Среднее время прочтения — 10 мин.

Хорошо знакомые нам ментальные функции — восприятие, память, внимание и другие — тесно связаны с нашим жизненным опытом и самоопределением. Но, как оказалось, они не дают полной картины того, как действительно функционирует мозг. И сейчас ученые ищут более точные подходы для изучения работы этого сложного органа.

Нейробиологи словно картографы — исследуют просторы и неизученные зоны мозга, их активность и особенности, пути и тропинки, которые их соединяют, и границы, которые отделяют одну зону от другой. Ближе к передней части мозга, сразу за лобной костью, лежит префронтальная кора, которую именуют «командным центром». За ней — двигательная кора, ответственная за планирование и координацию движений. По сторонам от нее расположились височные доли, крайне важные для работы памяти и обработки эмоций. Над ними — соматосенсорная кора, а позади — зрительная.

По словам Лизы Фельдман Барретт, психолога Северо-Восточного университета, ученые привыкли изображать мозг и его участки схематично, «по старинке». «Они анализируют области мозга по принципу того, что им интереснее в психологическом, психическом или поведенческом плане, — и так определяют функции различных групп нейронов, — как будто мозг состоит из цветных кубиков Лего».

Но подобная схема мозга не только сильно упрощена — она вводит в заблуждение. «Ученые более ста лет провели в безрезультатных поисках границ между такими функциями мозга, как мышление, чувства, принятие решений, запоминание, движение», — отмечает Барретт. В ходе целого ряда недавних неврологических исследований было выявлено, что эти психические категории «не помогают понять, как же устроен мозг».

Нейробиологи в целом сходятся во мнении о том, из чего состоит головной мозг: с его конкретными областями, нейронными связями и типами клеток. Но когда речь заходит о том, как эти элементы влияют на выполняемую задачу — будь то восприятие, память, внимание, эмоции или побуждение к действию — «все становится куда менее однозначным», — поясняет нейробиолог Давид Пёппель.

Никто не спорит с тем, что зрительная кора связана со зрением, слуховая кора помогает распознавать звуки, а памятью мы обладаем благодаря гиппокампу. Травмы этих областей мозга нарушают соответствующие функции, и исследователи определили основные механизмы, которые за них отвечают. Но вот память, например, задействует не только гиппокамп, но и другие отделы головного мозга. А гиппокамп, в свою очередь, является ключевым элементом для большого числа когнитивных процессов, которые не имеют отношения к памяти. Порой пересечение настолько велико, что привычные определения из учебников теряют свой смысл, и требуют значительной корректировки.

«Идея того, что между категориями, которые нейробиологи используют для понимания мозга, и собственно нейронной реакцией на ментальные события есть какие-то конкретные параллели, просто неправильна», — заявила Барретт.

И хотя благодаря современной системе удалось прийти к важным выводам, «из-за нее мы попали в ловушку, которая сильно тормозит дальнейшие исследования», — считает Пол Цисек, нейробиолог из Монреальского университета. В том числе и по этой причине до сих пор не найдены способы и средства лечения многих неврологических и психологических заболеваний.

Вот почему Барретт, Цисек и другие ученые считают, что для лучшего понимания работы мозга основополагающие концепции этой области следует полностью пересмотреть. И пока споры продолжается, появляются все больше вопросов и новые ответы. Совсем недавно один из таких подходов позволил обнаружить неожиданную связь между формированием памяти и регуляцией метаболизма. Но даже если новая система понятий поможет добиться успеха в объяснении работы мозга, некоторые исследователи задаются вопросом, не приведет ли такой успех к потере значимости наших эмоциональных переживаний.

«Больше псевдонимов, чем у Шерлока Холмса»

Когда функциональная МРТ и другие передовые технологии сделали возможным более глубокое изучение живого мозга, нейробиологи стали активно искать физическую основу наших умственных способностей. Им удалось добиться серьезных успехов в понимании неврологических основ восприятия, внимания, обучения, памяти, принятия решений, моторных функций и других видов психической активности.

But they also found unsettling evidence that those categories and the neural networks that support them don’t work as expected. It’s not just that the architecture of the brain disrespects the boundaries between the established mental categories. It’s that there’s so much overlap that a single brain network “has more aliases than Sherlock Holmes,” Barrett said.

