Сколько может запомнить человек?
Есть ли пределы емкости у человеческой памяти и каковы они? Ответ на этот вопрос во многом будет зависеть от того, говорим ли мы о конкретном человеке или человечестве вообще. Дело в том, что люди очень отличаются по возможностям своей памяти, и во многом эти различия определяются нашими генами [24]. Считается, что ресурсы нашей памяти на 50–70 % связаны с наследственностью: если человеку достались неудачные гены, его возможности улучшить память далеко не безграничны.
Если мы что-то знали, но забыли, во второй раз будет проще и быстрее это выучить.
Тем не менее память можно тренировать: мнемонические техники и упорные тренировки (особенно помноженные на хорошую наследственность) порой дают поистине невероятные результаты. Люди дошли до того, что соревнуются друг с другом в запоминании информации. Такие соревнования распространились в конце XX века; в 1991 году прошел первый чемпионат мира по запоминанию, и с тех пор такие соревнования проводятся ежегодно. Как и во многих молодых видах спорта, участники таких соревнований стремительно бьют рекорды: победители смогли запомнить за 15 минут 1168 цифр, 809 абстрактных картинок и 335 случайных слов [25]. Рекорд по количеству знаков числа π, которые смог запомнить человек, на сегодняшний день принадлежит японцу Акире Харагучи: он смог запомнить 111 700 знаков (!) [26].
А еще в мире существуют уникумы, которым феноменальная память дана от рождения. Такие люди могут отличаться в том, что именно они способны запоминать лучше всего, но объединяет их способность быстро и точно воспроизвести огромные объемы информации спустя дни, недели и годы после того, как они ее запомнили. Большинство людей с феноменальной памятью – саванты: они испытывают трудности при общении с другими людьми на фоне нарушений развития головного мозга[41].
Память можно тренировать, но изначально ее ресурсы ограничены набором унаследованных генов.
Люди, обладающие экстраординарной памятью без расстройств аутистического спектра, встречаются крайне редко, однако они тоже не особо рады своему дару. Обычно они жалуются на то, что их буквально накрывает флешбэками[42], стоит им увидеть что-то, вызывающее в памяти те или иные события, даже если они произошли много лет назад, и такой поток воспоминаний почти невозможно остановить [16]. Феноменальная память, доставшаяся человеку, способна осложнить ему жизнь: такие люди могут вспомнить любой день своей жизни в мельчайших подробностях, но испытывают большие проблемы с тем, чтобы анализировать полученную информацию, делать на ее основе выводы и обобщения и принимать решения. Абсолютную память сложно назвать хорошей штукой, когда дело доходит до того, чтобы эффективно ею пользоваться.
Глава 16Почему забывать важно?
Надо сказать, что мозг развивался в ходе эволюции вовсе не как устройство для хранения данных, а как система управления поведением, способная обеспечить выживание и продолжение рода. Главная задача мозга – постоянно анализировать поступающую информацию, чтобы решить, как дальше действовать, а затем отследить, к чему это привело. Память о том, что произошло в прошлом, может быть очень полезна, когда мы вновь предстаем перед проблемой выбора.
Мозг постоянно анализирует поступающую информацию, для этого ему важно уметь помнить… и забывать.
Проблема в том, что не все детали произошедшего в нашем прошлом одинаково полезны. Скажем, человеку предлагают взять на себя новую срочную задачу и ему нужно немедленно дать ответ. В такой ситуации очень кстати будет вспомнить о том, чем закончились прошлые похожие случаи – благодарностью от руководства или тем, что исполнителя в итоге сделали крайним и свалили на него все шишки. Но, чтобы определиться с ответом, бесполезно вспоминать, какое число было тогда на календаре или какая погода была за окном.
Мы живем в мире, который сочетает в себе порядок и хаос, предсказуемость и непредсказуемость. Даже довольно стандартные события никогда во всех деталях не повторяют прошлое (если, конечно, мы не в фильме «День сурка»).
Если день за днем какие-то ситуации повторяются, полезно держать в голове аспекты, отличающиеся постоянством, и не обращать внимания на те, что каждый раз меняются: скажем, помнить, что за зимой придет весна, полезно, а о том, что в прошлом и позапрошлом году 7 апреля температура была +8, довольно бессмысленно.
Память должна быть устойчивой, когда дело доходит до вещей, способных влиять на нашу жизнь в будущем. Память должна быть меняющейся и быстротечной, когда разговор заходит о тех особенностях нашего опыта, которые вряд ли когда-то повторятся и не смогут хоть как-нибудь повлиять на нашу жизнь. Мы должны постоянно адаптироваться к миру вокруг, учитывая условия, в которых действуем сейчас, и те, что существовали в нашем прошлом.
Гиппокамп и связанная с ним система, отвечающая за память, должны сочетать одновременно стабильность и гибкость, чтобы эффективно работать и быть полезными как в очень стандартных, так и в самых необычных ситуациях, которые могут нам встретиться. В некоторых случаях полезно хранить в памяти подробности того, что и в каком порядке происходило, в других достаточно вывести закономерность и придерживаться определенных правил и процедур, чтобы не возникало лишних проблем. Иногда хорошо просто не забывать о том, что до сих пор, преодолевая трудности, мы полагались на собственные стойкость и оптимизм и это помогало справиться с испытаниями и не опустить руки. Или, например, вспомнить, что мир изменчив, и в нынешних условиях разумнее подождать, пока представится возможность сделать что-то, что от нас зависит.
Со временем наш мозг упрощает воспоминания, оставляя только самые важные, существенные моменты.
Ежедневно мозг пропускает через себя тонны информации, отбирая из песков повседневных впечатлений крупицы бесценного опыта, который может пригодиться в будущем. Память – это иерархическая и очень гибкая система, поддерживающая достаточно прочную сеть наших знаний о мире, позволяя ей меняться, если жизненные обстоятельства этого потребуют.
Гиппокамп развивался прежде всего как навигационная система, которая позволяла животному изучить среду своего обитания и без проблем перемещаться от одного значимого места к другому, избегая тех участков, где может таиться угроза. Оптимальная стратегия поведения – научиться предсказывать то, что, скорее всего, может произойти в том или ином уголке нашего мира, с учетом всех известных обстоятельств.
