Границы сознания

Могут ли электрические импульсы в мозге объяснить, на чем основаны сны и мысли? Ответить на этот вопрос поможет новый детектор сознания.

В 2014 году одна девушка обратилась в госпиталь с жалобами на головокружение и тошноту. Результаты томографии удивили врачей — у пациентки отсутствовала большая часть головного мозга. Вы, наверное, задумаетесь: а как она прожила всю свою жизнь без половины мозга? Дело всё в том, что не все его области отвечают за наше сознание. "Aeon" подготовил умопомрачительный лонгрид об экспериментах над сознанием и выводах, которые уже сейчас могут сделать учёные. Доказательная наука делает большие открытия в области, ранее доступной только теоретическим умам философов.

В 2014 году в Китае 24-летняя девушка обратилась к врачу с жалобами на головокружение и тошноту, которые беспокоили ее на протяжении месяца. С этими симптомами она уже сталкивалась раньше: почти всю свою жизнь она страдала от проблем с координацией и головокружением. Это было серьезно и изнурительно. Но даже эти симптомы показались слишком мягкими, когда посредством КТ (компьютерная томография — прим. Newочём) и МРТ (магнитно-резонансная томография — прим. Newочём) ей поставили диагноз: в общих чертах, у женщины отсутствовала большая часть мозга. Тем не менее, ключевые для его работы элементы  присутствовали: кора головного мозга (крупнейшая и наиболее удаленная часть мозга, отвечающая за мышление и познание), подкорка и средний мозг (ответственные за несметное число функций, включая движение, память и регуляцию тела), ствол головного мозга (необходимый для контроля дыхания, сна и взаимодействия с другими частями тела). 

Но во всех этих зонах нет важных для мозга нейронов — клеток, которые запускают импульсы для передачи информации и моторных команд. Особенно это касается мозжечка — структуры позади ствола головного мозга, под корой головного мозга. Получивший название [cerebellum] от латинского «маленький мозг», крайне компактный мозжечок занимает всего 10% от объема мозга, но при этом содержит 50-80% всех нейронов. Так что действительно, в этом смысле у китаянки не было половины мозга. Невероятно, но она родилась без мозжечка и прожила два с половиной десятилетия, даже не подозревая об этом. Даже при инсультах и метастазах в коре головного мозга страдает меньшее число нейронов. Пациенты с этими диагнозами теряют способность распознавать цвета и лица и осмысливать речь либо страдают от нарушения сознания — состояния, при котором сознание полностью теряется или помрачается. 

Изучение сознания может стать величайшей научной проблемой нашего времени. Как физическое, например, электрические импульсы, может объяснять ментальное, например, сны или самоощущение? Почему нейронная сеть в мозге ощущается как опыт, а компьютерная или общественная сеть никак не ощущается, по крайней мере, насколько нам известно?  Увы, на этот вопрос нет ответа. Во всяком случае, необходимо приложить усилия для дальнейшего изучения нарушений сознания — области, в которой сейчас с вероятностью от 9% до 40% ставятся ложные диагнозы. Без более глубокого изучения мы никогда не поймем, действительно ли пострадавшие пациенты бессознательны или просто не реагируют на внешние раздражители, имея при этом внутреннее сознание. Без этих знаний докторам сложно понимать, поможет ли тому или иному пациенту лечение.

Многие пациенты со скрытой осознанностью отличаются от их образа в популярной культуре. Например, французский журналист Жан-Доминик Боби. После сильнейшего инсульта у него парализовало всё тело, кроме левого глаза. Лежа на больничной койке, мигая только одним глазом, он «надиктовал» мемуары «Скафандр и бабочка» (1997), где поделился своим горестным опытом.  В случае Боби, страдавшего так называемым синдромом «запертого человека» (синдром, который характеризуется отсутствием адекватной реакции больного на внешние, в том числе и словесные, стимулы из-за тетраплегии и паралича бульбарной, мимической и жевательной мускулатуры — прим. Newочём), потеря контроля над телом была вызвана повреждением ствола мозга, который отвечает за контроль тела и взаимодействие с внешним миром. 