Но к своему удивлению они обнаружили, что разные виды мозговой деятельности и участвующие в них нейронные сети функционируют не так, как представлялось. И дело не только в том, что архитектура мозга не совпадает с воображаемым разграничением ментальных категорий. По словам Барретт, пересечений настолько, что у одной сети нейронов «больше псевдонимов, чем у Шерлока Холмса».

Недавние исследования показали, например, что в обычных движениях глаза задействованы две трети мозга. А во время дыхания активизируется половина мозга. В 2019 году несколько групп ученых обнаружили, что большая часть нейронной активности в областях, ответственных за восприятие у животных (например, в зрительной коре), кодирует не сенсорные сигналы, а информацию о движении.

Подобный «кризис личности» не ограничивается только нейронными центрами восприятия или другими когнитивными функциями. Всегда считалось, что мозжечок (структура мозга, присутствующая у всех позвоночных) задействован исключительно в контролировании моторных функций, но ученые выяснили, что он также играет ведущую роль в процессах внимания, регулирования эмоций, понимания речи и принятия решений. Базальные ядра, еще одна древняя часть мозга, которую обычно ассоциируют с моторными функциями, играет сходную роль в некоторых сложных когнитивных процессах.

Проблемы в методологии приводят к неточным и даже ошибочным результатам. Так, чтобы определить, в каких областях человеческий мозг выполняет различные функции, нейробиологи обычно соотносят когнитивные процессы с зонами психической активности, выявленными на МРТ. Но согласно исследованиям, для получения более достоверных ответов специалистам нужно принимать во внимание в том числе и незначительные сокращения мышц.

«Вы думаете, что данные, которые вы получили, свидетельствуют о высоких способностях к познанию, а на самом деле в ходе исследования испытуемый просто по-другому двигал глазами,» — заявляет Дьёрдь Бужаки, нейробиолог Медицинской школы Гроссмана Нью-Йоркского университета.

Но, как и другие ученые, он склоняется тому, что недавние открытия выявили и более глубокие концептуальные проблемы нейробиологии. «Мы делим мозг на участки в соответствии с собственными предвзятыми идеями, и, как я считаю, заблуждаемся в том, что у этих идей есть границы, и что между функциями мозга также можно провести четкую линию», — поясняет Бужаки.

В 2019 году нейробиолог из Стэнфордского университета Расселл Полдрак вместе с коллегами протестировал, насколько уместны классические признанные категории ментальных функций. Команда собрала огромное количество поведенческих данных — полученных из экспериментов, направленных на тестирование различных аспектов когнитивного контроля, включая рабочую память, подавление реакций и обучение, и прогнали их через ИИ-классификатор. Вопреки ожиданиям, полученные классификации смешали традиционные категории и рассортировали их по новым группам, которые, казалось, «действовали как одно целое в отношении куда более общих концепций», — заметил Полдрак. Концепций, для которых еще не существовало определений, и которые только косвенно могли относиться к нашему сознательному опыту.

Еще одно исследование, проведенное коллегами Полдрака, показало, что процедуры, предназначенные для измерения восприятия или памяти, в итоге не измеряли их как нечто обособленное. Судя по результатам, эти категории крайне расплывчаты и неточны. Не то чтобы «восприятие» или «память» — бесполезные термины, уточнил Полдрак. «Но если мы хотим понять, как же работает мозг, нам, пожалуй, понадобятся более точные методы понимания определенных его функций».

Сам факт того, что неясно, как отличить тесты восприятия от тестов памяти, свидетельствует о том, что эти категоризированные концепции не обязательно показывают, как на самом деле отличаются функции мозга.

Некоторые ученые не согласны с этим утверждением: раз мы понимаем, что зрительная кора задействована не только в зрении, а системы памяти делают не только то, что указано в определении, нет необходимости в пересмотре самих категорий. Но «иногда слишком широкое, слишком обобщающее использование понятия может негативно влиять на проводимые эксперименты и выдвигаемые гипотезы», — заявляет Джон Кракауэр, нейробиолог из Университета Джонса Хопкинса.

Больше всего это заметно в исследованиях эмоций и настроения.

Страх и путаница

Джозеф Леду — нейробиолог из Нью-Йоркского университета, известный своей работой над миндалевидным телом. Этот отдел мозга часто называют центром страха. Но подобное определение, как отмечает ученый, крайне неверно и даже опасно. «Меня на протяжении многих лет представляли как человека, который обнаружил, что страх зарождается в миндалевидном теле, — говорит Леду, — но меня всегда передергивало, когда я слышал подобные формулировки. Пора положить конец этому заблуждению».