Упрощение того, что мы помним, связано не столько с ограниченной емкостью нашей памяти – как показывает практика, емкость человеческой памяти может быть совершенно фантастической. Упрощение – необходимое условие для адаптивной памяти. Опуская лишние подробности, мы можем эффективнее пользоваться воспоминаниями просто потому, что упрощенные схемы помогают лучше прогнозировать, выделяя самую важную информацию из прошлого, чтобы предугадать, что может и чего не может произойти в будущем.
Когнитивная карта, которую выстраивает наш мозг, нужна, чтобы предугадать, что ожидает нас за углом (или в завтрашнем дне). Память помогает сохранять события нашей жизни, действия и их последствия, места, где нам бывает особенно хорошо или плохо, нанося обстоятельства, последовательность событий, наши горькие или радостные выводы, принципы и убеждения, маршрут нашей жизни на мысленную карту представлений о том, как устроен мир. Память – то, что связывает прошлое с будущим, продлевая тот миг, в котором мы живем и действуем прямо сейчас.
Что происходит с мозгом, когда…
Глава 17Что происходит в мозге, когда он ничем не занят
Может показаться, что я ничего не делаю, но на клеточном уровне я очень занят!
Что происходит, когда мы ничем не заняты? На первый взгляд, ничего особенного. Примерно как в детском стишке: «Кто на лавочке сидел, кто на улицу глядел, Толя пел, Борис молчал, Николай ногой качал». Ничего особенного не происходит – ни снаружи, ни внутри. Что интересного может быть в таком необычно простом вопросе и ответе на него?
Оказывается, и в самом вопросе, и в ответе кроется много любопытного. Так часто бывает в науке. До XIX века никто не задавался вопросом о том, почему параллельные прямые не пересекаются и сколько их проходит через точку в пространстве: математики не сомневались, что только одна. А в XIX веке Николай Лобачевский задумался, так ли уж однозначен ответ на этот вопрос, и создал первую неевклидову геометрию. Точно так же ответ на вопрос о том, что происходит в мозге, когда человек ничем не занят и предоставлен сам себе, открывает новое измерение в работе нашего мозга – существование разных функциональных сетей и режимов работы мозга. Но обо всем по порядку.
В разное время, в зависимости от стадии технического прогресса, мозг сравнивали с поршневым двигателем, телеграфом и компьютером.
А что, так можно было?
Начнем с вопроса. Вообще говоря, вопрос о занятиях мозга, когда он ничем не занят, только на первый взгляд кажется простым. Такие, казалось бы, тривиальные вопросы часто имеют схожую судьбу: до поры до времени их никто не задает, а потом находится ученый, который вдруг всерьез интересуется тем, что стоит за таким вопросом. Так ли уж верны наши текущие представления об устройстве вещей? Что, если ответ на вопрос не так прост, как кажется? Так было со многими важнейшими научными теориями – теорией эволюции Дарвина, геометрией Лобачевского, с теорией относительности Эйнштейна. Ответ на вопрос о занятиях мозга положил начало удивительным открытиям, и вполне возможно, что многое еще только предстоит открыть.
Нейробиология – очень молодая наука, а мозг – очень сложный орган. Мы до сих пор знаем о его работе не так уж и много. Есть любопытная теория: то, как ученые описывают мозг, зависит от того, насколько у них сложные представления о мире. Чем выше технологический уровень и сложнее устройства, которые человек в состоянии создать, тем сложнее теории, придумываемые людьми, чтобы объяснить мышление [1].
В древности люди описывали устройство человека, руководствуясь гончарным ремеслом (и библейскими текстами): человек создан богом из глины, и от глины его отличает душа, или дух, который и есть основа нашей личности и психики. С появлением первых гидравлических механизмов появилась теория о том, что поведением человека управляют гуморальные жидкости, определяющие его темперамент (наверное, выражение «моча в голову ударила» дошло до нас как раз из тех времен). Когда люди придумали паровые машины, возобладала новая идея: мозг устроен как сложный поршневой механизм, в котором поршни и пружины приводят в действие мышцы, – таким образом мозг реагирует на те или иные воздействия. В середине XIX века Герман фон Гельмгольц[43] сравнил работу мозга с работой телеграфа – новейшего изобретения той эпохи, позволяющего людям передавать сообщения на сотни километров за считаные минуты. Когда люди разработали первые компьютеры – мощные вычислительные машины, способные проводить расчеты, выполнять различные программы, записывать и хранить нужные файлы на жестком диске, – возникла и быстро стала популярной новая метафора устройства мозга: мозг – это очень сложный (и миниатюрный) компьютер.
Есть очень важное отличие мозга от компьютера: первый все время чем-то занят. Даже когда не занят ничем.
Эта метафора завоевала умы ученых: большинство современных проблем работы мозга описываются в тех же терминах, применимых и в информатике. Как происходит обработка сигналов? Как мозг кодирует информацию? Где и в каком виде хранятся воспоминания – как они формируются и извлекаются из памяти? Какова емкость кратковременной и долговременной памяти?
Каждая из метафор работы мозга, приходивших на смену друг другу, отражает самые передовые технологии, которые были доступны человечеству. Однако любая из них исключает вопрос о том, что происходит с мозгом, когда он ничем не занят: ни гидравлический аппарат, ни механизм, ни телеграф, ни компьютер не имеют никакой особой внутренней деятельности; вся их активность сводится к тому, что необходимо для решения той или иной задачи, а все остальное время любой из этих приборов просто простаивает без дела, безжизненный, пассивный и пустой.
Нейробиологи и психологи по-разному смотрят на то, что и каким образом можно изучать в голове человека. Психологи изучают психику – то есть внутренний мир человека, его мысли, чувства и установки. Нейробиологи смотрят на устройство внутреннего мира человека в основном с материалистических позиций: за какие процессы отвечают отдельные зоны мозга, что в них происходит и как это можно проверить. Тем не менее мозг и психика настолько сложно устроены, что невозможно изучать сразу все, что там происходит, – приходится выбирать что-то одно, чтобы разобраться в деталях происходящего и хоть что-нибудь понять.