Скрытая осознанность встречается не только при синдроме «запертого человека», но и при повреждении коры головного мозга. В этом случае, скрытую осознанность сложнее выявить, так как умственные способности, которые сохраняются у этих пациентов, вероятно, нарушены. Например, пациент может не реагировать не из-за отсутствия сознания, а потому что метастазы в коре головного мозга лишили его возможности понимать устную речь. И, в отличие от Боби, на МРТ-снимках мозга таких пациентов видно масштабное черепно-мозговое повреждение, что сильно затрудняет попытки неврологов установить наличие рассудка. Даже после того, как пациенты выходят из комы и приходят в себя, у них часто наблюдается отсутствие реакций и произвольных движений. Как следствие, врачи ставят диагноз «вегетативное состояние», известное также как состояние минимального сознания. 

Над обнаружением скрытой осознанности у пациентов с диагностированным нарушением сознания, трудится международная команда исследователей,  в которую входит и мой нынешний руководитель Мартин Монти. Они предложили тщательно продуманное задание и использовали психические образы, которые некоторые пациенты, не реагирующие на другие раздражители, способны сгенерировать по команде. С помощью сканера мозга команда обследовала 54 пациента: начиная с тех, чья реакция на других была нестабильна и заканчивая теми, кто вообще не демонстрировал какой-либо реакции. Затем, с помощью функциональной МРТ ученые получили изображение мозговой активности подопытных, чтобы определить, какая часть, возможно, обладает скрытой осознанностью. «В очень небольшом числе случаев с помощью МРТ мы можем установить осознанность у пациентов, которые кажутся бессознательными», — утверждает Монти. 

Сначала Монти и его коллеги предложили бессознательным пациентам представить прогулку по их домам. «При этом мы заметили вспышку активности в извилине гиппокампа у всех пациентов, кроме одного» — рассказал один из исследователей, Эдриан Оуэн. Но на этом они не остановились. Чтобы убедиться в том, что человек под сканером в сознании и может следовать инструкциям, исследователи предложили еще одно задание, задействующее другую схему активации. Наконец, один из коллег Монти и Оуэна, Мэлани Боули, заметила, что, согласно исследованиям, комплексные задания часто работают лучше простых. «Как насчет тенниса?» — предложил Оуэн. 

К большой радости ученых, на просьбу представить игру в теннис здоровые участники исследования ответили четкой и последовательной цепочкой реакций в мозге. А как было с пациентами со скрытой осознанностью? Исследователи просили пациентов, находящихся в аппарате МРТ, представлять одно из двух: прогулку по дому или игру в теннис. По словам Монти, их интересовало, сколько пациентов отреагируют. Так сказать, при первом же взмахе ракеткой, ученые выявили пациента, не реагирующего на другие задания, но четко отвечающего на задание с теннисом. Пациент соответствовал всем критериям вегетативного состояния, но по факту был в сознании. 

Результаты исследования были опубликованы в 2010 году. Они одновременно внушали надежду и отрезвляли: 5 из 54 пациентов, которых помещали в сканер, могли генерировать психические образы по команде, что доказывало их способность мыслить, чувствовать и понимать, но не коммуницировать. Или всё-таки коммуницировать тоже? Что, если пациенты могли привлечь образы из двух вышеупомянутых заданий, чтобы отвечать на вопросы? Например, чтобы ответить «да», представить игру в теннис, а чтобы ответить «нет» — прогулку по дому. И вновь с первой же попытки команду исследователей ждал успех. Задавая пациентам вопросы вроде «Имя твоего отца Томас?», ученые получали определенные ответные реакции, которые были зафиксированы на МРТ. Эти ответы содержали образы из одного из двух заданий. «Оказывается, даже пациенты в коме могут иметь куда больше когнитивных функций, чем можно зафиксировать стандартными клиническими методами», — сообщил Монти. 