Последний десяток лет Леду уверяет, что миндалевидное тело вовсе не отвечает за рождение страха. Страх, как он утверждает — это когнитивная интерпретация ситуации, всего лишь субъективный опыт в обертке из памяти и других психических процессов. Психологический феномен, который некоторые люди принимают за страх, может испытываться другими людьми как нечто совершенно иное. Исследования показывают, что чувство страха рождается в префронтальной коре и смежных областях мозга.

Миндалевидное тело в свою очередь задействовано в обработке опасности и ответной реакций на нее. Это древний подсознательный, поведенческий и психологический механизм. «Научные данные свидетельствуют о том, что этот механизм может  быть вызван не только чувством страха», — поясняет Леду.

Может показаться, что нет ничего плохого в том, чтобы называть миндалевидное тело центром страха, но «тогда миндалевидное тело наследует и весь семантический багаж этого слова», объясняет Леду. Это может привести к ошибкам в разработке и создании лекарств, например, для уменьшения симптомов тревожности. Когда потенциальные лекарства тестируют на животных в состоянии стресса, более смелая их реакция или сниженное психологическое возбуждение обычно интерпретируется как понижение уровня страха и уменьшение тревожности. Но на самом деле лекарство может просто изменить поведенческую реакцию, за которую отвечает миндалевидное тело, а не избавить от тревоги, поясняет Леду.

«Все исследователи в нашей научной области страдают из-за этой путаницы», — говорит он.

Подобные проблемы возникают и в других аспектах нейробиологии. Например, в исследованиях восприятия, где физическая обработка сенсорного стимула и сознательный опыт о нем зачастую связаны. В обоих случаях, как читает Леду, их надо разделить.

Дело в контексте

Но развенчивание значимости различных областей мозга усложняется еще больше из-за открытия, что вклад нейронных систем в конкретные функции не работает по принципу «все или ничего». Порой это зависит от того, какие конкретно сигналы обрабатываются.

Посмотрим, например, на роль медиальной височной доли, которую называют периренальной корой — важного компонента классической системы памяти. Элизабет Мюррей из Национального института психического здоровья и ее коллеги провели эксперименты, в которых людей и обезьян просили выбрать определенную картинку из пары похожих друг на друга до определенной степени изображений.

Они выяснили, что периренальная кора вовлекалась в процесс выбора только когда на картинках было конкретное количество похожих деталей. Ни больше ни меньше — иначе периренальная кора никак не влияла на результаты как у людей, так и обезьян. Похожим образом, нижняя часть височной доли, которой традиционно отводится роль в визуальном восприятии, оказалась необходима для процессов памяти — но только в определенных случаях.

Нейробиолог Стивен Уайз, в прошлом сотрудник Национального института психического здоровья, считает, что вместо классификации областей коры мозга по их специализированным визуальным, аудиальным, соматосенсорным или исполнительным функциям, исследователи должны изучить различные комбинации типов информации, которые они представляют. Одна из областей может быть задействована в представлении простых комбинаций характеристик, например «оранжевый» и «квадратный». Другие области могли развиться для представления более сложных комбинаций визуальных или акустических характеристик, или же количественной информации.

Уайз считает, что подобная схема организации мозга объясняет, почему мы столкнулись с таким количеством функциональных пересечений в классических картах ментальной активности. Когда область мозга представляет определенную комбинацию типов информации, «она делает это как для памяти, так и восприятия, а также внимания и контроля над действиями», — отмечает Уайз.

Вот почему тесты памяти и восприятия, которые Мюррей использовала в своих экспериментах, только иногда задействовали периренальную кору: с каждым разом, чем больше друг на друга походили картинки, комбинации деталей, которые их все же отличали, менялись.

Схема представления Уайза — только один путь того, как можно пересмотреть разделение мозга. Несмотря на то, что другие ученые согласны с тем, что список областей мозга, которым руководствуются в большинстве нейробиологических исследований, имеет недостатки, среди них мало единодушия касательно решения этой проблемы.

И даже специалисты, выступающие за более радикальный пересмотр всей области, затрудняются описать, как это следует сделать. «Легко показать, что что-то не работает. Сложнее понять, что делать дальше, — говорит Луис Пессоа, нейробиолог Мэрилендского университета, — Я часто ловлю себя на том, что использую целый список терминов, которые сам же и критиковал. Как мне обходиться без слов „внимание“, „эмоция“, „мотивация“?»

