Это, по сути, смена эпох. Практически все исследования мозговой организации высших функций у человека шли по пути, показанному И.П. Павловым в его известном высказывании о световом пятне. Процитирую еще раз:
Если бы мы могли видеть систему возбуждений, распространяющуюся по коре бодрствующего животного (или человека), мы могли бы наблюдать движущееся концентрированное «световое пятно», перемещающееся по коре по мере перехода от одной деятельности к другой и олицетворяющее пункт оптимального возбуждения, без которого невозможно нормальное осуществление деятельности.
Это павловское предвидение сыграло важную роль в физиологии мозга. Оно было очень своевременным. В то время. Другими словами, искали активации или деактивации – зоны мозга, которые значимо изменяли «энергетику» своей работы. Почти все работы по картированию мозга построены на этом «принципе светового пятна». Выявление локализации и направление перемещений «светового пятна», как отражение перемещения по коре «системы возбуждения», является важным этапом изучения работы мозга.
Пример современного исследования в парадигме «светового пятна». ПЭТ-исследования произвольного и непроизвольного внимания
Но «световое пятно» показывает лишь часть работающей системы! Некоторые структуры мозга, участвующие в обеспечении деятельности, проявляют свое участие в формировании «светового пятна» только путем изменения дальних взаимодействий, что остается незамеченным при изучении показателей локальной активности. Активность выявленных структур коррелирует с активностью в «световом пятне». Но «за кадром», вне поля зрения остаются другие.
Для понимания нейрофизиологических основ этого феномена необходимо дополнительно изучать организацию функциональных отношений между отделами мозга, которые обеспечивают текущую деятельность. А ведь именно этот путь указал В.М. Бехтерев в своей книге «Проводящие пути мозга», изданной в Казани в 1893 году (рис. 38). В предисловии к первому изданию монографии «Проводящие пути спинного и головного мозга» он писал, что главнейшая цель этой работы – «…передать в кратком изложении важнейшие проводящие системы в мозгу и таким образом облегчить лицам, получившим уже некоторое знакомство с анатомией мозга, изучение взаимных соотношений между содержащимися в нем гнездами серого вещества». В этой работе дополнены и впервые приведены в систему знания о проводящих путях мозга, как мы сейчас знаем, структурной основе формирования функциональных нейроанатомических систем обеспечения деятельности. Это действительно подвиг научного предвидения – предсказать направление исследований, которые станут актуальными через 120 лет.
Рис. 38. Книга В.М. Бехтерева «Проводящие пути мозга» (Казань, 1893)
Надо сказать, что о системе в мозге не говорил только ленивый (в научной статье я бы привел обширную библиографию системных исследований), но основным недостатком почти всех этих работ было то, что они искали и обнаруживали не связи, а корреляции, – и лишь между активированными зонами. Поясню отличие. Представим двух танцоров, мужчину и женщину. Связь – это когда танцор «ведет» танцовщицу. А корреляция – это когда они под одну и ту же музыку независимо синхронно исполняют па в разных углах сцены. И вообще, когда говорилось, что зона вовлечена в обеспечение исследуемой деятельности, подразумевалось, что она активирована. Я уже отметил, что внутренне эта концепция была мне не очень понятна при ее сравнении с фактами. Практически во всех работах мы видим довольно малое количество этих активированных зон. Посмотрите на приведенные в книге результаты фМРТ. Неужели любая, часто сложная, функция мозга обеспечивается лишь несколькими его кубическими сантиметрами?
В настоящее время появилась (и была использована нами при исследовании «скрытых звеньев») возможность находить именно связи и, более того, выяснять – что на что влияет. Другими словами, определять «иерархию» связей в мозге: кто «командует», а кто «подчиняется». Причем, повторю, необязательно связи между активированными зонами.
Еще раз сформулирую, что же мы обнаружили, какое значение имеет наше открытие и как оно меняет представление о работе мозга. Показано, что наряду с активированными участками мозга в обеспечение исследуемой деятельности вовлекаются зоны, чья активность не меряется в процессе исследования, другими словами, не происходит изменения энергопотребления. Это радикально меняет наши представления о размере и числе звеньев системы обеспечения высших видов деятельности. Причем эти звенья расположены на значительном расстоянии друг от друга. Мы назвали такие звенья «скрытыми звеньями».