Вслед за Монти и его коллегами, в 2018 году группа исследователей из Мичиганского университета опубликовала свое исследование. Они попытались при помощи функциональной МРТ и ментальной визуализации выявить скрытую осознанность там, где никто не ожидает ее обнаружить: под наркозом. Результаты неутешительные: 1 из 5 здоровых добровольцев, находившийся под препаратом пропофол (короткодействующее, предназначенное для внутривенного введения снотворное средство — прим. Newочём), мог делать то, чего не должен был: генерировал ментальные образы по запросу, находясь в сканере. Выводы вполне ясны: на столе хирурга мы не всегда находимся в блаженном бессознательном состоянии.

Задание с игрой в теннис показало, что даже под наркозом и в вегетативном состоянии сознание может сохраняться. Однако эффективность задания зависит от способностей пациентов слышать вопросы и понимать устную речь, которые не всегда свойственны людям с повреждениями мозга. 

Осознанность может также возникать и без языкового восприятия или слуха. Даже при отсутствии данных способностей, пациент всё также может испытывать боль, скуку, а иногда видеть немые сны. Действительно, при повреждении некоторых частей коры головного мозга яркие эмоциональные переживания могут сохраняться, даже если пациент не слышит вопросы команды Монти. Из-за этого сканер МРТ может упустить множество людей, находящихся в сознании. Вместо ментальных образов, генерируемых пациентами с повреждениями мозга, которые могут слышать и понимать речь, стоит полагаться на альтернативный маркер сознания — совершенный детектор, — который позволит глубже понимать проблему. 

Сознание — это загадка. Посредством множества научных теорий производятся попытки объяснить, почему наш мозг воспринимает мир, а не просто получает ввод и осуществляет вывод, без чувств и эмоций.  Некоторые из этих теорий довольно оригинальны. Например, концепция, разработанная британским физиком-теоретиком сэром Роджером Пэнроузом и американским анестезиологом Стюартом Хамероффом. 

Пэнроуз и Хамерофф связывают сознание с микротрубочками — нитевидными структурами, которые являются основным компонентом цитоскелета. Внутри микротрубочек электроны могут прыгать между разными отсеками. Фактически, согласно правилам, по которым существует наша Вселенная на уровне ниже атомного, эти электроны могут существовать одновременно в двух отсеках. Такое состояние называется квантовой суперпозицией. Осознанность возникает благодаря одной из интерпретаций квантовой физики — от утверждения, что определенное положение частицы вроде электрона в пространстве требует наличия мыслящего наблюдателя (таким образом, осуществится суперпозиция). Как заявил Хамерофф в одном из выпусков шоу «Ближе к истине» на телеканале PBS:

Есть суперпозиция возможностей, которая схлопывается в одно или другое, и, когда это случается, возникает некоторая субъективность, но как говорил Шерлок Холмс: «Отбросьте все невозможное: то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался».

Это имеет смысл для Хамероффа, но не для меня. Соглашаясь с Холмсом в его красноязычном призыве «отбросить невозможное», я отказываюсь признавать связь квантовой запутанности и сознания. С одной стороны, сложная теория сознания, разработанная Пэнроузом и Хамероффом требует новой физики — квантовой гравитации, — которую еще не изобрели. Более того, их концепция не объясняет, почему в сознании не задействован мозжечок. В нейронах мозжечка тоже содержатся микротрубочки. Так почему при утрате или повреждении мозжечка сознание иногда сохраняется?

Более обнадеживающий подход разработал нейробиолог Джулио Тонони из университета Висконсина. Вместо того, чтобы исследовать, какие мозговые процессы или структуры задействованы в сознании, Тонони смотрит на это с другой стороны и задается вопросом, какие основные черты лежат в основе самого сознательного опыта. 

