Сильное оптическое воздействие, вызываемое пульсирующими, калейдоскопическими вспышками света, стало очевидной причиной припадков так называемой фоточувствительной эпилепсии – редкого заболевания, которое стало встречаться все чаще и чаще с распространением телевизионных игр и видеоигр. Точная причина фоточувствительной эпилепсии по-прежнему остается неизвестной, но полагают, что ею может быть нарушение синхронизации, возникающее вследствие того, что мозговые волны «увлекаются» вспышками света, что заставляет нейроны мозга срабатывать в несвойственном для них ритме и вызывать эпилептический припадок. Эта гипотеза согласуется с результатами клинических наблюдений, которые свидетельствуют о том, что самыми опасными являются частоты в диапазоне от 15 до 20 Герц, то есть лишь незначительно превышающие частоту альфа-ритма головного мозга. Таким образом, здесь мы имеем дело со случаем, когда быстрый периодический сигнал, поступающий из окружающей среды, оказывал сильное воздействие на биологию человека.
Более быстротечный вид синхронизма, по-видимому, фигурирует в одной из величайших нерешенных проблем человеческой психологии, а именно: каким образом мозг рождает сознание. Несмотря на то что ученым до сих пор не удалось уяснить нейронную основу человеческих мыслей и чувств, недавно стало возможным приоткрыть завесу над тем, как мозг распознает лицо человека, запоминает слово или сосредоточивается на чем-либо. Нейробиологи выяснили, что такие акты распознавания связаны с кратковременным всплеском нейронного синхронизма[284], в ходе которого миллионы далеко отстоящих друг от друга клеток мозга внезапно начинают включаться и выключаться в идеальном синхронизме с частотой примерно 40 раз в секунду, после чего так же быстро рассинхронизируются, позволяя возникнуть очередной мысли или очередному чувству. Если такое представление соответствует действительности, то сверкнувшая в нашем мозгу догадка является не чем иным, как всплексом электрического синхронизма – моментом, когда отдельные участки мозга начинают действовать во взаимной гармонии.
Первые шаги в этом направлении исследований были сделаны в начале 1980-х годов, когда Кристоф фон дер Мальсбург из университета Южной Каролины высказал предположение о том, что нейронный синхронизм может послужить механизмом для решения «проблемы связывания»[285] – давней загадки в науке о мозге. Чтобы проиллюстрировать эту проблему, представьте, что вы сидите в переполненном душном кафе, потягивая кофе и слушая рок-музыку. Тем временем возле вашего столика теснятся люди, громко разговаривают и приветствуют друг друга. Без каких-либо заметных усилий вы внезапно осознаете, что держите в руке чашку кофе. Но как именно вам удалось осознать это? На первый взгляд, ничего сложного в этом нет. Между тем осознание того, что вы держите в руке чашку кофе, ассоциируется с множеством ощущений. Когда ваш взгляд падает на чашку кофе, свет отражается от ее поверхности и попадает на сетчатку вашего глаза, выявляя округлую форму чашки, ее гладкую текстуру и белый цвет. Каждая их этих визуальных характеристик передается затем на разные участки вашего мозга для последующей обработки и интерпретации. В то же время молекулы испаряющегося кофе попадают на рецепторы в вашем носу и инициируют ритмические всплески нейронной активности в ваших обонятельных центрах (плюс дополнительный всплеск удовольствия в вашей лимбической системе, связанный с роскошным ароматом свежемолотых зерен кофе). Между тем у вас возникают другие, менее желательные ощущения: запах сигаретного дыма, суета людей, толкающих время от времени ваш столик. Эти ощущения возбуждают свои собственные совокупности нейронов. Итак, возникает следующий вопрос: каким образом вашему мозгу удается разобраться во всей этой нейронной суматохе? В частности, какой физический процесс «склеивает» требуемые характеристики вместе, формируя у вас целостное восприятие чашки, отличающее ее от звуков рок-музыки, сотрясений столика, за которым вы сидите, и всех прочих посторонних ощущений, которые возникают одновременно, но не имеют никакого отношения к образу чашки?
