Вопрос о том, как мозг порождает субъективный опыт, - самый сложный из всех. Математики считают, что могут с этим помочь, поскольку их первые эксперименты привели к удивительным результатам.
Обладает ли Вселенная сознанием? На первый взгляд, это кажется невозможным, но только до тех пор, пока вы не проведете математические расчеты...
Ученые называют это "необоснованной эффективностью математики". Физик Юджин Вигнер придумал эту фразу в 60-х годах прошлого века, чтобы объяснить любопытный факт: манипулируя числами, мы можем с поразительной точностью описывать и предсказывать всевозможные природные явления - от движения планет и странного поведения фундаментальных частиц до последствий столкновения двух черных дыр на расстоянии миллиардов световых лет. Теперь некоторые эксперты задаются вопросом, сможет ли математика преуспеть там, где все остальное потерпело неудачу, и разгадать то, что в первую очередь позволяет нам созерцать законы природы.
Это весьма интересная задача. Вопрос о том, как материя порождает ощущения, - одна из самых сложных проблем, которая нам известна. И, конечно, первая развернутая математическая модель мыслительных процессов вызвала бурные дискуссии о том, может ли она рассказать нам что-нибудь по-настоящему "дельное и вразумительное". Но работая над совершенствованием и расширением своих инструментов, позволяющих нам заглянуть вглубь себя, математики пришли к поразительным выводам.
Мало того, то, что они открывают, похоже, говорит о том, что, если мы хотим получить точное описание природы разума, нам придется отказаться от интуиции и допустить, что все виды неживой материи могут обладать сознанием - и, возможно, даже вся Вселенная в целом. "Это может стать началом научной революции", - утверждает Йоханнес Кляйнер, математик из Мюнхенского центра математической философии в Германии.
Если это так, то мы очень долго к этому шли. Философы на протяжении нескольких тысяч лет размышляли о природе сознания, и в целом безрезультатно. Затем, полвека назад, за дело взялись биологи. Они обнаружили корреляции между активностью клеток мозга и отдельными эпизодами опыта, известными как "квалиа" - элементарная неделимая частица сознания. Но суровая правда заключается в том, что нейронауки не приблизили нас к ответу на вопрос о том, как нейроны порождают чувство радости или гнева, или ощущение запаха кофе.
Это именно то, что философ Дэвид Чалмерс назвал "трудной проблемой" сознания. Особая сложность этой проблемы обусловлена субъективной природой ощущаемого опыта. Что бы это ни было, его нельзя измерить. Один философ назвал сознание "призраком в машине", и некоторые люди считают, что мы никогда не сможем его изгнать.
Но, как заметил Вигнер, математика отлично справляется с сложнейшими задачами. Это связано с ее способностью переводить концепции в формальные, логические формулировки, позволяющие раскрыть суть вещей, чего нельзя было бы сделать, просто говоря о них "обычным" человеческим языком. "Математика может помочь нам количественно оценить такие ощущения, как например запах кофе", - говорит Кляйнер, - "чего мы не смогли бы сделать, полагаясь на простой разговорный язык".
Моделирование показало, что пролетающая мимо звезда может выбросить Землю из Солнечной системы
Именно поэтому он и Шон Талл, математик из Оксфордского университета, занялись формализацией математики, лежащей в основе первой и, вероятно, единственной теории сознания с полупродуманным математическим обоснованием (см. ниже "Модели опыта"). Теория интегрированной информации, или ИИТ, была задумана более десяти лет назад Джулио Тонони, нейробиологом из Висконсинского университета. Основная идея этой концепции заключалась в том, что сознание системы возникает благодаря тому, как информация перемещается между ее подсистемами.
Представим себе, что это не подсистемы, а "острова", в каждом из которых обитает своя популяция нейронов. Они связаны между собой потоками информации. По мнению Тонони, чтобы сформировалось сознание, этот информационный поток должен быть достаточно сложным, а значит, острова должны быть взаимозависимы. Изменение потока информации на одном острове должно повлиять на состояние и результаты работы другого. В принципе, это позволит вам определить степень развития сознания. Вы сможете количественно оценить его, измерив, насколько выходной сигнал с одного острова зависит от информации, поступающей с других островов. Таким образом, можно судить о том, насколько хорошо система обрабатывает информацию, это свойство называется "Фи", или "phi". Другими словами, “фи” — это мера "интегрированной информации" системы.
Если между островками нет информационной зависимости, то "фи" равно нулю и соответственно нет и сознания. Но если при "обрыве связи" количество информации, которую система обрабатывает и выдает, меняется, значит, phi этой группы больше нуля. Чем выше phi, тем выше уровень сознания системы.