Чтобы понять контекст, сравним его подход к другой большой проблеме: что такое жизнь? Живые существа передают черты своему потомству — таким образом, генетическая информация должна передаваться от родителя к ребенку (или детенышу, или ростку). Но в то же время живые существа эволюционируют и приспосабливаются к окружающей среде, поэтому генетическая информация должна быть податливой, меняясь от поколения к поколению. Рассматривая эту проблему по принципу «снизу вверх», можно ожидать, что речь пойдет о сложной молекуле, например, ДНК, которая содержит генетическую информацию, но также может мутировать, оставляя место эволюции посредством естественного отбора. Так рассуждал и физик Эрвин Шредингер в своей книге «Что такое жизнь?» (1944). Противоположный подход — брать множество живых существ и искать у них общее — может и не затрагивать ДНК за неимением очень сильного микроскопа. 

Вопрос жизни 100 лет назад поставил в тупик биологов, а теперь ставит в тупик и нейробиологов. Далеко не очевидно, почему некоторые участки мозга необходимы для сознания, а другие — нет. Итак, в своем подходе Тонони рассматривает детали, необходимые для опыта сознания. Что показывает наличие опыта? Во-первых, каждый опыт специфичен. Представление голубого цвета отчасти основывается на знании, что синий — не желтый. Но если вы не видели никаких цветов, кроме голубого, вы, скорее всего, не имеете опыта в вопросах цвета. Так, если вся еда одинакова на вкус, она теряет смысл и забывается. Требование, чтобы каждый опыт был специфичен, называется дифференциацией. 

Сознательный мозг похож на демократическое общество, а бессознательный — на тоталитарное

Однако в то же время сознание характеризуется интегративностью. Это означает, что несмотря на то, что в нашем сознании объекты обладают разными свойствами, мы не воспринимаем каждое свойство по отдельности. Когда вы смотрите баскетбол, цвет формы игрока и его движения сливаются в одно целое. Точно так же вы воспринимаете все свойства баскетбольного мяча одновременно: его ярко-оранжевый цвет, его сферическую форму, скорость его движения. Подобно левому и правому полям зрения, различные свойства предмета взаимозависимы и составляют полноценную картину.

Тонони определил, что дифференциация и интегративность являются двумя важнейшими признаками сознания. Точно так же, как признаки живого дают ученому возможность сделать вывод о наличии у объекта ДНК, неотъемлемые признаки сознания дали Тонони возможность подтвердить физическое наличие сознательной системы.

Если когда-то в будущем будет создан детектор сознания, он должен будет искать именно эти признаки в мозге пациентов, не реагирующих на внешние раздражители. Поскольку сознание требует определенности, мозгу как физической системе приходится выбирать, на чем именно из множества раздражителей фокусировать свое внимание. Этот выбор основан на типе поступающей информации. Опыт становится информативным, когда он дает конкретную информацию, исключая все иные варианты. Именно поэтому для человека вкус шоколада отличается от вкуса соли, а запах роз отличается от запаха мусора. Поскольку такой опыт несет информацию, а работающий мозг характеризуется осознанностью, то можно сделать вывод, что по мере увеличения осознанности в мозг поступает все больше информации. А чем большей информацией обладает мозг, тем более разнообразны могут быть его состояния.

Это как в игре «Виселица». Допустим, мы играем в нее на английском языке. В английском алфавите 26 букв, и каждая угаданная буква дает нам умеренное количество информации для того, чтобы отгадать все слово. К примеру, часто используемая английская буква E будет менее информативна, чем, скажем, редкая буква X (в конце концов, сколько английских слов содержат букву X?).

А теперь представьте, что вы играете в виселицу на китайском. Этот язык содержит тысячи иероглифов, каждый из которых редок и несет ценную информацию, как свет маяка посреди шторма. Именно потому, что в такой версии вариантов выбора намного больше, выиграть можно, отгадав один лишь иероглиф.

