В течение десятилетий она была доминирующей метафорой в нейробиологии. Но могла ли эта идея все время сбивать нас с пути?
Мы переживаем одно из величайших научных начинаний - попытку понять самый сложный объект во вселенной - мозг. Ученые накапливают огромное количество данных о структуре и функционировании в огромном количестве мозгов, от самых маленьких до наших. Десятки тысяч исследователей посвящают огромное количество времени и энергии размышлениям о том, что делают мозги, и удивительная новая технология позволяет нам описывать и манипулировать этой деятельностью.
Теперь мы можем заставить мышь вспомнить что-то о запахе, с которым она никогда не сталкивалась, превратить плохую память мыши в хорошую , и даже использовать всплеск электричества, чтобы изменить то, как люди воспринимают лица. Мы разрабатываем все более подробные и сложные функциональные карты мозга, человека и других. У некоторых видов мы можем по желанию изменять саму структуру мозга, изменяя поведение животного. Некоторые из самых глубоких последствий нашего растущего мастерства можно увидеть в нашей способности дать возможность парализованному человеку управлять рукой робота силой своего разума.
Каждый день мы слышим о новых открытиях, которые проливают свет на работу мозга, а также об обещании - или угрозе - новой технологии, которая позволит нам делать такие надуманные вещи, как читать мысли, выявлять преступников или даже загружаться в компьютер. Книги неоднократно выпускались, каждый из которых претендует на то, чтобы объяснить мозг по-разному.
И все же среди некоторых нейробиологов растет убежденность в том, что наш будущий путь неясен. Трудно понять, куда мы должны идти, кроме простого сбора дополнительных данных или рассчитывать на последний захватывающий экспериментальный подход. Как сказал немецкий нейробиолог Олаф Спорнс: «Нейробиологии по-прежнему в основном не хватает организационных принципов или теоретической основы для преобразования данных мозга в фундаментальные знания и понимание». Несмотря на то, что накапливается огромное количество фактов, наше понимание мозга, похоже, заходит в тупик.
В 2017 году французский нейробиолог Ив Френьяк сосредоточился на нынешнем способе сбора огромных объемов данных в дорогих крупномасштабных проектах и утверждал, что цунами данных, которые они производят, приводит к серьезным узким местам в процессе, отчасти потому, что, как он выразился - ксожалению, «большие данные - это не знания».
«Всего 20–30 лет назад нейроанатомическая и нейрофизиологическая информация была относительно скудной, в то время как понимание процессов, связанных с разумом, казалось вполне достижимым», - пишет Фрегнак . «В настоящее время мы тонем в потоке информации. Как ни парадоксально, все чувство глобального понимания находится под острой угрозой размывания. Каждое преодоление технологических барьеров открывает ящик Пандоры, раскрывая скрытые переменные, механизмы и нелинейности, добавляя новые уровни сложности ».
Нейробиологи Энн Черчлэнд и Ларри Эбботт также подчеркнули наши трудности в интерпретации огромного количества данных, которые создаются лабораториями во всем мире: «Для глубокого понимания этого нападения потребуется, в дополнение к умелому и творческому применению экспериментальных методов. технологии, существенный прогресс в методах анализа данных и интенсивное применение теоретических концепций и моделей ».
Действительно, существуют теоретические подходы к функционированию мозга, в том числе к самым загадочным вещам, которые может сделать человеческий мозг - производить сознание. Но ни одна из этих систем не получила широкого распространения, поскольку ни одна из них еще не прошла решающего испытания экспериментального исследования. Вполне возможно, что повторные призывы к большей теории могут быть благочестивой надеждой, можно утверждать, что не существует единой теории о функционировании мозга, даже у червя, потому что мозг - это не единственная вещь. (Ученым даже трудно придумать точное определение того, что такое мозг.)
Как заметил Фрэнсис Крик, со-первооткрыватель двойной спирали ДНК, мозг представляет собой интегрированную, развитую структуру, в которой в разные моменты эволюции появляются разные его фрагменты, адаптированные для решения разных задач. Наше нынешнее понимание того, как все это работает, является крайне частичным - например, большинство сенсорных исследований в области нейробиологии было сосредоточено на зрении, а не на запахе; Запах концептуально и технически более сложен. Но то, как работают обоняние и видение, различны как в вычислительном, так и в структурном плане. Сосредоточив внимание на зрении, мы выработали очень ограниченное понимание того, что делает мозг и как он это делает.
Природа мозга - одновременно интегрированного и составного - может означать, что наше будущее понимание неизбежно будет фрагментированным и составленным из разных объяснений для разных частей. Черчленд и Эбботт разъяснили значение: «Глобальное понимание, когда оно придет, скорее всего, примет форму весьма разнообразных панелей, свободно сшитых в лоскутное одеяло».
Рассматривая мозг как компьютер, который пассивно реагирует на ввод и обрабатывает данные, мы забываем, что это активный орган, часть тела, которое вмешивается в мир и имеет эволюционное прошлое, которое сформировало его структуру и функцию. Этот взгляд на мозг был изложен венгерским нейробиологом Георгием Бузаки в его недавней книге «Мозг изнутри». По словам Бузьяки, мозг не просто пассивно поглощает стимулы и представляет их через нейронный код, а скорее активно ищет альтернативные возможности для тестирования различных вариантов. Его вывод - вслед за учеными, восходящими к 19 веку - заключается в том, что мозг не представляет информацию: он ее создает.
