Мозг: прошлое и будущее. Что делает нас теми, кто мы есть

Джасанов Алан

Радикальные нарушения целостности мозга могут быть и следствием хирургических операций для лечения эпилепсии. В самых тяжелых случаях врачи иногда решаются на удаление целого полушария головного мозга. Эта опасная процедура ставит под угрозу жизнь больного и почти всегда приводит к параличу противоположной стороны тела. Но в остальном удаление огромного куска мозга переносится на удивление легко. Группа хирургов в Медицинской школе Джонса Хопкинса провела за 30 лет 58 операций гемисферэктомии у детей [148] . Впоследствии они писали: «Мы потрясены тем, что после удаления половины мозга – причем любой половины – по всей видимости, полностью сохраняется память, а также личность ребенка и чувство юмора». Эти результаты тем примечательнее, что, в отличие от мозжечка, области мозга, удаляемые при гемисферэктомии, теснейшим образом ассоциируются с когнитивными способностями человека и особенно хорошо развиты у людей по сравнению с другими животными. Такие примеры показывают, насколько все в голове избыточно. Оказывается, огромные участки мозга могут отсутствовать или отмереть, их можно удалить – и все это никак не скажется на важнейших сторонах личности и мышления.

148

E. P. Vining et al., «Why would you remove half a brain? The outcome of 58 children after hemispherectomy – the Johns Hopkins experience: 1968 to 1996», «Pediatrics» 100 (1997): 163–171.

* * *

Даже если в мозге человека не хватает 80 % нейронов, он сохраняет множество компонентов, ведь что такое несколько десятков миллиардов клеток, если в твоем распоряжении осталась еще сотня миллиардов? Искалеченный, изуродованный мозг – будто страна, пережившая войну или голод. Население резко

сократилось, но по порядку величины мозг остался таким же, как любой здоровый, и резонно предположить, что многие биологические механизмы остались нетронутыми. Все, что сохранилось в поврежденном мозге, по-прежнему чудовищно сложно, и эта сложность, вероятно, нужна для восприятия и когнитивных процессов. Но можно ли удалить еще более массивные части мозга, не пожертвовав основными аспектами его функционирования? Сейчас нет никаких способов определить, каким минимумом частей может обойтись человеческий мозг, чтобы продолжать работать, но можно сделать некоторые выводы на примере наших родственников по эволюционному фамильному древу. Если рассмотреть других животных, можно задаться вопросом, требуют ли когнитивные способности миллиардов нейронов. На этот вопрос природа, похоже, отвечает однозначно: нет.

И маленький мозг способен обеспечивать весьма разумное поведение, что доказывают наши кузины-птицы, невзирая на расхожее выражение «птичьи мозги» или «куриные мозги». Вот и Христос, как известно, пренебрежительно замечал: «Взгляните на птиц небесных: они ни сеют, ни жнут, ни собирают в житницы» (Матф. 6:26), однако сами птицы это опровергают, демонстрируя незаурядные умственные способности: некоторые виды птиц производят действия, очень напоминающие сбор урожая и создание запасов зерна, тем самым показывая, что умеют и запоминать, и строить планы, и стратегически мыслить. Интереснейший пример такой рассудочной деятельности у приморских ворон зафиксировал выдающийся натуралист Чарльз Абботт в 1883 году. «Я несколько раз своими глазами видел, как вороны разбивают раковины мидий, бросая их с большой высоты, – писал он. – Причем сброшенные раковины они не трогали, пока не возвращались воды прилива, отчего ловить рыбу становилось невозможно, и тогда птицы спешили попировать результатами своих разумных трудов. Как ни удивительно, вороны осознавали природу приливов и… умело пользовались этими знаниями» [149] . Вообще говоря, члены семейства врановых, в которое входят и вороны, и сороки, и вороны, которыми так восхищался Абботт, проявляют незаурядный ум, практически неслыханный для животных, не относящихся к отряду приматов [150] . Доказано, что врановые предвкушают события в будущем и готовятся к ним, изготавливают и применяют орудия труда, узнают людей на улице и самих себя в зеркале. Ворон-пророк из стихотворения Эдгара По, сорока-воровка из одноименной оперы Россини, умная ворона, додумавшаяся, как попить воды из глубокого кувшина, в одной из самых известных басен Эзопа – все это дань уважения поразительным умениям этих птиц. Проницательностью славятся и попугаи. С древнейших времен их прославляли за способность общаться словами и знание простых команд. Особенно примечателен пример, который приводит этолог Айрин Пепперберг – она подробно описала невероятные интеллектуальные способности попугая-жако Алекса, с которым работала 30 лет. Алекс выучил более сотни английских слов, умел считать, распределять предметы по категориям и критиковать. «Ах ты индюшка!» – кричал он, когда ему кто-то или что-то не нравилось [151] .

