как именно эта нейросеть написала слово «хаос»? (или, точнее, где хранится информация, создающая двумерный образ, который человеческий мозг распознает как слово «хаос»?) Это серьезный вопрос, для ответа на который нужно отвлечься от традиционных представлений о вычислениях и памяти. Информация, на основе которой формируется слово «хаос», одновременно находится повсюду и нигде. В формировании этого образа участвует каждый синапс и каждый активированный нейрон, но ни один конкретный синапс или нейрон не является строго обязательным для формирования образа. Этот образ — эмерджентное свойство системы: общий результат больше суммы составных частей.
ВОПРОС, КАКИЕ ИМЕННО НЕЙРОНЫ ИЛИ НЕЙРОСЕТИ МОЗГА ОПРЕДЕЛЯЮТ ВРЕМЯ, МОЖНО СРАВНИТЬ С ВОПРОСОМ, КАКИЕ ИМЕННО ТРАНЗИСТОРЫ ИЗ МИЛЛИАРДА ТРАНЗИСТОРОВ В ПРОЦЕССОРЕ ВАШЕГО КОМПЬЮТЕРА ОТВЕЧАЮТ ЗА ДВОИЧНУЮ ЛОГИКУ. В ЭТОМ ПРОЦЕССЕ УЧАСТВУЮТ ОНИ ВСЕ, И ИМЕННО В ЭТОМ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ ИХ ЗАДАЧА.
Описанная выше сеть — довольно простая компьютерная модель с множеством встроенных допущений. И даже если с ее помощью удается лучше понять какие-то принципы функционирования коры мозга, она слишком проста и негибка, чтобы объяснить удивительную способность мозга обучаться распознавать и создавать такие сложные образы, как речь или музыка. Тем не менее все большее количество экспериментальных данных подтверждает, что многие производимые мозгом вычисления, особенно связанные с отсчетом времени, основаны на способности мозга активизировать в нейросетях сложные динамические траектории, которые могут использоваться для создания пространственно-временны́х образов, лежащих в основе нашей способности быстро пробегать глазами книгу или играть на фортепьяно154.
Необходимость отсчитывать время возникает практически во всех решаемых мозгом задачах, причем разные задачи требуют разных способностей: мозгу приходится различать длительность половины и четверти музыкальной ноты, отправлять сообщение с помощью азбуки Морзе, определять время начала озвончения при произнесении согласных звуков «б» или «п» или предугадывать время переключения сигнала светофора. Чтобы решать столь разнообразные задачи, мозг использует набор взаимосвязанных механизмов отсчета времени, распределенных в сетях нейронов. Однако интересно, что часы мозга имеют мало общего с часами, созданными с помощью человеческого мозга.
Сила синапсов со временем изменяется, число возбужденных нейронов увеличивается и уменьшается, частота осцилляций нейронов колеблется, и активность сетей нейронов динамически меняется со временем, поскольку одна из задач, для решения которой эволюционировали нейроны, заключается в определении времени. Так что вопрос, какие именно нейроны или нейросети мозга определяют время, можно сравнить с вопросом, какие именно транзисторы из миллиарда транзисторов в процессоре вашего компьютера отвечают за двоичную логику. В этом процессе участвуют они все, и именно в этом заключается их задача.
ЧАСТЬ IIФИЗИЧЕСКАЯ И МЕНТАЛЬНАЯ ПРИРОДА ВРЕМЕНИ
7:00ЗАСЕКАЕМ ВРЕМЯ
Время для часов — что разум для мозга.
Ядро нейрона и содержащиеся в нем хромосомы так же невидимы для человеческого глаза, как спутники Нептуна. Во временном измерении длительность взмаха крыла колибри столь же неподвластна нашему восприятию, как континентальный дрейф. Человек создал микроскопы и телескопы, чтобы различать объекты за пределами нашего ограниченного пространственного восприятия. Аналогичным образом, чтобы анализировать процессы, происходящие в диапазоне времени, который меньше и больше того, что воспринимает мозг, мы разработали специальные методы и инструменты — если хотите, временны́е микроскопы и телескопы.
Временны́е телескопы позволили установить, что человек и человекообразные обезьяны разошлись от общего предка примерно 7 млн лет назад, а также предсказать, что через несколько миллиардов лет наше Солнце превратится в красного гиганта и поглотит Меркурий и Венеру.
Напротив, увеличивающие временны́е микроскопы (высокоточные часы) позволяют расщеплять секунды на составляющие единицы — миллисекунды, микросекунды, наносекунды, пикосекунды, находящиеся далеко за пределами человеческого восприятия и понимания. Современные атомные часы отсчитывают время с точностью до аттосекунд — так точно, что измерение времени с помощью атомных часов — это один из немногих случаев, когда ученым предоставляется возможность использовать приставку атто (10–18). Возможность оценивать время по шкале в миллиарды лет и делить секунды на аттосекунды появилась в результате развития физики, а сама физика отчасти возникла в результате нашего желания научиться определять время.