Как изучать происходящее в мозге: найди десять отличий
Когда мы ищем ответ на вопрос, чем занят мозг, проблема кроется не только в метафорах. Сами по себе исследования мозга – очень непростое занятие, можно сказать, целое искусство. В самом деле, каким образом можно подступиться к тому, как работает мозг, имея не слишком-то продвинутые инструменты, а именно такими располагали ученые на протяжении почти всего XX века[44].
Если говорить об исследованиях работы мозга у здоровых людей, то до 70-х годов ХХ века чуть ли не единственным методом изучения оставалась электроэнцефалограмма – запись слабых электрических токов с поверхности головы. Запись электроэнцефалограммы для неспециалиста выглядит довольно запутанно: это множество хаотических колебаний разной амплитуды, где мелкая рябь высокочастотных вибраций располагается на поверхности все более крупных низкочастотных волн. Она напоминает скорее шум, чем осмысленные сигналы, и в ней невозможно различить активность отдельных нейронов – только больших и слаженно работающих популяций. На ЭЭГ мы видим какофонию из множества одновременных сигналов и можем распознать только очень заметные события, затрагивающие тысячи клеток, расположенных рядом друг с другом и вблизи поверхности мозга. То есть, чтобы что-то различить на ЭЭГ, нужно, чтобы одновременно выполнялось несколько важных условий – вся остальная активность в мозге скрыта от исследователя, изучающего ЭЭГ.
Скажем, мы хотим узнать, как прослушивание музыки влияет на ЭЭГ. Для этого недостаточно записать электрическую активность с поверхности головы, пока играет музыка: мозг – орган с очень насыщенной внутренней жизнью, и даже очень заметные внешние стимулы влияют на его электрическую активность лишь в незначительной степени. Сигналы, регистрируемые с поверхности мозга, будут связаны не только с музыкой: в мозге одновременно происходит множество самых разнообразных процессов – некоторые из них, похоже, генерируются самой нервной системой независимо от внешних сигналов.
Чтобы выяснить, каким образом именно прослушивание музыки влияет на ЭЭГ, мы можем применить два подхода: либо сравнить записи ЭЭГ у одного человека в тишине и пока играет музыка, либо записать ЭЭГ у множества людей, которые слушают одну и ту же композицию, и усреднить их. В идеале стоит применить оба подхода и записать ЭЭГ многих людей – в тишине и когда играет музыка. В обоих случаях мы пытаемся изолировать эффект музыки от всей остальной активности на ЭЭГ, которая нам в этот раз не важна и которой мы пренебрегаем. Если мы исследуем, как музыка влияет на работу мозга, нам не важно, что еще происходит в мозге помимо восприятия музыки, поэтому берем две группы записей ЭЭГ и просто ищем отличия между ними, а все остальные сигналы на записи относим к бессмысленному (для нашей задачи) шуму, от которого лучше избавиться.
Нельзя заставить мозг заниматься лишь только одним делом, он все равно будет решать одновременно множество задач.
Такой подход к изучению активности мозга оказался очень продуктивным: было описано множество вызванных потенциалов – специфических изменений в ЭЭГ в ответ на различные стимулы. Такие потенциалы возникают в ответ на зрительные, слуховые или тактильные стимулы и могут многое рассказать специалисту – например, о нарушениях работы мозга. А еще оказалось, что существуют потенциалы, возникающие за секунду до того, как человек начнет двигаться – они регистрируются еще перед тем, как человек решил выполнить движение, – и это породило ожесточенные дискуссии о том, есть ли у человека свобода воли. Есть и специфические потенциалы, связанные с мыслительными процессами: например, исследователь может увидеть изменения на ЭЭГ, когда человек осознал ошибку или когда его ожидания были нарушены (скажем, он ожидал, что загорится зеленая лампочка, а загорелась красная или синяя).
Проблема в том, что всей остальной активностью на ЭЭГ в этом случае мы просто пренебрегаем. Задача отчасти напоминает игру «Найди десять отличий» – вот только ученые ищут значимый сигнал, как бы накладывая одно изображение на другое и пытаясь отыскать те участки, где линии не совпадают. При этом ученые, конечно же, работают не с картинками, а со сложными данными, которые еще требуют интерпретации: представьте, что перед вами не сама картинка, а компьютерный код, где каким-то (непонятным нам) образом закодировано цветовое значение каждого пикселя. Чтобы обнаружить, что изменилось от файла 1 к файлу 2, мы просто пренебрегаем всей той информацией, которая совпадает между двумя файлами, и смотрим только на те данные, где между ними есть отличия. Мы не знаем, что на картинке, а просто ищем участки записи, связанные с нашим экспериментом, которые меняются при изменении условий (громкость музыки, темп, жанр и т. п.). Ученые нечасто задумываются о том, что осталось за бортом в результате кропотливого поиска отличий между состояниями: в рутинной деятельности исследователя, озабоченного отличиями, все остальные данные – всего лишь шум, который надо отфильтровать, чтобы найти значимую информацию – несовпадения в данных.
Изучая конкретное явление, влияющее на мозг, ученые пренебрегают отражением его активности, не связанной с этим явлением.
Когда мы очень увлечены мелочами, нам довольно тяжело ухватить общую картину и составить целостное впечатление: работа нейробиолога в основном состоит в поиске и описании таких мелочей. В итоге многие ученые придерживаются позиции, что все, что нельзя интерпретировать в контексте различий, – это не более чем бессмысленный шум. Получается как у кошки из стихов Маршака[45]: все, кроме мышки на ковре, проходит мимо внимания, даже если ты оказываешься в королевских чертогах – все остальное просто не соответствует жизненному опыту, взглядам и имеющимся инструментам, с помощью которых взаимодействует с миром кошка (или нейробиолог).
Пора заглянуть внутрь: что же происходит в мозге, когда мы ничем не заняты?