Другая ключевая особенность ТИИ, известная как постулат исключения, гласит, что группа будет демонстрировать очевидное сознание только тогда, когда ее phi будет "максимальным". Иными словами, уровень ее сознания в целом должен быть выше, чем у любой из отдельных ее частей, и одновременно превосходить степень сознания любой системы, частью которой она является. К примеру, микросознанием могут обладать любые части человеческого мозга. Но когда одна из групп повышает уровень сознания, например, когда человека выводят из наркоза, микросознание утрачивается. Согласно теории интегрированной информации, только в системе с максимальным значением phi формируется сознание, которое воспринимается нами как опыт.
Эта идея получила довольно широкое распространение в научных кругах практически сразу после того, как Тонони ее предложил. " С теоретической точки зрения она весьма привлекательна", - говорит Дэниел Бор из Кембриджского университета. "У нас есть ассоциация между сознанием и интеллектом: организмы, способные узнавать себя в зеркале, также кажутся самыми разумными. Так что наличие некоторой связи между сознанием и интеллектом кажется вполне обоснованным". А интеллект взаимосвязан со сбором и обработкой информации. "Поэтому можно сделать вывод, что сознание каким-то образом связано с обработкой и интеграцией информации, - утверждает Бор.
Моделирования показало, что Вселенная может обладать сознанием. - "Частицы или другие базовые сущности могут обладать элементарными формами сознания, которые в совокупности создают наше собственное", - уверена философ-исследователь Хедда Хассель Мёрч.
Все это выглядит вполне логично, учитывая то, что нам сегодня известно о сознании и человеческом мозге. Например, оно нарушается при повреждении коры головного мозга. В этой области относительно небольшое количество высокосвязанных нейронов, и, согласно ТИИ, она должна обладать самым высоким показателем phi. С другой стороны, в мозжечке гораздо больше нейронов, но они практически не связаны между собой. В соответствии с IIT повреждение мозжечка не окажет большого влияния на формирование сознательного опыта, что, собственно, и демонстрируют исследования.
Однако в некоторых нюансах IIT не так убедительна. Например, при погружении человека в сон или под общим наркозом Phi, казалось бы, должен снижаться, но Педро Медиано, сотрудник лаборатории Бора в Кембриджском университете, и его коллеги показали, что это не так. "Удивительно, но Phi либо повышается, либо остается неизменным", - говорит Бор.
И объяснить, почему информационный поток порождает такое переживание, как запах кофе, довольно проблематично. В IIT сознательный опыт рассматривается как результат "концептуальных структур", которые формируются благодаря упорядоченности частей соответствующей системы, но многие ученые находят это объяснение запутанным и неудовлетворительным.
К числу противников IIT относится и американский философ Джон Серл. Он утверждает, что в этой концепции игнорируются вопросы о том, почему и как зарождается сознание, в пользу весьма неоднозначного предположения о том, что оно является простым побочным продуктом существования информации. По этой причине, пишет он, теория интегрированной информации "не выглядит серьезным научным проектом".
Пожалуй, самые серьезные критические замечания в адрес IIT как к математической теории касаются отсутствия ясности в отношении лежащих в ее основе количественных показателей. Когда дело доходит до вычисления значения phi для столь сложной системы, как человеческий мозг, IIT предлагает совершенно нереальный алгоритм действий, что признает даже Тонони.
"Сегодня значение phi для целого мозга рассчитать довольно сложно, - говорит Талл. Ну, насчет "довольно сложное" это мягко сказано. Исследователи выяснили, что вычисление phi для 86 миллиардов нейронов человеческого мозга с помощью существующих технологий займет больше времени, чем возраст Вселенной. Бор выяснил, что для расчета phi для 302 нейронов мозга нематодного червя потребуется 5 × 10 в 79 степени лет на обычном персональном компьютере.
К центру нашей Галактики на скорости 400 км/с приближается сфероидальный звездный кластер
А когда вы пытаетесь вычислить phi для объектов, от которых вы ну никак не ожидаете сознания, то получаете весьма странные результаты. Скотт Ааронсон, физик-теоретик из Техасского университета в Остине, например, поначалу был в восторге от теории, которую он назвал "серьезной и честной попыткой" выяснить, как с помощью здравого смысла можно получить ответ на вопрос о том, какие физические системы обладают сознанием. А затем он приступил к ее проверке.