Системы, состоящие из активируемых в контексте задачи звеньев и скрытых звеньев, работа которых связана с контекстом задачи, но не проявляется в виде активации
Активационные и скрытые звенья. Количество «классических» и «скрытых» звеньев от общего числа областей интереса в речевом задании составило 27,2 % и 51,9 %, в задании на социальное познание составило 16,3 % и 33,1 %, в задании на рабочую память составило 16,8 % и 36,0 % соответственно. Таким образом, среди различных тестовых заданий количество «скрытых звеньев» практически в два раза превышает количество «классических звеньев»
Современный коннектом. Организация связей белого вещества мозга человека (Fornito A. et al., Fundamentals of brain network analysis., 2016)
Как же это работает? Представьте себе государственное устройство обычного типа. Во главе – президент, министры, их замы, руководители отделов и, наконец, офисные работники. Предположим, президент вызывает министра и в кратких, но доходчивых выражениях ставит перед ним важную задачу. Это показывают в новостях, обсуждают, комментируют. Это и есть «активация», она привлекает внимание. Затем министр возвращается в свой кабинет, вызывает замов и демонстративно ставит перед ними задачу. Он и ответственный за выполнение работы сотрудник дают интервью, и это тоже «активация». Ответственный сотрудник корректирует ход работы, и это тоже заметно. Если задание важное, то он засиживается в кабинете, и все видят, что он вовлечен в работу. Но одновременно текущие задания распределяются среди клерков, которые степень своей вовлеченности не меняют: они продолжают заниматься своими рутинными делами (но уже в рамках выполнения этой новой задачи), по-прежнему работают с девяти до восемнадцати. Финансовый отдел конструирует бюджет, как он это всегда делает. Порядок работы, его темп не изменились: постройка самолета или строительство жилого дома – процесс бюджетирования одинаковый. Такое же, как обычно, количество звонков, исходящих и входящих. Они спокойно работают и раз в неделю или в десять дней посылают служебные записки, которыми руководствуются другие отделы. То есть они не активированы, а перенаправлены на выполнение другой задачи.
Так вот, продолжая аналогию: начальники – это активационные звенья, а клерки – скрытые. Вообразив такую картину, по-другому начинаешь понимать основу быстродействия мозга. Внутри маленьких объемов скрытых звеньев можно представить более быстрые, чем синаптические, способы обмена информацией, которые не действуют при больших расстояниях. Тогда можно предположить, что самоорганизация мозга происходит не сразу в целом мозге, а сначала в этих микросистемах, и уже потом «начальники отделов договариваются» между собой.
Это кардинально другие временны́е рамки. Одно дело, когда считается, что в мозге всё со всем связано и каждый нейрон должен знать обо всех других (это как если бы каждый солдат был бы в курсе деятельности каждого другого солдата в армии), и совсем иначе, если его интересует только его собственный взвод. А полковник уже в курсе состояния дивизии. И так далее… Получается, на фМРТ мы видим лишь активацию штаба, потому что только его работа существенно меняется в зависимости от результата.
Это совершенно новый взгляд на организацию самосогласованной работы мозга, объясняющий, каким образом при малом быстродействии можно объединить миллиарды нейронов. Действительно, если считать, что единственным средством коммуникации нейронов является синаптическая передача и распространение нервного импульса подчиняется механизму, открытому Ходжкиным и Хаксли (за что они получили Нобелевскую премию), то понятно, что скорость общения нейронов удручающе мала – в районе километра в секунду. Скорость же реакции мозга на изменение ситуации – доли секунды. Как же можно вызвать самосогласованную реакцию 10 миллиардов нейронов при такой малой скорости взаимодействия? С учетом этих новых данных понятно как: все низовые клерки и отделы продолжают работать, как и раньше, а меняется лишь работа штаба, на его реорганизацию необходимо существенно меньшее время.
Между прочим, это и объяснение устойчивости мозга: «отделы в министерстве» все время реорганизуются, иногда сокращаются, а мозг продолжает работать. Это касается и набившего оскомину вопроса почти всех журналистов: правда ли, что мозг использует только 5–10 % своих возможностей. Нет, неправда. Просто активность скрытых звеньев мы не видим.
Итак, системная организация работы мозга существенно сложнее, чем предполагалось ранее. Причем она состоит не только из жестких и гибких звеньев, как было показано в работах Н.П. Бехтеревой, но также из видимых и скрытых звеньев. Ну и еще одна аналогия. Получилось, как если бы мы смотрели транспортную структуру города и не понимали, как троллейбусы и автобусы перевозят множество людей. Их же явно не хватает. И вдруг узнали, что есть метро. А ведь сейчас именно метро перевозит бо́льшую часть пассажиров. Когда ломается автобус – это мелкая задержка. А когда останавливается метро – кризис.
Подытожим: обнаружен новый класс мозговых систем: системы, состоящие из активируемых в контексте задачи звеньев и скрытых звеньев, работа которых связана с контекстом задачи, но не проявляется в виде активации.
Знание того, какие структуры принимают участие в обеспечении той или иной деятельности (являются элементами нейроанатомических систем) является необходимым, но недостаточным.