Тот же принцип применим и к мозгу: при увеличении вариативности состояний мозга увеличивается и его информационное содержание, а также его способность к переживанию значительно различающегося опыта. Но в то же время сознание зависит от интегративности: нейроны должны делиться друг с другом информацией, иначе данные, содержащиеся в сознательном опыте, не будут связаны друг с другом. Одновременное требование дифференциации и интегративности может показаться парадоксальным, но аналогия, приведенная Тонони, помогает прояснить ситуацию. Сознательный мозг похож на демократическое общество. Каждый волен выражать отличное от других мнение (дифференциация) и свободно общаться друг с другом (интегративность). Бессознательный мозг же больше напоминает тоталитарное общество. Гражданам может быть запрещено свободно общаться (отсутствие интегративности), а инакомыслие преследуется (отсутствие дифференциации).

Дифференциация и интегративность требуются как для развития демократии, так и для наличия сознания. И это не голословные заявления: идеи Тонони основаны на клинических наблюдениях. Самым убедительным доказательством его теории является существование людей, подобных женщине из Китая, которая ведет сознательную жизнь, не имея мозжечка. Оказывается, мозжечок, в отличие от всего мозга, можно сравнить с тоталитарным обществом. Несмотря на свою многочисленность, его нейроны не в состоянии свободно передавать информацию друг другу. Вместо этого нейроны мозжечка организованы в цепочки: каждый нейрон посылает сообщение следующему в одну сторону, а обратное сообщение или сообщение между разными цепочками практически отсутствует. Чтобы визуализировать такой характер обмена информацией, представьте стоящих в очереди людей, каждый из которых касается плеча стоящего впереди. В мозжечке, как в несвободном обществе, отсутствует интегративность, а без нее нет сознания. Кора головного мозга, напротив, подобна свободному обществу. Для визуализации представьте город, где люди свободно общаются не только с соседями, но и с людьми, живущими в отдаленных районах города.

Конечно, сознание не всегда присутствует в коре головного мозга. Во время сна без сновидений сознание теряет способность к дифференциации. Электроэнцефалография (способ исследовать электрическую активность мозга, отводимую с кожи головы) позволяет исследователям выявить группы нейронов, поющих в унисон, как болельщики на стадионе. Такая же потеря дифференциации происходит во время эпилептического припадка, когда большие группы нейронов сигнализируют одновременно из-за безудержной волны возбуждения. Когда нейроны нашего мозга теряют самостоятельность, мы лишаемся осознанности.

Теория Тонони о том, что для наличия сознания необходимы как дифференциация, так и интегративность, называется теорией интегрированной информации (ТИИ). Используя ТИИ, можно прогнозировать, какие области мозга обеспечивают осознанность (например, кора головного мозга), а какие — нет (например, мозжечок). Данные, выведенные на основе ТИИ, позволяют исследователям на практике определить, кто из пациентов с повреждениями головного мозга находится в сознании. Основываясь на том, как ТИИ описывает сознательную систему, исследователи могут предположить, какой ответ должен дать сознательный мозг после импульса энергии. Это гораздо более точный детектор сознания, чем представлять игру в теннис во время МРТ.

Как любит говорит Монти, это все равно что постучать по дереву, чтобы по звуку определить его плотность. Только в случае исследования мозга отклик вызывается с помощью катушки с проволокой, создающей магнитный импульс. Эта методика называется транскраниальной магнитной стимуляцией (ТМС). Затем исследователи используют ЭЭГ, чтобы записать «эхо» этого магнитного возмущения и определить, каков тип «общественного устройства» в исследуемом мозге.

Если ответный импульс очень сложен, интегрирован и дифференцирован, то мы имеем дело с плюралистическим обществом. Разные области мозга реагируют по-разному, а значит пациент, скорее всего, находится в сознании. Однако если импульс вызвал одинаковую реакцию разных областей мозга, то общество тоталитарно, а пациент, скорее всего, бессознателен.