Ааронсон взял за основу принципы IIT и использовал их при расчете phi для математического объекта, называемого матрицей Вандермонда. Матрица Вандермонда представляет собой частный случай альтернативной матрицы, состоящей из чисел, значения которых взаимосвязаны. Она может быть использованы для построения схемы, известной как код Рида-Соломона. Это недвоичные циклические коды позволяющие исправлять ошибки в блоках данных, считываемых с цифровых носителей, таких как CD и DVD. Он обнаружил, что достаточно крупные цепи Рида- Соломона обладают колоссальным значением phi. Более того, такие схемы при достаточном масштабировании могут оказаться гораздо более "разумными", чем человек.
Та же проблема характерна и для других механизмов обработки информации, считает Ааронсон: вы можете иметь интегрированную информацию с очень высоким значением phi. Но она не приведет ни к чему, что можно было бы назвать сознанием. Он пришел к выводу, что IIT неизбежно предсказывает наличие огромного количества сознания в физических системах, которые ни один здравомыслящий человек никогда не назовет "разумными".
Но в отличие от Ааронсона, не все видят в этом препятствие. По мнению Кляйнера, это просто следствие "звериной природы": нам не хватает информации, потому что любые попытки проанализировать сознание полагаются на личные наблюдения и интуицию. "Мы не способны получать сообщения от матриц", - говорит он. "В этом и заключается проблема".
Но вместо того, чтобы отказываться от перспективной модели, нам следует уточнить и упростить математику, лежащую в ее основе, считает он. Именно поэтому они с Туллом попытались сформулировать необходимые математические "ингредиенты" IIT, разделив их на три составляющие. Первое — это набор физических систем, которые кодируют информацию. Далее - различные варианты проявления или "пространства" сознания. И наконец, - базовые строительные блоки, которые связывают их между собой: "репертуары" причины и следствия.
Недавно они опубликовали научную статью, в котором показали, как эти компоненты можно объединить так, чтобы получить логически последовательный способ применения алгоритма IIT для вычисления phi. "Теперь, когда основная идея сформулирована достаточно четко, технические проблемы исчезнут сами собой", - говорит Клейнер.
Они надеются, что теперь на базе принципов IIT ученые смогут построить более эффективные модели сознания - или, что еще лучше, создать конкурирующие теории. "Мы будем рады внести свой вклад в дальнейшее развитие теории интегрированной информации. Но мы также надеемся оказать помощь в улучшении и обсуждении других существующих моделей", - говорит Клейнер. "В конце концов, мы можем предложить новые варианты".
Теория прогнозирующего кодирования рассматривает мозг как машину предсказаний, способную предугадывать сенсорные сигналы, что позволяет ему работать максимально эффективно. Согласно этой идее, то, что мы осознанно переживаем, включая наше самоощущение, как правило, основано на наших ожиданиях, а не на том, что происходит на самом деле
Одним из следствий этого эксперимента может стать пересмотр концепции, возникшей в результате применения IIT к схемам в виде решетки, о том, что неживая материя способна обладать сознанием. Такое утверждение обычно отвергается с ходу, поскольку оно равносильно "панпсихизму" - философской точке зрения, согласно которой сознание является фундаментальным свойством любой материи. Но вдруг в ней действительно что-то кроется?
Разумеется, никто не говорит, что у фундаментальных частиц есть чувства. Но сторонники панпсихизма считают, что они могут обладать неким подобием сознания, пусть и фрагментарным, которое в совокупности может породить различные уровни разума, присущие птицам, шимпанзе или людям. "Частицы или другие базовые физические сущности могут обладать простыми формами сознания, которые носят фундаментальный характер. А сложное сознание человека и животных формируется или возникает на их основе", - уверена Хедда Хассель Мёрч из Университета прикладных наук Внутренней Норвегии в Лиллехаммере.
Идею о том, что электроны могут обладать сознанием в той или иной форме, трудно принять, но приверженцы панпсихизма утверждают, что это единственный правдоподобный способ решения сложной проблемы. Они считают, что вместо того, чтобы пытаться объяснить сознание с точки зрения несознательных элементов, мы должны задаться вопросом, как рудиментарные формы сознания объединяются, чтобы породить сложный опыт, присущий человеку.
Принимая это во внимание, Мёрч считает, что IIT — это, по крайней мере, хорошая отправная точка. В целом подход, анализирующий перспективу от первого лица с точки зрения того, каким образом мы воспринимаем информацию, когда определенные области мозга становятся активными, и использующий это для разработки ограничений на то, каким может быть ее физический коррелят, "вероятно, верен", говорит она. И хотя в нынешней формулировке IIT не позволяет однозначно заявить, что абсолютно все обладает сознанием - ведь, согласно теории, сознание возникает в сетях, а не в отдельных компонентах, - вполне возможно, что доработанная версия сможет это сделать. "Я думаю, что основные идеи, лежащие в основе IIT, полностью совместимы с принципами панпсихизма, - рассуждает Клейнер.