С приходом и развитием томографии появилась возможность заглянуть внутрь черепа и увидеть наконец мозг живого (и здорового) человека. Впервые в распоряжении ученых появился метод, с помощью которого можно разглядеть отдельные борозды и извилины, волокна и скопления серого вещества глубоко внутри головного мозга, и все это не требовало проведения опасных хирургических манипуляций для вскрытия черепной коробки и рассечения нервных тканей.
Вслед за магнитно-резонансной томографией (МРТ), позволяющей получать четкие трехмерные изображения структур головного мозга, появилась ее модификация – функциональная МРТ (фМРТ), которая оценивает, насколько меняется кровоток в разных участках мозга прямо в процессе восприятия и мышления. Когда какой-либо участок мозга активно работает, расположенные там нейроны потребляют много кислорода и нуждаются в активном кровоснабжении. Технология фМРТ позволяет оценить, как меняется насыщение крови кислородом, и таким образом сравнить изменение активности отдельных зон мозга, когда человеку дают разные задания, которые можно выполнить, лежа в томографе. Наконец-то ученые могли (почти вживую) наблюдать за тем, что происходит в мозге здорового человека, и отслеживать, как разгорается и гаснет активность в разных зонах мозга, пока человек в томографе смотрит на картинки, слушает музыку, проводит вычисления в уме или пытается припомнить, что ел вчера на завтрак.
Функциональная МРТ позволила увидеть, чем отличается «базовая активность» мозга от вызванной активности.
Первые экспериментаторы, использующие фМРТ для изучения работы мозга, исходили из подхода чистой прибавки [2]. В основе лежит довольно простая идея: любую деятельность мозга можно описать как вызванную активность, которая будет заметно выделяться на фоне постоянно идущей базовой активности. Фактически ученые представляли базовый уровень как нечто похожее на режим ожидания, от которого можно «отмерять» интересующие ученых мыслительные процессы.
Далее из концепции чистой прибавки следует, что если мы сталкиваемся с какой-то задачей, то дополнительно к базовому уровню мозг подключает отделы, отвечающие за тот или иной процесс в мозге. В зависимости от типа задачи мозг задействует разные компоненты нервной деятельности – зрительные или слуховые зоны, ресурсы рабочей памяти, способности к пространственному, логическому или абстрактному мышлению и т. п. – все зависит от того, из каких компонентов состоит задача.
Общая томографическая картина работающего мозга при таком подходе напоминает пиццу по индивидуальному рецепту: то, что вы получите, складывается из обязательной основы (лепешка и томатный соус) и дополнительных ингредиентов, каждый из которых добавляет какие-то оттенки вкуса готовой пицце (и прибавляется к итоговой сумме заказа). Концепция чистой прибавки говорит, что любой мыслительный процесс можно разложить на отдельные ингредиенты.
Примерно как гавайская пицца состоит из разложенных на лепешке ананасов, ветчины и курицы, так и любую задачу на восприятие и мышление можно разложить на отдельные ингредиенты, где каждый участок мозга делает что-то свое.
Где-то нейроны оценивают форму объекта, в отделах по соседству определяют цвет фигуры, неподалеку прикидывают, движется фигура или нет, при этом отдельно оценивают поворот вокруг своей оси, отдельно – перемещение объекта относительно фона. Чтобы понять, какие участки мозга подключены, нужно просто сравнить фоновую активность (основу) с активностью в ответ на задание (ингредиенты поверх основы) и затем вычесть одно из другого.
Если нужно выделить в задаче один-единственный компонент, мы сравниваем две задачи – они должны быть идентичны во всем, кроме этого компонента. Скажем, мы хотим понять, где в мозге происходит различение цветов. Тогда в первой задаче человеку говорят нажимать на кнопку, когда зажжется лампочка, а во второй просят нажать, только если загорается лампочка зеленого света. Различия на двух томограммах можно отнести на счет различения цветов. Предполагается, что, добавляя к задаче один новый компонент, мы точно так же добавляем к работе мозга один новый компонент, ничего больше не меняя; мозг решает обе задачи одинаково, за исключением нюанса с цветом лампочки. Таким образом, контроль в фМРТ-исследованиях представлял собой точно такую же задачу с одним-единственным отличием. О том, что происходит в мозге, когда он не решает никакую задачу, исследователи задумывались редко.
Наглядное изображение того, сколько энергии тратит мозг в состоянии покоя
Все изменилось в самом начале XXI века. Маркус Рэйкл стал одним из первооткрывателей и исследователей особого режима работы мозга. В лаборатории, где он работал, перед контрольной задачей всегда записывали активность мозга в состоянии покоя: это пошло еще с тех времен, когда там анализировали реакции мозга на простейшие стимулы вроде геометрических фигур или вспышек света. Контролем в этом случае было просто отсутствие всякого стимула. Так и повелось, что исследователи обязательно регистрировали работу мозга волонтеров, пока они лежали, ожидая начала эксперимента [3].
Когда исследователи начали сравнивать томограммы, полученные в покое и с различными заданиями, неожиданно оказалось, что нет никакого базового уровня, на который можно наложить активность в отделах мозга. Какую бы задачу ни брали ученые, в воображаемой основе обнаруживалось несколько «дырок» – всегда в одних и тех же местах. Это никак не укладывалось в рамки концепции чистой прибавки и возмутительным образом нарушало то, как ученые представляли себе работу мозга. Не важно, какое это было задание – зрительное, слуховое, на слова, на внимание, на арифметические расчеты, – в мозге всегда находились одни и те же зоны, которые отключались, а не подключались, стоило волонтеру переключиться на задание. «Дырки» на томограмме означали и прорехи в существующих научных знаниях о работе мозга.
Субъективно кажется, что это два очень разных состояния – когда мы бездельничаем и когда мы напряженно работаем, обдумываем сложный материал, проводим вычисления в уме или пытаемся запомнить новую информацию. В первом случае мы прохлаждаемся и «проветриваем» мозг, а во втором он рано или поздно «вскипает» и голова вот-вот лопнет от перенапряжения.
Удивительно, но, если рассчитать потребление энергии отдыхающим и интенсивно работающим мозгом, разница едва ли составит 5 %! Различие в умственном напряжении, кажущемся нам гигантским, образует лишь крошечную верхушку айсберга, а под водой кроется огромный массив скрытых от восприятия, но очень энергоемких процессов, о которых мы не догадываемся.