149

C. C. Abbott, «Intelligence of the crow», «Science» 1 (1883): 576.

150

N. J. Emery and N. S. Clayton, «The mentality of crows: Convergent evolution of intelligence in corvids and apes», «Science» 306 (2004): 1903–1907.

151

Irene M. Pepperberg, «Alex & Me: How a Scientist and a Parrot Discovered a Hidden World of Animal Intelligence – and Formed a Deep Bond in the Process» (New York: HarperCollins, 2008).

Рис. 5. Сравнительные размеры мозга разных биологических видов (в масштабе). Изображения получены из Висконсинского университета и Сопоставительных коллекций образцов мозга млекопитающих штата Мичиган (www.brainmuseum.org) под эгидой Национального научного фонда и Национальных институтов здоровья США

Соль подобных анекдотов в том, что врановые и попугаи способны на все эти интересные фокусы, хотя размер мозга у них всего 7–10 мм, меньше 1 % размера мозга человека [152] . Пусть эти животные сами не могли сочинить ни стихи По, ни арии Россини, но по способностям они сопоставимы с шимпанзе и гориллами, нашими ближайшими эволюционными родственниками, у которых примерно в 20 раз больше нейронов [153] . Хотя мы, люди, превосходим все эти виды и по интеллектуальным способностям, и по количеству мозговых клеток, наш мозг по всем этим параметрам уступает мозгу китов и слонов: у этих животных мозг втрое-впятеро тяжелее нашего, но в целом считается, что они совсем не так интеллектуальны, как мы (рис. 5) [154] . Это значит, что абсолютный размер мозга или число его отделов не может дать ответ на загадку, как мозг обеспечивает когнитивные способности и управляет поведением.

152

A. N. Iwaniuk, K. M. Dean, and J. E. Nelson, «Interspecific allometry of the brain and brain regions in parrots (psittaciformes): Comparisons with other birds and primates», «Brain, Behavior and Evolution» 65 (2005): 40–59; J. Mehlhorn, G. R. Hunt, R. D. Gray, G. Rehkamper, and O. Gunturkun, «Toolmaking New Caledonian crows have large associative brain areas», «Brain, Behavior and Evolution» 75 (2010): 63–70.

153

S. Olkowicz et al., «Birds have primate-like numbers of neurons in the forebrain», «Proceedings of the National Academy of Sciences» 113 (2016): 7255–7260; S. Herculano-Houzel, «The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost», «Proceedings of the National Academy of Sciences» 109, Suppl 1 (2012): 10661–10668.

154

G. Roth and U. Dicke, «Evolution of the brain and intelligence», «Trends in Cognitive Science» 9 (2005): 250–257.

В том, что размеры мозга сами по себе относительно неважны, можно убедиться и при сравнении представителей групп биологических видов, которые сильно отличаются по габаритам, но в остальном очень похожи. Возьмем, к примеру, грызунов – их размеры варьируются от крошечной карликовой мыши (около 8 г) до свиноподобной амазонской капибары (40–60 кг). Эти виды и обитают в похожих условиях, и ведут весьма светский образ жизни, и, похоже, не слишком различаются по интеллекту. Но у капибары мозг весит примерно 80 г и содержит около 1,6 миллиарда нейронов, а у карликовой мыши – меньше 0,3 г и, скорее всего, содержит менее 60 миллионов нейронов [155] . Приблизительное соответствие массы мозга и массы тела у этих родственных видов неудивительно, более того, отношение массы мозга к массе тела зачастую применяется для предсказания интеллекта вида. Но эта мысль резко противоречит теории, что чем крупнее мозг и чем больше в нем клеток, тем он сложнее и хитроумнее. Отношение массы мозга к массе тела у миниатюрной карликовой мыши и внушительной капибары – примерно 1/20 и 1/500 соответственно. По таким расчетам крошка-Давид и в самом деле должен быть гораздо смышленее Голиафа, хотя нейронов у него в 25 раз меньше.

