Мы можем вскрыть мозг, окрасить его клетки нитратом серебра, составить статическую карту сети нервных клеток, но как нам получить динамическую картину мозговой деятельности? Настоящую революцию в исследованиях мозга произвело появление возможности заглянуть внутрь живого мозга в то самое время, когда он выполняет те или иные задачи. Развитие новых технологий привело к поразительным успехам исследования мозга.
Нейротелескопы
Самый легкий и быстрый способ узнать что-то о мозговой активности – это использование ЭЭГ. Когда мой мозг впервые должны были сканировать методом ЭЭГ, я несколько нервничал. Машина довольно сильно напоминала инопланетный аппарат для извлечения мозга. Процедура оказалась весьма длительной и включала в себя зачистку моего скальпа шлифовальной бумагой для обеспечения лучшего контакта и прикрепление к моей голове 64 электродов, которые хотя и не извлекли из нее мозг, но позволили увидеть кое-что из моих мыслительных процессов.
Электроэнцефалография (ЭЭГ), которую разработал в 1920-х гг. немецкий физиолог Ханс Бергер, использует электроды для регистрации электрической активности на поверхности скальпа. ЭЭГ измеряет колебания напряжения, вызываемые электрическим током, который протекает внутри нейронов мозга и между ними. При помощи ЭЭГ ученые обнаружили несколько разных типов волн, соответствующих разным видам мозговой деятельности. Синхронизированная активность большого числа нейронов порождает макроскопические колебания с разными частотами, соответствующие разным состояниям мозга.
Обнаруженный первым и наиболее известный частотный диапазон называют альфа-волнами: они возникают в результате синхронизированной активности большого числа нейронов, порождающей макроскопические колебания с частотой 8–12 Гц. Эта частота значительно ниже частоты нот, которые я извлекаю из своей виолончели: самая низкая из них вибрирует с частотой 65 Гц. Тем не менее эта волна подобна музыкальной ноте, звучащей в мозге. Альфа-волны можно обнаружить в задней части мозга в состоянии расслабленного бодрствования, причем они усиливаются, когда пациент закрывает глаза. Но они – не единственные ноты, которые играет мозг; в другие периоды мозговой деятельности можно обнаружить волны с другими частотами.
Самые медленные колебания – дельта-волны с частотой 1–4 Гц, соответствующие бессознательному состоянию глубокого сна без сновидений.
Следующий вид – тета-волны с частотой 4–8 Гц, соответствующие неглубокому сну или медитации.
Более быстрые, чем альфа, бета-волны с частотой 13–30 Гц, возникающие в мозге в состоянии активного бодрствования.
Наиболее важными для способности мозга образовывать сознание считаются быстрые гамма-волны с частотой 30–70 Гц; их частоты чуть-чуть захватывают нижнюю часть диапазона моей виолончели. Предполагается, что гамма-волны отвечают за формирование мыслей, обработку языка, память и различные типы обучения.
Что гудит в мозге: от гамма-волн до дельта-волн
По мере того как день в нашей жизни сменяется ночью, мозг, по-видимому, ведет себя как оркестр, исполняющий симфонию, переходя от быстрых частей к медленным и обратно, время от времени выдавая скерцо, когда нам приходит в голову новая идея или встречается новая ситуация.
В сигналах ЭЭГ можно видеть резкие перепады, происходящие во время сна и отражающие переход от более высоких частот ко все более низким, характерным, например, для альфа-волн. Собственно говоря, разные стадии сна характеризуются разными частотами волн, распространяющихся в мозге, и именно поэтому такие нейронные колебания можно связать с такими когнитивными состояниями, как восприятие или сознание. Например, врачи констатируют смерть мозга, когда ЭЭГ не регистрирует никаких волн. Как нам кажется, волны, распространяющиеся в мозге, синхронизируют мозговую деятельности так, чтобы обеспечить наибольшую производительность работы мозга.
Хотя ЭЭГ открыла исследователям возможность быстрого доступа к мозговой деятельности, пожалуй, наиболее известным инструментом изучения происходящего внутри мозга стала технология функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ), разработанная в 1990-х. По сравнению с компактным аппаратом ЭЭГ сканер фМРТ выглядит настоящим монстром. Он напоминает космическую капсулу для анабиотического сна – вот только заснуть в нем не удастся никому. Электромагниты работают с таким грохотом, что мне, когда я был внутри такого сканера, понадобились беруши. Хотя исследование на сканере фМРТ не болезненно, для получения четкой картины того, что происходит в голове пациента, он должен оставаться неподвижным неестественно долгое время.
Сканер выявляет изменения напора крови и содержания в ней кислорода, вызываемые нервной деятельностью. Более активные участки мозга используют большее количество кислорода. Усиление притока крови к активному участку может быть обнаружено, потому что кровь с более высоким содержанием кислорода более магнитна. Сканер фМРТ способен обнаруживать такие магнитные колебания, на основе которых впоследствии могут быть составлены карты активности, показывающие, какие именно части мозга участвуют в том или ином мыслительном процессе.
Поскольку ЭЭГ непосредственно измеряет мозговую деятельность по изменениям электрических параметров, а фМРТ лишь регистрирует производные характеристики, ЭЭГ позволяет гораздо точнее определить, что происходит внутри мозга. На данный момент фМРТ не может соревноваться с ЭЭГ в возможностях измерения изменений мозговой деятельности, происходящих с течением времени. Зато фМРТ позволяет получить снимки состояний мозга с гораздо более высоким разрешением. Поэтому сочетание этих двух методов дает нам возможность получить хорошее представление о работе мозга. Например, как ЭЭГ, так и фМРТ может определить, какой именно из участков моего мозга активизируется, когда я думаю о математике. Так можем ли мы увидеть сознание при помощи этих нейротелескопов? Пока что не можем. Собственно говоря, остается неясным,
Есть ли сознание у моего кота?
Даже если мы понимаем, какая часть мозга активизируется при тех или иных действиях и как работает химия и физика мозга, это все равно не позволяет нам толком понять, почему у нас есть сознание собственного «Я». Как подступиться к этому вопросу? С точки зрения математика, существует один мощный способ понять, что есть та или иная сущность, – сначала нужно попробовать понять, почему все остальное ею не является.
Например, несмотря на все старания моего виртуального собеседника убедить меня в обратном, я не верю в наличие сознания у моего смартфона или, например, у стула, на котором я сижу. А как насчет животных? До того как мой черно-белый кот Фредди убежал из дому, он любил сидеть в моем кабинете, бездельничая, пока я работал над своей математикой. Но обладал ли он самосознанием? А младенцы? Мозг ребенка развивается по мере его роста, и при этом изменяются его сознание и чувство самоосмысления. Как же можно определить разные уровни сознания? Существуют ли ступени развития мозга, проходимые по мере возникновения разных состояний сознания?