Вообще-то мозг – очень «прожорливый» орган и в покое тратит около 20 % всей энергии, которую мы расходуем. Когда же нам нужно как следует сосредоточиться и включить голову, энергопотребление мозга увеличивается с 20 до 21 % – прямо скажем, малозаметная разница.
Получается, что мозг потребляет чертову прорву энергии – в среднем в 10 раз больше, чем все другие органы и ткани в организме человека. Одна пятая всей энергии в спокойном состоянии идет на нужды мозга, даже если он ничем не занят, хотя весит мозг около 1,5 кг. На что же тратится эта энергия?
Самая очевидная догадка для ученого – энергия тратится в основном на ионный насос, чтобы поддерживать нейроны в состоянии боевой готовности. Эти насосы покрывают мембраны нейронов и постоянно откачивают из клетки натрий, а калий закачивают внутрь нее. На этой разнице электрических потенциалов и работает нейрон, при этом сам по себе нервный импульс проходит вдоль нервной клетки без затрат энергии, просто сокращая разницу между уровнем ионов внутри и снаружи.
Однако дело не в насосе и не в проведении нервных импульсов: по последним оценкам, для нейрона все это стоит недорого. Нейрон тратит от 60 до 80 % энергии, передавая сигналы другим нейронам, то есть большинство потребляемой мозгом энергии тратится в синапсах – местах контакта нервных клеток: там выделяются пузырьки с нейромедиаторами, которые запускают импульсы в следующей клетке. Закачать нейромедиатор в синаптические пузырьки, отправить их в синаптическую щель и затем как можно быстрее убрать нейромедиаторы из синапса, чтобы точно дозировать силу сигнала, – на это и тратится энергия, пока нейроны взаимодействуют друг с другом.
Биосинтез – еще одна статья расходов глюкозы, главного источника энергии для мозга. Мозгу необходимо восстанавливаться и перестраиваться, и для этого ему нужна не только энергия, но и «строительные материалы». В мозге взрослого человека около 12–15 % глюкозы идет на то, чтобы получить новые аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды – нервной ткани необходимо постоянно обновляться и перестраиваться. У младенцев таким образом расходуется около 30 % глюкозы в мозге, а у недоношенных детей этот показатель может доходить почти до 100 %!
Еще одна интересная деталь: вечером мозг потребляет существенно больше энергии, чем утром: митохондрии в нейронах усиливают активность почти на 20 %, а доля глюкозы, которая идет на перестройку нервной ткани, меняется с 11 % ранним утром до 19 % поздним вечером. Такие суточные колебания можно объяснить, если вспомнить, что больше всего энергии расходуется в синапсах. По мере накопления дневных впечатлений синапсы все активнее проводят сигналы и расходуют все больше энергии. Полученный опыт преобразуется затем в изменения связей между нейронами – это и есть нейропластичность [4].
Все приведенные выше факты не дают ответа на важный вопрос: почему организм готов платить за работу мозга такую цену? Это сейчас люди практически решили проблему голода, а на протяжении миллионов лет предки человека постоянно сталкивались с угрозой голодной смерти. Тем не менее пятая часть всего съеденного отправлялась на нужды мозга. Зачем нужна вся эта непрерывно идущая работа и что с этого получают люди?
Один из первооткрывателей дефолт-системы мозга Маркус Райхл считает, что мозг непрерывно занят построением внутренней модели окружающего мира, которая помогает мозгу предсказывать, что случится дальше, и подготовиться к грядущим событиям, используя этот прогноз. При этом лишь небольшая часть этой работы доступна для осознания. Но если прогнозы не сбываются, это непременно обращает на себя наше внимание. Жители крупных городов сталкиваются с этим, когда наступают на ступеньки неработающего эскалатора, и внезапно ощущают что-то вроде толчка: наш мозг ожидает, что эскалатор будет работать, и заранее компенсирует ускорение, которое организм испытывает, попадая на эскалатор. Обычно мы не ощущаем работу этого внутреннего механизма – до тех пор, пока прогноз совпадает с действительностью: наш мозг прекрасно справляется с такими задачами, не подключая сознание. Вполне возможно, что в глубине энергореактора, каковым служит наш мозг, идут и другие процессы, которые ученым еще только предстоит открыть [5].
Как устроена дефолт-система мозга
После того как ученые тщательно перепроверили все выкладки и результаты, провели множество дополнительных экспериментов с использованием разных техник, сомнений не осталось: в мозге есть участки, которые наиболее активны, когда человек ничем не занят, предоставлен сам себе и считает ворон[46], и снижают активность, стоит нам погрузиться в задачу. Эти зоны назвали сетью пассивного режима работы мозга, или дефолт-системой[47]. Концепция чистой прибавки оказалась несостоятельной: мышление – это нечто большее, чем арифметическая сумма процессов, на которые можно разбить задачу, и работа мозга устроена сложнее, чем представлялось до этого. В дополнение к зрительной, слуховой, сенсомоторной и другим системам, о которых ученым было известно, было обнаружено еще несколько важных функциональных систем, обеспечивавших разные режимы работы мозга. За следующие два десятилетия число работ, посвященных работе отдыхающего мозга, выросло лавинообразно, и сегодня в научных журналах выходят сотни работ[48], посвященных разным аспектам работы дефолт-системы мозга.
Дефолт-система мозга состоит из нескольких зон. В ней обнаруживаются крупные хабы – узлы, которые взаимодействуют между собой, одновременно координируя активность подконтрольных зон [7]. Спереди основной участок активности сосредоточен в медиальной префронтальной коре: это обширный участок в передней части лобной доли в глубине между правым и левым полушариями. Сзади центр активности тоже спрятан между полушариями в районе задней поясной коры. Кроме того, в состав сети входят участки, расположенные в срединной височной доле, – там расположен гиппокамп и несколько связанных с ним зон мозга, которые отвечают за ориентацию во времени и пространстве и формирование воспоминаний. Давайте попробуем разобраться, за что отвечают эти зоны и какое значение играет дефолт-система во внутренней психической жизни людей.
