чувств, недавно стало возможным приоткрыть завесу над тем, как мозг распознает лицо человека, запоминает слово или сосредоточивается на чем-либо. Нейробиологи выяснили, что такие акты распознавания связаны с кратковременным всплеском нейронного синхронизма[284], в ходе которого миллионы далеко отстоящих друг от друга клеток мозга внезапно начинают включаться и выключаться в идеальном синхронизме с частотой примерно 40 раз в секунду, после чего так же быстро рассинхронизируются, позволяя возникнуть очередной мысли или очередному чувству. Если такое представление соответствует действительности, то сверкнувшая в нашем мозгу догадка является не чем иным, как всплексом электрического синхронизма – моментом, когда отдельные участки мозга начинают действовать во взаимной гармонии.

Первые шаги в этом направлении исследований были сделаны в начале 1980-х годов, когда Кристоф фон дер Мальсбург из университета Южной Каролины высказал предположение о том, что нейронный синхронизм может послужить механизмом для решения «проблемы связывания»[285] – давней загадки в науке о мозге. Чтобы проиллюстрировать эту проблему, представьте, что вы сидите в переполненном душном кафе, потягивая кофе и слушая рок-музыку. Тем временем возле вашего столика теснятся люди, громко разговаривают и приветствуют друг друга. Без каких-либо заметных усилий вы внезапно осознаете, что держите в руке чашку кофе. Но как именно вам удалось осознать это? На первый взгляд, ничего сложного в этом нет. Между тем осознание того, что вы держите в руке чашку кофе, ассоциируется с множеством ощущений. Когда ваш взгляд падает на чашку кофе, свет отражается от ее поверхности и попадает на сетчатку вашего глаза, выявляя округлую форму чашки, ее гладкую текстуру и белый цвет. Каждая их этих визуальных характеристик передается затем на разные участки вашего мозга для последующей обработки и интерпретации. В то же время молекулы испаряющегося кофе попадают на рецепторы в вашем носу и инициируют ритмические всплески нейронной активности в ваших обонятельных центрах (плюс дополнительный всплеск удовольствия в вашей лимбической системе, связанный с роскошным ароматом свежемолотых зерен кофе). Между тем у вас возникают другие, менее желательные ощущения: запах сигаретного дыма, суета людей, толкающих время от времени ваш столик. Эти ощущения возбуждают свои собственные совокупности нейронов. Итак, возникает следующий вопрос: каким образом вашему мозгу удается разобраться во всей этой нейронной суматохе? В частности, какой физический процесс «склеивает» требуемые характеристики вместе, формируя у вас целостное восприятие чашки, отличающее ее от звуков рок-музыки, сотрясений столика, за которым вы сидите, и всех прочих посторонних ощущений, которые возникают одновременно, но не имеют никакого отношения к образу чашки?

Кристоф фон дер Мальсбург выдвинул гипотезу о том, что разные совокупности нейронов (нейронные кластеры), обрабатывающие разные характеристики чашки, должны на какую-то долю секунды колебаться строго синхронно. Именно за счет этого временного синхронизма мозгу удается связать их вместе и определить, что все они относятся к одному и тому же объекту. Но фон дер Мальсбург отчаялся проверить правильность своей гипотезы экспериментальным путем. Он предполагал, что даже если нейронные кластеры действительно колеблются во взаимном синхронизме, их заглушит непрестанный «дребезг», создаваемый другой электрической активностью мозга. «У экспериментатора нет возможности выделить полезный сигнал на фоне этого шума, – сказал он однажды. – Мысль останется невидимой»[286].

Пессимизм фон дер Мальсбурга не оправдался. К 1989 г. проблески синхронизма начали проявляться в экспериментах на животных. Группа нейробиологов, возглавляемая Чарльзом Греем и Вольфом Сингером, продемонстрировала кошке, находящейся под наркозом, изображение движущегося прямоугольника и обнаружила, что нейроны, реагирующие на прямоугольник, начали вырабатывать ритмические разряды с частотой от 30 до 60 циклов в секунду[287]. Эта «стрельба» была непродолжительной, примерно треть секунды, но очень синхронизированной, в ходе которой нейроны выдавали серию соответствующих электрических пиков и впадин.

Самым удивительным, возможно, является то, что даже клеткам, которые разделены огромными с анатомической точки зрения расстояниями, что соответствует примерно половине площади, занимаемой зрительной зоной коры головного мозга, удавалось осциллировать практически синхронно. Чтобы выяснить, означает ли эта скоординированная осцилляция, что кошка воспринимала этот прямоугольник как единое целое, Грей и Сингер удалили середину прямоугольника и двигали оба оставшихся фрагмента, придавая им вид двух независимых объектов. Те же самые клетки мозга продолжали вырабатывать разряды, но на этот раз несинхронно, как и предсказывал фон дер Мальсбург.