Цисек — один из тех исследователей, которые начали переделывать концептуальные категории с позиции эволюции. За последние пять лет он тщательно изучал эволюцию позвоночных, исследуя прогрессивную специализацию поведенческих систем.

«В мозге действительно есть функциональные подотделы, — поясняет он, — и у них даже есть эволюционная история. Если бы мы смогли узнать эту историю, это помогло бы лучше идентифицировать и все концепции».

Цисек уже использовал свой новый анализ активности мозга, чтобы объяснить, например, почему базальные ядра играют ключевую роль далеко не во всех процессах принятия решений. «Начинаешь понимать, что ни термин „принятие решения“, ни „внимание“ не отождествлены с какой-то физической частью мозга», — объяснил он. «Вместо этого, в мозге существуют очень прагматичные цепочки, и это они решают — „приблизиться“ или „убежать“… Некоторые из них немного похожи на то, что мы называем вниманием».

Бужаки придерживается похожих взглядов. «Сначала нам нужно посмотреть на механизмы нашего мозга, как и почему они эволюционировали», — отметил он. Воспоминания, например, а также планирование будущего и воображение частично кодируются одинаковыми механизмами нервной системы, что с позиции эволюции имеет смысл, ведь одну и ту же систему можно задействовать в различных задачах. «О них, вполне возможно, стоит думать как о едином целом», — добавил Бужаки.

Подобный подход уже приводит к любопытным результатам. Бужаки годами изучал остроконечные пульсирующие волны, один из типов активности в гиппокампе, позволяющий нам хранить и извлекать информацию из памяти. Но в текущем месяце в журнале Nature его бывший докторант Дэвид Тингли и другие сотрудники лаборатории Бужаки раскрыли совершенно новую их функцию: помощь в регулировании сахара в крови.

«Мы соединяем две противоположности», — объясняет Бужаки — базовый метаболический процесс и когнитивный процесс высокого уровня. Теперь он надеется обнаружить более глубокую связь между ними и выяснить, как эти волны для регуляции тела могли быть переоборудованы для формирования памяти.

Без паники!

Существуют и альтернативные подходы в изучении ментальных функций. Барретт, Пессоа и некоторые другие ученые, к примеру, рассматривают набор моделей поведения и нейронную активность мозга как единое целое. «Мы изучаем всю систему через взаимодействие ее частей», — отметила Барретт. Такие функциональные категории как память, восприятие и внимание в этом случае могут пониматься как «особенности состояния мозга».

Из-за парадоксальных групп, которые появились в его более ранних исследованиях поведения, Полдрак заинтересован в новых методах поиска категорий, основанных не на моделях, а фактических данных. Он считает, что ментальные концепции потенциально могут быть переделаны в вычислительных терминах — возможно, как упрощенная версия математических описаний, определяющих слои в искусственных нейронных системах.

У всех этих возможных решений есть свои недостатки. «Но новый подход не оценивается не с точки  зрения того, на какие вопросы он сумел ответить, в отличие от старого, — уточняет Барретт, — а на основании того, какие новые вопросы он порождает».

«Правильного способа не существует, — добавила она, — только способ лучше или хуже».

Полдрак также разделяет данную позицию. Как сказал ученый: «Сомневаюсь, что кто-то из нас хотел бы заявить, что людям нельзя больше называть память „памятью“». Но чтобы понять мозг, нам, возможно, придется пересмотреть свое представление о том, как он работает. «Это как квантовая механика, которая тоже не вполне соответствует нашему пониманию физических процессов».

Еще один важный вопрос — насколько многозначительной может стать новая схема. «Знаний у нас, может, и прибавится, но есть опасность вовсе перестать понимать себя», — отмечает Кракауэр.

Он поясняет, что когда мы раздумываем над тем, как работает мозг, мы скорее имеем в виду: что происходит в моей голове, когда я влюбляюсь? Или когда возбужден или волнуюсь? Кракауэр предполагает, что если мы слишком отдалимся от своего субъективного опыта и знакомых когнитивных концепций, то полученные знания о мозге будут похожи на ответ «42» из «Автостопом по галактике»: ответ-то правильный, но не на тот вопрос. Готовы ли мы к такому?

По материалам Quanta Magazine
Автор: Джордана Цепелевич
Иллюстрация: Lenka Šimečková for Quanta Magazine

Переводил: Артем Белов
Редактировала: Александра Листьева