Разница по затратам энергии во время активной и «пассивной» работы мозга составляет всего 5 %!
Задняя поясная кора – это коммуникационный центр дефолт-системы. Этот участок еще относят к верхней части лимбической доли мозга (к нижней относят гиппокамп и окружающие его парагиппокампальную и зубчатую извилины, которые тоже сообщаются с дефолт-системой). Этот участок сообщается с несколькими системами мозга и считается важным для процессов осознания и непроизвольного внимания. У пациентов в состоянии наркоза и комы активность задней поясной коры снижена. Нейроны, расположенные здесь, активно общаются с участками мозга, отвечающими за воспоминания, а еще с зонами, связанными с эмоциями и социальным поведением. Считается, что задняя поясная кора получает информацию от органов чувств, сопоставляя ее с тем, что мы помним, и направляет непроизвольное внимание. Участок задней поясной коры потребляет довольно много энергии – ее оценивают по расходу кислорода и глюкозы в разных отделах мозга. Интенсивность кровотока здесь существенно выше, чем в среднем для тканей мозга. Это неудивительно для главного узла системы – считается, что она активна примерно половину времени, которое мы проводим не во сне [7]. Задняя поясная кора активируется в ответ на эмоциональные переживания независимо от того, приятные они или нет.
Как работает дефолт-система человеческого мозга
Задняя поясная кора контролирует один из двух хабов дефолт-системы, координирующих участки коры поблизости и зоны, расположенные рядом с гиппокампом, которые отвечают за память и пространственное мышление. В состав этого узла входит угловая извилина, которая соединяет внимание с пространственным мышлением и действиями, а еще помогает с извлечением эпизодических воспоминаний.
Интересно, что в работе этой подсистемы есть отчетливые суточные циклы: к вечеру, с накоплением дневных впечатлений, внутри сети усиливаются связи между височной корой и гиппокампом, который важен для формирования воспоминаний. Утром, после сна, связи с гиппокампом внутри дефолт-системы почти незаметны. Эти связи важны не только для автобиографических воспоминаний (когда нужно вспомнить, что и когда с нами происходило), но и для пространственного мышления и обучения. Соединения между задней поясной корой и гиппокампом влияют на то, как работает наша память.
Как я писала выше, задняя поясная кора реагирует на сильные переживания. Возможно, это объясняет, почему мы лучше запоминаем эмоциональные события – чем сильнее переживания, тем лучше произошедшее врежется в память.
Второй, передний центр дефолт-системы расположен внутри лобной доли – у человека эти участки созревают позднее других и отвечают за многие чисто человеческие качества: волю, самоконтроль, способность планировать действия и придерживаться этого плана. Здесь главным узлом считается медиальная префронтальная кора. Эта часть сети, по-видимому, отвечает за процессы, связанные с нашей концепцией «я». Медиальная префронтальная кора обрабатывает личную информацию и воспоминания, отвечает за самоощущение, саморефлексию и самооценку, планирование будущего и принятие решений. Эта зона вовлечена в социальное поведение, контроль настроения и мотивации, то есть влияет на личностные особенности человека. Она важна для социального мышления и поведения и откликается не только на мысли человека о самом себе, но и на размышления и переживания о значимых близких людях. Нижняя часть медиальной префронтальной зоны участвует в обработке позитивных эмоций, особенно когда деятельность человека вознаграждается тем, что ему ценно и важно.
Ученым до сих пор не до конца известно, зачем нужна дефолт-система мозга.
Нам до сих пор еще мало известно о том, для чего именно нужна дефолт-система мозга. На этот счет существует множество предположений разной степени обоснованности. По всей видимости, работа системы важна для обработки эмоционального состояния, процессов, связанных с самоосознанием и воспроизведением впечатлений и опыта человека. Некоторые ученые считают дефолт-систему основой для понимания себя и других. Считается, что именно здесь закладываются основы теории разума[49], или модели психики человека, – способности понимать намерения, объяснять и прогнозировать поступки и мотивы других людей. Предполагается, что эта способность критически важна для нормального общения с другими людьми, хотя все это не так-то просто оценить, когда человек лежит в томографе. Еще одно вероятное немаловажное назначение дефолт-системы – она может помогать человеку выстраивать личные смыслы на основе персонально значимой информации. Проще говоря, когда человек начинает анализировать жизненный опыт и личные качества, стараясь найти свое предназначение, без участия дефолт-системы мозга, похоже, не обходится [7].
Считается, что дефолт-система активна, когда человек погружен в себя. Если в ней наблюдается высокая активность, человеку проще вспоминать эпизоды своей биографии, но он хуже запоминает, что с ним происходит в этот конкретный момент. Некоторые ученые считают, что работа дефолт-системы мешает как следует сосредоточиться на задаче и ухудшает производительность труда, но в более широком контексте ее работа может быть очень полезна.
Люди погружаются в собственные мысли с поразительной частотой и постоянством. В одном из экспериментов добровольцы получали уведомления в случайные моменты времени; каждый раз им требовалось отметить, чем они сейчас заняты. Оказалось, что 30–50 % времени люди посвящают размышлениям, не связанным с их текущими занятиями. Мы постоянно отвлекаемся на собственные мысли и обычно недооцениваем время, которое на это уходит.
Одна из задач дефолт-системы мозга, по мнению ученых, состоит в обработке эмоционального состояния человека.
О чем же думают участники таких исследований? Обычно это то, что прямо сейчас имеет большое значение для них лично или же предметные мысли о собственном прошлом и будущем. Возможно, такие размышления помогают людям конструировать и проигрывать альтернативные сценарии своей жизни, пересматривать планы и (морально) готовиться к тем событиям, которые предстоят в ближайшем (или отдаленном) будущем. Вероятно также, что, размышляя о событиях текущего дня, мы помогаем мозгу выделить главное и структурировать информацию так, чтобы уложить в памяти наиболее значимые для нас события.
В опытах на животных выяснилось, что во время отдыха они проигрывают активность нейронов гиппокампа, которые помогают животному сориентироваться в лабиринте, и это позволяет крысам правильно выбирать направления в последующих испытаниях.