Тем семечком, из которого выросла физика, была астрономия, а астрономия появилась по той причине, что люди хотели определить свое место в пространстве и во времени. Кроме прочего, астрономия позволяла следить за сменой сезонов, установить длительность года и даты служения небесным богам. Последующие успехи в определении времени совсем не случайно совпадали с революционными открытиями в физике. Например, важнейшая веха в истории часового дела пришлась как раз на середину одного из важнейших периодов в истории физики: голландский физик Христиан Гюйгенс создал первые в мире высокоточные часы с маятником в 1657 г. — через 15 лет после смерти Галилео Галилея и в годы юности Исаака Ньютона.
Физика и тема времени неразрывно связаны. Дело не только в том, что вопросы природы времени относятся к области физики. Именно понимание законов физики позволило ученым создать удивительно точные часы, которые используются для проверки физических законов.
В следующих главах мы поговорим о физике времени и о том, насколько совместимы идеи физики и нейробиологии в вопросах природы времени. Однако начнем мы с исследования физических принципов работы и истории часов.
Как мозг использует разные механизмы для отсчета проспективного и ретроспективного времени, так и ученые разработали принципиально различающиеся способы определения времени для тех случаев, когда нужно оценить время, которое прошло после какого-то события в прошлом, или которое пройдет от настоящего момента до какого-то момента в будущем.
Для определения проспективного времени мы обычно пользуемся традиционными часами, но для оценки ретроспективного времени нам приходится опираться на показания самых разных «часов». К счастью, в природе существует множество ретроспективных часов, поскольку по действующим во вселенной законам все изменения, происходящие вокруг и внутри нас, подчиняются заранее установленным правилам. Так, круги на воде, которые мы видим сейчас, позволяют узнать, что произошло несколько секунд назад. Патологоанатом может установить время смерти по температуре тела, а по степени сходства генов двух видов организмов можно определить, когда они разошлись от общего предка.
СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ ОТСЧИТЫВАЮТ ВРЕМЯ С ТОЧНОСТЬЮ ДО АТТОСЕКУНД — ТАК ТОЧНО, ЧТО ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ С ПОМОЩЬЮ АТОМНЫХ ЧАСОВ — ЭТО ОДИН ИЗ НЕМНОГИХ СЛУЧАЕВ, КОГДА УЧЕНЫМ ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПРИСТАВКУ АТТО (10–18). ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНИВАТЬ ВРЕМЯ ПО ШКАЛЕ В МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ И ДЕЛИТЬ СЕКУНДЫ НА АТТОСЕКУНДЫ ПОЯВИЛАСЬ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ, А САМА ФИЗИКА ОТЧАСТИ ВОЗНИКЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ НАШЕГО ЖЕЛАНИЯ НАУЧИТЬСЯ ОПРЕДЕЛЯТЬ ВРЕМЯ. ТЕМ СЕМЕЧКОМ, ИЗ КОТОРОГО ВЫРОСЛА ФИЗИКА, БЫЛА АСТРОНОМИЯ, А АСТРОНОМИЯ ПОЯВИЛАСЬ ПО ТОЙ ПРИЧИНЕ, ЧТО ЛЮДИ ХОТЕЛИ ОПРЕДЕЛИТЬ СВОЕ МЕСТО В ПРОСТРАНСТВЕ И ВО ВРЕМЕНИ. КРОМЕ ПРОЧЕГО, АСТРОНОМИЯ ПОЗВОЛЯЛА СЛЕДИТЬ ЗА СМЕНОЙ СЕЗОНОВ, УСТАНОВИТЬ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ГОДА И ДАТЫ СЛУЖЕНИЯ НЕБЕСНЫМ БОГАМ.
Одним из наиболее важных способов ретроспективного отсчета времени является радиоизотопный анализ. Как работает этот метод? Откуда атомы «знают», сколько времени прошло с того или иного момента? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о том, как радиоизотопный анализ и распространение ядерного оружия помогли отвергнуть одну столетнюю догму нейробиологии. На протяжении XX в. нейробиологи были убеждены в том, что, в отличие от большинства других клеток тела, новые нейроны не могут возникать в организме взрослого человека. Однако начатые в 1990-х гг. эксперименты на мышах и крысах убедительно доказали, что в некоторых отделах мозга новые нейроны все же появляются; этот процесс был назван взрослым нейрогенезом. Но как понять, происходит ли такой процесс у человека, ведь нейроны человека можно изучать только после смерти. Возраст человека на момент смерти обычно известен, но дата рождения конкретного нейрона нигде не записана.
В период 1950–1960-х гг. в результате испытаний атомного оружия, главным образом Соединенными Штатами и Советским Союзом, в атмосфере почти вдвое выросло содержание радиоактивного изотопа 14C (углерод-14). Этот показатель достиг максимума в 1963 г., когда был пописан договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия, а затем начал снижаться. Подъем концентрации 14C в атмосфере привел к подъему его концентрации во всех живых организмах, поскольку в процессе фотосинтеза углерод попадает в клетки растений, а оттуда в клетки всех остальных живых существ. Так испытания атомной бомбы привели к заметному повышению содержания изотопа 14C в человеческой ДНК.
Атомы углерода, попадающие в ДНК в момент «рождения» клетки (в процессе деления родительской клетки), могут оставаться в этой ДНК на всем протяжении жизни клетки. Таким образом, если у взрослых людей никогда не появляются новые нейроны, в нейронах людей, рожденных до испытаний ядерного оружия, должно быть низкое содержание изотопа