Возможно, это также согласуется с другими признаками того, что взаимосвязь между нашим сознанием и Вселенной может быть не такой уж простой, как мы себе представляем. Возьмем, к примеру, проблему измерения в квантовой механике. Квантовая теория, описывающая основные типы взаимодействия материи, гласит, что квантовый объект, в один и тот же момент времени, может иметь множество различных значений, заключенных в математическую форму, называемую волновой функцией. Так как же свести все эти многочисленные параметры к чему-то более конкретному и "реальному"? Одна из точек зрения заключается в том, что это делает наше сознание, что означает, что мы живем в том, что физик Джон Уилер назвал "партисипативной вселенной ".
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной
Эта теория сталкивается со множеством проблем, и не в последнюю очередь с вопросом о том, что именно разрушилось до того, как развилось сознание. Жизнеспособная математическая модель сознания, допускающая, что оно является свойством материи, как минимум позволила бы решить эту проблему.
Кстати, математик Роджер Пенроуз из Оксфордского университета считает, что наше сознание в каком-то смысле и есть "причина существования Вселенной". В основе этого предположения лежит предчувствие, что квантовая теория несовершенна. Но если в этой идее и есть доля правды, то концепция IIT - в частности, ее постулат об исключении - предполагает, что информационные потоки между различными слоями вселенского контента способны генерировать различные виды сознания, которые развиваются и текут в зависимости от того, что именно происходит в каждый конкретный момент времени. Эволюция нашего сознания могла, выражаясь языком IIT, "исключить" или изолировать сознание Вселенной.
А может быть, и нет. Есть все основания по-прежнему сохранять скептицизм в отношении возможностей математики объяснить мыслительные процессы, не говоря уже о последствиях этого для нашего понимания физики. По мнению Фила Магуайра, компьютерного эксперта из Университета Майноут в Ирландии, мы имеем дело с чем-то настолько сложным, что даже с помощью математики это невозможно объяснить. "Разбивка когнитивных процессов на составляющие настолько сложна, что не представляется возможной", - говорит он.
Другие выражают сомнения в том, что математика способна справиться с этой задачей даже в принципе. "Я думаю, математика может помочь нам понять нейронную основу сознания в мозге и, возможно, даже машинный интеллект, но она не сможет оценить ощущаемое качество внутреннего опыта", - говорит Сьюзан Шнайдер, философ и когнитолог из Университета Коннектикута.
Филип Гофф, философ из Даремского университета (Великобритания) и активный сторонник панпсихизма, придерживается аналогичной точки зрения. Сознание имеет дело с физическими явлениями в терминах их воспринимаемых качеств, отмечает он, - например, запах кофе или вкус мяты, — это невозможно передать в чисто количественных рамках объективности. "При изучении сознания нам нужно нечто большее, чем стандартные научные инструменты наблюдения и математики", - говорит Гофф.
Но Клейнера это не смущает. Он продолжает разрабатывать математическую модель, которая сможет описывать непередаваемые эмоции и личные переживания. В настоящее время она проходит экспертную оценку. И даже если она не сработает, говорит он, то сработает что-нибудь другое: "Я полностью убежден, что математика в сочетании с экспериментами и философией поможет нам продвинуться гораздо дальше в раскрытии тайн нашего сознания".
"Сознание Вселенной могло "изолироваться" от нас в процессе эволюции нашего собственного сознания", - считают ученые.
Модели опыта
Существует огромное количество моделей происхождения сознания. Вот четыре наиболее интересные из них
Теория интегрированной информации
Утверждает, что сознание возникает благодаря тому, как информация перемещается между различными областями мозга или различными сегментами любой системы. Она позволяет измерить сознание путем количественной оценки того, насколько хорошо система интегрирует информацию.
Теория глобального рабочего пространства
Это нейробиологическая гипотеза, согласно которой, сознание формируется в тот момент, когда одна часть мозга передает информацию другим. Если префронтальная кора "решает", что поступающая информация достаточно важна, она посылает сообщение в более широкую структуру, известную как "глобальное рабочее пространство" - место, где формируется опыт.
Теория схемы внимания
Отвергает предположение о том, что сознание — это некий "призрак в машине", и предлагает механистическое объяснение: оно является продуктом того, как мозг моделирует свое внимание, как к внешнему миру, так и к своим внутренним переживаниям.
Теория прогнозирующего кодирования
Суть этой концепции заключается в том, что головной мозг — это машина предсказаний способная предугадывать сенсорные сигналы, для достижения максимальной производительности. Идея заключается в том, что наши сознательные переживания, включая самоощущение, часто основаны на том, что мы ожидаем, а не на том, что происходит на самом деле.