Некоторые исследователи видят пользу от работы дефолт-системы в гораздо более простых вещах: вполне возможно, что, отвлекаясь от насущной деятельности, человек подключает креативное мышление или может спланировать, чем будет заниматься дальше. Когда человеку предстоит решать сразу несколько задач, переключение внимания между ними может происходить через активность дефолт-системы. Кроме того, отвлекаясь, мы иногда просто спасаем себя от скуки. Чем скучнее занятие, тем чаще мы отвлекаемся на собственные мысли, при этом, похоже, время для нас течет чуть быстрее, и скучное занятие уже не представляется таким чудовищно бесконечным.
С появления термина «дефолт-система» прошло чуть менее 20 лет, и до сих пор в этой теме вопросов больше, чем ответов. Однако даже за этот небольшой по меркам научного знания срок ученым удалось выяснить о дефолт-системе довольно много любопытного.
Во-первых, работа этой системы мозга меняется при многих психологических и неврологических расстройствах – начиная от депрессии и посттравматического стрессового расстройства и заканчивая аутизмом, хроническими болями, шизофренией и болезнью Альцгеймера. Если можно сказать, что глаза – зеркало души, можно добавить, что дефолт-система – зеркало душевного здоровья. Слишком слабые связи между участками внутри сети, как и слишком сильные, говорят о том, что что-то не в порядке.
Разные клинические состояния по-разному меняют работу этой системы. Например, при аутизме, когда человеку сложно находить общий язык с другими людьми, связь между двумя центральными узлами (хабами) дефолт-системы тоже ослаблена. Чем тяжелее аутизм и хуже коммуникация с окружающими, тем слабее координация между медиальной префронтальной корой (мПФК) и задней поясной корой (зПК). С другой стороны, во время первого эпизода депрессии связность внутри системы, наоборот, излишне усиливается. Вероятно, так внутри мозга проявляется руминация (навязчивые мысли): люди постоянно пережевывают в голове одни и те же депрессивные мысли и идеи, зацикливаются на своем тяжелом состоянии и чувстве вины и не способны переключиться на что-то другое, например на поиск выхода из сложившейся ситуации.
Наши внутренние размышления и раздражители внешнего мира находятся в постоянном противодействии.
Все это говорит о том, что изменения внутри дефолт-системы отражают то, как люди воспринимают себя, других и происходящие в мире события. То, о чем люди думают, отражается и на том, в каком направлении обращены их мысли. Выяснилось, что люди, сталкивающиеся с негативом, чаще думают о прошлом, когда же человек размышляет о себе, он чаще сосредотачивается на будущем. Временная направленность размышлений, в свою очередь, влияет на баланс положительных и отрицательных мыслей: думы о прошлом чаще вызывают в памяти печальные события, а о будущем скорее приведут к более позитивным [7].
Задачи, которые решают волонтеры в томографе, не всегда ориентированы на внешние объекты. Иногда от участников требуется представить себе что-то, оценить собственную реакцию на тот или иной стимул или дать оценку происходящему. В таких задачах активность внутри дефолт-системы подавляется лишь отчасти или остается на том же уровне, что и в покое. Дефолт-система активно вовлекается в мышление, когда внимание участника направлено прежде всего не на внешние стимулы и их взаимодействие, а на какие-то аспекты внутреннего мира человека, которые требуют от него моральных суждений о собственном состоянии или мотивах других, опираются на его опыт в прошлом или задействуют его воображение и способности планировать или прогнозировать будущее.
Дефолт-система находится в противодействии с другой – дорсальной системой внимания: она активируется, когда решение новой задачи требует от человека сосредоточения на внешних стимулах. Взаимоотношения между этими системами можно описать метафорами: «погрузиться с головой в задачу» (дорсальная система внимания) – «погрузиться в себя» (дефолт-система мозга).
Стоит нам подумать о чем-то своем, и объем информации, которую мы воспринимаем извне, радикально снижается.
Когда нас что-то отвлекает вовне, мысленная текучка сразу останавливается (этим особенно хорошо умеют пользоваться родители маленьких детей, которые только что столкнулись с чем-то несправедливым и упоительно страдают, пока их внимание не отвлекут на птичку, собачку и что угодно еще – главное, чтобы оно было достаточно интересным для переключения внимания). Одновременно сосредоточиться на том, что происходит вокруг, и задуматься о чем-то своем не получится: внимание переключается, словно тумблер, и находится либо вовне, либо внутри.
Что нужно, чтобы увидеть работу дефолт-системы во время задания, а не в покое? Дать задачу, в которой человеку придется хорошенько покопаться в себе, чтобы найти ответ на вопросы исследователя. Как я уже писала, внутри дефолт-системы есть разделение обязанностей: первая группа отделов координируется в основном из медиальной префронтальной коры и решает задачи, связанные со взаимодействием человека с другими людьми и поведением в социуме – другими словами, с теорией разума. Эти отделы активны не только тогда, когда вы оцениваете, хороший ли вы человек и справедливо ли с вами поступили на работе, но и когда размышляете о мотивах и взаимоотношениях людей и вымышленных персонажей.
Исследователи считают, что без дефолт-системы творческое мышление и внезапные озарения не могли бы существовать.
Вторая группа управляется отделами в медиальной височной доле и занимается задачами ориентирования во времени и пространстве. Когда вам необходимо припомнить события прошлого, представить какое-то развитие событий, сориентироваться в знакомом месте или объяснить знакомому, как пройти в библиотеку, когда вы размышляете о том, кем станете через пять лет, – вы задействуете подсистему медиальной височной доли. Когда речь заходит о более комплексных задачах, когда нужно использовать и прошлый опыт, и представления о том, что движет людьми, активно работают обе подсистемы.
Многие исследователи считают, что эта система важна для творческого мышления и озарений, которые иногда посещают человека, когда он долго бьется над какой-то проблемой и никак не может найти решение. Эта же система подключается, когда мы слушаем, читаем или рассказываем истории: удивительно, но даже когда люди, говорящие на разных языках, сталкиваются с одной и той же историей, картина изменений внутри этой сети у людей по всему свету одинакова и следует за развитием сюжетной линии истории, не важно, читает ли ее человек на русском или слушает на китайском.