155

S. Herculano-Houzel, B. Mota, and R. Lent, «Cellular scaling rules for rodent brains», «Proceedings of the National Academy of Sciences» 103 (2006): 12138–12143; J. L. Kruger, N. Patzke, K. Fuxe, N. C. Bennett, and P. R. Manger, «Nuclear organization of cholinergic, putative catecholaminergic, serotonergic and orexinergic systems in the brain of the African pygmy mouse (Mus minutoides): Organizational complexity is preserved in small brains», «Journal of Chemical Neuroanatomy» 44 (2012): 45–56. Количество нейронов у карликовой мыши в публикациях не указано, но приблизительное число 60 миллионов нейронов можно получить исходя из предположений,

что, согласно наблюдениям Эркулану-Озель и ее группы, размер мозга у представителей семейства грызунов пропорционален количеству нейронов в степени 1,587. В статье Herculano-Houzel et al. приводятся референтные значения для мышей – 71 миллион нейронов и масса мозга 417 мг, а масса мозга карликовой мыши составляет 275 мг, как указано в статье Kruger et al.

Исследования самых разных видов показывают, что в целом у мелких животных мозг меньше, а отношение массы мозга к массе тела больше. Вероятно, именно поэтому в мультфильмах крупные животные всегда туповаты. Мозг муравья весит 1/7 тела, а наш, человеческий, – 1/40, и если опираться в основном на отношение массы мозга к массе тела, можно сделать вывод, что муравьи раз в 6 умнее нас [156] .

Чтобы обойти очевидную проблему, к которой приводят такого рода выводы, исследователи пронаблюдали, как мозг увеличивается (и уменьшается) в зависимости от размеров тела, и обнаружили, что изменение размеров мозга происходит в другом темпе, чем у тела, и это соотношение разное у разных ветвей эволюционного древа. Подобный метод так называемого аллометрического масштабирования мозга означает, например, что если какой-то вид в ходе эволюции со временем утраивает вес, размер его мозга или количество нейронов иногда увеличивается лишь вдвое. Если эволюция и дальше ведет в сторону увеличения габаритов тела, то на каждое утроение веса тела приходится очередное удвоение объема мозга или количества нейронов. Принципы аллометрического масштабирования показывают, что большое отношение массы мозга к массе тела у муравья, вероятно, не дает той когнитивной мощи, какую мы наблюдали бы у гипотетического насекомого размером с человека. Но и крошечный мозг муравья обеспечивает внушительный поведенческий репертуар, так что даже сам Чарльз Дарвин как-то заметил: «…мозг муравья есть одна из самых удивительных в мире совокупностей атомов материи, может быть более удивительная, чем мозг человека» [157] . Масштабирование отношения габаритов тела и мозга показывает, что иметь в своем распоряжении многие миллиарды нервных клеток само по себе не очень полезно. Скорее к большому мозгу полагается большое тело, а естественный отбор, вероятно, способствует такому сочетанию по причинам, имеющим мало отношения к уму. Некоторые биологи предполагают, что сравнительные интеллектуальные преимущества возникают, когда мозг у животного больше ожидаемого с учетом законов масштабирования [158] . При такого рода измерениях человек и другие приматы выглядят очень выигрышно: размер мозга и плотность нейронов у них больше, чем у других млекопитающих сопоставимых размеров. Но даже при таком подходе принципы масштабирования в целом подталкивают к выводу, что примерно одинаковый IQ обеспечивается самым широким диапазоном размеров мозга.

156

M. A. Seid, A. Castillo, and W. T. Wcislo, «The allometry of brain miniaturization in ants», «Brain, Behavior and Evolution» 77 (2011): 5–13.

157

Чарльз Дарвин. Происхождение человека и половой отбор // Чарльз Дарвин. Сочинения / пер. под ред. И. Сеченова. Т. 5 (М.: Изд-во АН СССР, 1953).

158

Harry J. Jerison, «Evolution of the Brain and Intelligence» (New York: Academic, 1973).