Интересно, что в то время как некоторые нейробиологи дезорганизованы метафизикой появления сознания, исследователи искусственного интеллекта наслаждаются этой идеей, полагая, что сложность современных компьютеров или их взаимосвязанность через Интернет приведет к тому, что драматически называют сингулярностью . Машины станут сознательными.
Представление о том, что мы можем изменить свою нервную систему для запуска различных программ или загрузить свой разум на сервер, может показаться научным, но за этой идеей скрывается нематериалистическая точка зрения, восходящая к Декарту и не только. Это означает, что наш разум каким-то образом плавает в наших мозгах и может быть перенесен в другую голову или заменен другим разумом. Можно было бы придать этой идее вид научной респектабельности, изложив ее с точки зрения чтения состояния набора нейронов и записи его на новый субстрат, органический или искусственный.
Но даже для того, чтобы начать представлять, как это может работать на практике, нам понадобится как понимание нейрональной функции, выходящей далеко за пределы всего, что мы можем себе представить в настоящее время, и потребовавшейся невообразимо огромной вычислительной мощности, так и моделирование, которое точно имитирует структуру мозга. обсуждаемый. Чтобы это было возможно даже в принципе, нам прежде всего нужно было бы уметь полностью моделировать деятельность нервной системы, способной удерживать единственное состояние, не говоря уже о мысли. Мы настолько далеки от того, чтобы сделать этот первый шаг, что возможность загружать ваш разум может быть отклонена как фантазия, по крайней мере, до далекого будущего.
На самом деле, структуры мозга и компьютера совершенно разные. В 2006 году Ларри Эбботт написал эссе под названием «Где находятся переключатели на этой вещи?», В котором он исследовал потенциальные биофизические основы этого самого элементарного компонента электронного устройства - переключателя. Хотя ингибирующие синапсы могут изменить поток активности, оставляя нижестоящий нейрон невосприимчивым, такие взаимодействия относительно редко встречаются в мозге.
Нейрон не похож на бинарный переключатель, который можно включать или выключать, образуя схему соединений. Вместо этого нейроны реагируют аналогичным образом, изменяя свою активность в ответ на изменения в стимуляции. Нервная система изменяет свою работу путем изменения моделей активации в сетях клеток, состоящих из большого количества единиц; именно эти сети направляют, перемещают и шунтируют деятельность. В отличие от любого устройства, которое мы уже предусмотрели, узлы этих сетей не являются устойчивыми точками, такими как транзисторы или клапаны, а представляют собой наборы нейронов - сотни, тысячи, десятки тысяч - которые могут последовательно реагировать как сеть с течением времени, даже если компонент клетки показывают противоречивое поведение.
Понимание даже самых простых из таких сетей в настоящее время нам недоступно. Ева Мардер, нейробиолог из Университета Брандейс, провела большую часть своей карьеры, пытаясь понять, как несколько десятков нейронов в желудке лобстера производят ритмичный скрежет. Несмотря на огромные усилия и изобретательность, мы все еще не можем предсказать эффект изменения одного компонента в этой крошечной сети, которая даже не является простым мозгом.
Это большая проблема, которую мы должны решить. С одной стороны, мозг состоит из нейронов и других клеток, которые взаимодействуют друг с другом в сетях, на активность которых влияет не только синаптическая активность, но и различные факторы, такие как нейромодуляторы. С другой стороны, ясно, что функция мозга включает сложные динамические паттерны нейрональной активности на уровне популяции. Я подозреваю, что найти связь между этими двумя уровнями анализа будет проблемой для большей части остального века. А перспектива правильного понимания того, что происходит в случаях психического заболевания, еще дальше.
Не все нейробиологи пессимистичны - некоторые уверенно утверждают, что применение новых математических методов позволит нам понять множество взаимосвязей в человеческом мозге. Другие, как и я, предпочитают изучать животных на другом конце шкалы, сосредотачивая наше внимание на крошечных мозгах червей или личинок и применяя устоявшийся подход, пытаясь понять, как работает простая система, и затем применять эти уроки для более сложные случаи. Многие нейробиологи, если они вообще думают о проблеме, просто считают, что прогресс неизбежно будет постепенным и медленным, потому что нет единой теории о том, что мозг скрывается за углом.
Существует множество альтернативных сценариев того, как будущее нашего понимания мозга может быть реализовано: возможно, различные вычислительные проекты будут успешными, и теоретики взломают функционирование всех мозгов, или коннектомы покажут принципы функционирования мозга, которые в настоящее время скрыты. от нас. Или мы будем постепенно собирать теорию (или теории) из ряда отдельных, но удовлетворительных объяснений. Или, сосредоточившись на простых принципах нейронной сети, мы поймем организацию более высокого уровня. Или какой-то радикально новый подход, объединяющий физиологию, биохимию и анатомию, проливает решающий свет на происходящее. Или новые сравнительные эволюционные исследования покажут, как другие животные находятся в сознании, и дадут представление о функционировании нашего собственного мозга. Или наши компьютерные системы предоставят нам тревожное новое понимание, став сознанием. Или новая структура появится из кибернетики, теории управления, теории сложности и динамических систем, семантики и семиотики. Или мы примем, что теории не найти, потому что у мозга нет общей логики, только адекватные объяснения и изучение каждой крошечной части.