Дефолт-система может работать и во вред, и во благо. Если человек не способен контролировать содержание своих мыслей или не может удерживать внимание на задаче, то и дело отвлекаясь на свои мысли, речь может идти о расстройстве или неблагоприятном прогнозе. Впрочем, наша способность представлять в воображении целые миры, которые работают совершенно по другим законам – физическим, временным, социальным, – это тоже заслуга дефолт-системы.
Возможно, проводи мы меньше времени в своих мыслях, наша история и культура была бы лишена величайших писателей, художников и ученых – от Босха и Шекспира до Эйнштейна и Дарвина.
Больше, чем просто мысли
Не стоит считать, что работа дефолт-системы ограничивается только процессами спонтанного познания или моральных суждений. Какие бы прекрасные истории и произведения искусства ни придумывали люди, какими бы крутыми ни были современные научные теории и прикладные технологии, наивно полагать, что естественный отбор миллионы лет расходовал прорву энергии на нужды наших мозгов, чтобы однажды кто-то придумал «Одиссею» или теорию относительности. Скорее всего, у дефолт-системы мозга есть гораздо более важные задачи, которые она решала задолго до того, как появилось человечество (не говоря уже о томографах и нейробиологии).
Какие есть основания считать, что дефолт-система – это нечто большее, чем штука, которая рассказывает нам о том, кто мы такие, помогает творчески мыслить и судить о моральном облике других людей? Есть несколько аргументов в пользу того, что роль дефолт-системы намного шире [6]:
1. Во-первых, дефолт-система мозга существует далеко не только у человека – она есть и у животных, включая не только обезьян, но и лабораторных мышей и крыс. Структура сети у всех животных относительно схожая, особенно если речь идет об узловых медиальных компонентах сети (то есть расположенных вдоль линии, соединяющей полушария мозга). У каждого вида есть свои уникальные особенности строения системы, но общий принцип расположения основных узлов на удивление схож.
Мозг в покое потребляет слишком много энергии, поэтому ученые до сих пор выясняют, в чем еще назначение дефолт-системы.
2. Во-вторых, паттерны активности, характерные для работы дефолт-системы в покое, проявляются не только тогда, когда люди хорошо осознают происходящее: ту же самую активность можно зарегистрировать, когда человек находится в наркозе или на ранних стадиях сна.
3. В-третьих, мозг в покое потребляет слишком много энергии, чтобы согласиться с тем, что вся эта активность направлена, условно говоря, на самопознание и самоосознание: это примерно как считать, что основное назначение атомной электростанции в том, чтобы люди могли заряжать смартфоны и электронные сигареты.
Вполне вероятно, что дефолт-система может играть важную роль в организации и исполнении незапланированных действий – это можно назвать рефлекторным (или импульсивным) поведением. У неблагополучных подростков, которые совершали преступления и определенно испытывали проблемы с самоконтролем, обнаружились характерные особенности взаимодействия между системами в мозге. В норме работа отделов, связанных с планированием и запуском поведения, коррелировала с работой отделов, управляющих произвольным вниманием и связанных с исполнительным контролем. У импульсивных подростков, которым тяжело себя контролировать, отделы, отвечающие за поведение, коррелировали с работой дефолт-системы. Так что нельзя сказать, что дефолт-система управляет только «невинными» процессами, направленными на рассуждения о природе вещей. Если внутренний «тормоз» со стороны дорсолатеральной и орбитофронтальной коры не срабатывает, это может привести к деструктивным последствиям – возможно, именно это произошло с Финеасом Гейджем – одним из самых первых пациентов, ставших нейробиологическими знаменитостями.
Портрет несчастного (или счастливого?), который выжил после ужасной черепно-мозговой травмы в середине XIX века
Похоже, ученым еще многое предстоит узнать о том, что же происходит внутри мозга, когда он ничем не занят. Даже то, что мы уже знаем о работе дефолт-системы, кардинальным образом поменяло представление о том, что же такое мозг и как он работает. Наш мозг – определенно не компьютер: сложно представить себе компьютер, который ни на минуту не останавливает активность, даже когда ничем особым не занят. С мозгом дела обстоят именно так.
Финеас Гейдж – хрестоматийный пациент, вошедший в историю нейронауки после несчастного случая на железной дороге. В 1848 году, во время прокладки железнодорожного пути, Гейдж закладывал взрывчатку в скалы на маршруте. 13 сентября в результате самопроизвольного взрыва череп Финеаса Гейджа проломил 6-килограммовый стальной стержень, протаранив лобную кость, глазницу и скулу. Поначалу Гейдж бился в конвульсиях, но через несколько минут смог говорить и даже передвигаться почти самостоятельно (с небольшой поддержкой). Гейдж добрался до города в сознании (с дырой диаметром не менее 3 см, пробитой прутом в черепе), чем несказанно удивил прибывших к нему медиков.
Несмотря на серьезнейшие повреждения головного мозга и вторичную инфекцию, занесенную стальным прутом, пациент выжил и через два месяца даже смог встать на ноги.
Конечно, без последствий не обошлось: после инцидента пациент наполовину потерял зрение и ту личность, которую прежние знакомые знали как Финеаса Гейджа. У него начались проблемы с импульсивностью: он стал вспыльчивым, капризным и грубым, чего раньше за ним не водилось. Со временем изменения в личности Гейджа сгладились, он стал более адаптированным к жизни в социуме. Самые серьезные приступы вспыльчивости, по-видимому, проявлялись лишь на короткие промежутки времени.
Погастролировав некоторое время в качестве одного из экспонатов американского цирка П. Т. Барнума, Финеас нашел себе работу кучера, а затем даже переехал в Чили с рекомендациями от прошлых нанимателей.
В результате травмы Гейдж утратил около 4 % коры и 11 % белого вещества. Незадолго до смерти Финеас начал страдать от приступов эпилепсии, становившихся все более тяжелыми и частыми, и умер во время одного из припадков в мае 1860 года [8].