Вышеупомянутый метод — лучший на данный момент детектор сознания — был введен в Миланском университете международной группой исследователей во главе с нейробиологом Марчелло Массимини в 2013 году. Формально известный как коэффициент сложности возмущений, этот метод иногда называют «zap-and-zip», потому что он включает в себя воздействие на мозг с помощью магнитного импульса, а затем наблюдение за степенью сложности вызванной им реакцией. Исследователи уже используют эту методику, чтобы определить, в каком состоянии находится человек: бодрствует, погружен в глубокий сон, находится под наркозом или в расстройстве сознания, таком как вегетативное состояние. Вскоре этот подход позволит нам определять, какие пациенты с повреждениями головного мозга (не говоря уже о пациентах, находящихся под наркозом) на самом деле находятся в сознании и способны к восприятию раздражителей, несмотря на неспособность к внешнему проявлению реакции. Метод «zap-and-zip» позволил нам приблизиться к тому, чтобы «измерить неизмеримое», как писали об этом достижении в журнале Science Translational Medicine.

Возможно, в диагностике нарушений сознания нам поможет искусственный интеллект

Но на этом загадки человеческого сознания не заканчиваются. Сейчас я работаю в лаборатории Монти при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и занимаюсь изучением синдрома Ангельмана у детей. Я пытаюсь выяснить, почему у детей с эти редким генетическим заболеванием электрическая активность мозга проявляется без дифференциации, даже когда они бодрствуют и познают окружающий их мир. Нет сомнений в том, что эти дети сознательны, потому что наблюдения за ними фиксировали богатый спектр целенаправленного поведения. И, тем не менее, ЭЭГ-шлем на голове ребенка с синдромом Ангельмана безошибочно выявляет метафорическое тоталитарное общество Тонони — группы отзывающихся в унисон нейронов.

Пациенты с синдромом Ангельмана и люди с полностью или частично отсутствующим мозжечком могут помочь нам сформировать представление о том, какие признаки действительно являются необходимыми для наличия сознания. Мой недавний труд показал, что мозг спящего ребенка с синдромом Ангельмана посылает более мощные и разнообразные сигналы, чем мозг бодрствующего. Надеюсь, что применение метода «zap-and-zip» у подобных пациентов подтвердит его достаточную чувствительность для того, чтобы отличить сознание от глубокого сна. В противном случае он так и останется лишь прототипом более совершенного детектора сознания.

Сознание может станет последним рубежом, взятым наукой. Если теория интегрированной информации укажет ученым верное направление, они смогут разработать более эффективные методы диагностики нарушений сознания. Возможно, в диагностике нам поможет даже искусственный интеллект — разум, потенциал которого нам пока неизвестен. Это не научная фантастика: многие серьезные ученые — в том числе покойный Стивен Хокинг, предприниматель-технолог Илон Маск, программист из Калифорнийского университета в Беркли Стюарт Рассел и философ из Института будущего человечества в Оксфорде Ник Бостром — серьезно отнеслись к последним достижениям в области ИИ и глубоко обеспокоены экзистенциальным риском, который может нести ИИ человеческого или сверхчеловеческого уровня. Когда этично отключить сверхчеловеческий ИИ? Кем бы ни был тот человек, которому придется выдернуть вилку из розетки и какой бы экстренной ни была ситуация, непременно возникнет желание узнать: действительно ли при этом во тьму ускользает живой разум или мощный компьютер просто имитирует звуки страха.

Хотя нам еще только предстоит столкнуться с подобными дилеммами, ученые и философы уже пытаются понять, чем же на самом деле являются миниатюрные мозговидные органы, выращиваемые в специальных емкостях. В настоящее время эти «мини-мозги» помогают исследователям в области биомедицины изучать заболевания мозга. Что, если с развитием биомедицины у этих искусственных органов появляется сознание, и они приобретают способность страдать? Вышеперечисленные моральные дилеммы, с которыми потенциально столкнется человечество, доказывают, что рассуждения о сознании вышли за пределы теории, пространных рассуждений и эзотерики. Понимание сознания действительно имеет значение, ведь от этого зависит состояние нашей осознанности и ментальности в будущем.

По материалам Aeon
Автор: Джоэл Фролих — постдокторант, исследующий сознание в лаборатории Мартина Монти при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а также контент-продюсер в проекте Knowing Neurons (образовательный сайт о нейронауке — прим. Newочём).
Иллюстрация: Wellcome Images

Источник