Чем же определяются умственные способности, если не объемом мозга и не количеством клеток? В предыдущей главе мы подметили интересную наводку: вживление человеческой нейроглии в мозг мышей, похоже, делает мышей умнее. Если в человеческой нейроглии есть что-то особенное, может быть, есть и другие типы клеток, разные у разных видов, которые помогут определить, на что способен каждый организм? И в самом деле, многие нейрофизиологи считают, что мозг состоит из относительно обозримого набора типов клеток, которые различаются по тому, какие нейрохимические вещества они используют и какие связи создают [159] . Представим себе, что типы клеток – как члены строительной бригады: экскаваторщики, каменщики, штукатуры, кровельщики, водопроводчики и электрики. Если роль каждого типа в разных частях мозга остается более или менее прежней, то понять, как функционирует мозг, становится во много раз проще, примерно как понять, как строят город, гораздо проще, если знать, как возводят отдельные здания. В наши дни исследователи стремятся разобраться, сколько именно существует типов нейронов и глиальных клеток и что они делают. Кроме того, нейробиологи выявляют и изучают, какие характерные структуры создают клетки разных типов. В число таких структур входит, например, так называемая колонка кортекса [160] . Эти колонки – многоклеточные объединения примерно в полмиллиметра диаметром, покрывающие поверхность мозга, будто плитки мозаики.

159

X. Jiang et al., «Principles of connectivity among morphologically defined cell types in adult neocortex», «Science» 350 (2015): aac9462.

160

V. B. Mountcastle, «The columnar organization of the neocortex», «Brain» 120 (Part 4) (1997): 701–722.

Важная роль колонок кортекса и разных типов клеток подсказывает, что главные аспекты мозговой деятельности можно выяснить и без отсылок на то, как много в нем подобных компонентов. Такой подход хорошо зарекомендовал себя при изучении других органов. Например, в человеческих почках клеток больше, чем в коре головного мозга, но большинство этих клеток организованы в миллионы примерно одинаковых структур, которые называются нефроны и действуют параллельно – фильтруют кровь и выводят отходы. Поджелудочная железа тоже состоит из миллиардов клеток, но ее функции можно проанализировать в рамках небольшого набора хорошо известных типов клеток, вырабатывающих все гормоны, которыми славится этот орган.

С точки зрения понимания мозговой деятельности большой оптимизм внушают нынешние экспериментальные исследования структурных и функциональных подотделов мозга. Помимо данных о деятельности маленького или поврежденного мозга, эти исследования, позволяющие сильно упростить задачу, ставят под сомнение косный взгляд, согласно которому человеческий мозг до того сложен, что любые попытки описать его простыми формулами выводят его за рамки царства природы и делают науку бессильной.

* * *

«Я не понимаю того, что не могу создать». Эти слова были начертаны на доске в кабинете великого физика Ричарда Фейнмана, нобелевского лауреата и кумира всех любителей науки, в день его смерти в 1988 году [161] . Иногда этот афоризм Фейнмана цитируют как указание на цель, которой мы должны достигнуть, чтобы одержать победу в понимании функционирования мозга [162] . Созданием мозга считается и физическая «сборка» его из клеток в лаборатории, и успешная симуляция на компьютере. В Европе в наши дни идет работа над проектом «Human Brain Project» стоимостью в миллиард долларов: ученые стремятся симулировать мозговую деятельность на компьютерах, исходя из совокупного поведения 100 миллиардов «виртуальных нейронов» [163] . Похожие задачи ставят перед собой и американские ученые: они регистрируют «каждый спайк от каждого нейрона» в мозге млекопитающего [164] . Многие нейрофизиологи скептически относятся к подобным проектам, поскольку считают, что прогресс в этой области еще не оправдывает амбиций подобного размаха. Ведь специалистам по вычислительной биологии пока не удалось симулировать даже поведение одной-единственной биологической молекулы или клетки, не говоря уже о целых органах, а экспериментаторы способны зарегистрировать активность всего нескольких сотен клеток из глубинных областей мозга, так что об изучении активности всех до единой клеток пока нечего и мечтать. Учитывая положение дел в современной науке, организовывать проект с целью симулировать или отслеживать деятельность мозга в целом с разрешением на уровне клеток – все равно что посылать астронавтов в другие галактики, еще не сумев добраться до Марса.

161

«Richard Feynman’s Blackboard at Time of His Death», Caltech Image Archive, archives-dc.library.caltech.edu.

162

Sean Hill, «Whole Brain Simulation», в кн.: «The Future of the Brain», ed. Gary Marcus and Jeremy Freeman (Princeton, NJ: Princeton University Press, 2015).

163

HBP-PS Consortium, «The Human Brain Project: A Report to the European Commission», 2012.

164

A. P. Alivisatos et al., «The brain activity map project and the challenge of functional connectomics», «Neuron» 74 (2012): 970–974.