Кристоф фон дер Мальсбург выдвинул гипотезу о том, что разные совокупности нейронов (нейронные кластеры), обрабатывающие разные характеристики чашки, должны на какую-то долю секунды колебаться строго синхронно. Именно за счет этого временного синхронизма мозгу удается связать их вместе и определить, что все они относятся к одному и тому же объекту. Но фон дер Мальсбург отчаялся проверить правильность своей гипотезы экспериментальным путем. Он предполагал, что даже если нейронные кластеры действительно колеблются во взаимном синхронизме, их заглушит непрестанный «дребезг», создаваемый другой электрической активностью мозга. «У экспериментатора нет возможности выделить полезный сигнал на фоне этого шума, – сказал он однажды. – Мысль останется невидимой»[286].
Пессимизм фон дер Мальсбурга не оправдался. К 1989 г. проблески синхронизма начали проявляться в экспериментах на животных. Группа нейробиологов, возглавляемая Чарльзом Греем и Вольфом Сингером, продемонстрировала кошке, находящейся под наркозом, изображение движущегося прямоугольника и обнаружила, что нейроны, реагирующие на прямоугольник, начали вырабатывать ритмические разряды с частотой от 30 до 60 циклов в секунду[287]. Эта «стрельба» была непродолжительной, примерно треть секунды, но очень синхронизированной, в ходе которой нейроны выдавали серию соответствующих электрических пиков и впадин.
Самым удивительным, возможно, является то, что даже клеткам, которые разделены огромными с анатомической точки зрения расстояниями, что соответствует примерно половине площади, занимаемой зрительной зоной коры головного мозга, удавалось осциллировать практически синхронно. Чтобы выяснить, означает ли эта скоординированная осцилляция, что кошка воспринимала этот прямоугольник как единое целое, Грей и Сингер удалили середину прямоугольника и двигали оба оставшихся фрагмента, придавая им вид двух независимых объектов. Те же самые клетки мозга продолжали вырабатывать разряды, но на этот раз несинхронно, как и предсказывал фон дер Мальсбург.
В то время результаты, полученные Греем и Сингером, вызвали острую дискуссию. Звучали обычные утверждения, которые, как всегда в подобных случаях, отрицали доводы, свидетельствующие в пользу важной роли синхронизма, сколь бы убедительными эти доводы ни были. Самые закоренелые скептики отрицали существование явления, обнаруженного Греем и Сингером. Одни заявляли об ошибочности статистического анализа, выполненного учеными, или утверждали, что кратковременная корреляция между нейронами, находящимися на значительном удалении друг от друга, могла возникнуть чисто случайно. Другие рассуждали об отсутствии какого-либо известного механизма, который позволял бы нейронам, находящимся на значительном удалении друг от друга, синхронизироваться настолько точно, как об этом заявляли Грей и Сингер. (Было трудно понять, каким образом многочисленные клетки могут приводиться в действие практически одномоментно, с разницей во времени, не превышающей тысячной доли секунды[288].) Однако в течение нескольких последующих лет были опровергнуты эти и многие другие возражения, за исключением одного, которое заключалось в том, что синхронизм действительно мог иметь место, однако не играл никакой роли и представлял собой бесполезный побочный продукт электрической активности в мозге кошки, свидетельствующий о глубинных процессах в мозге не больше, чем электромагнитное излучение частотой 50 Гц, вызванное прохождением электрического тока питания настолького компьютера.
В 1990-е годы появились более убедительные доказательства связи между синхронизмом и распознаванием. В ходе экспериментов с разными животными, начиная с цикад и заканчивая обезьянами, исследователи обнаружили, что синхронизированная нейронная активность неизменно оказывается связанной с примитивными формами распознавания, запоминания и восприятия (например, умение различать два запаха или обнаруживать изменение в ориентации некоторой формы). Но поскольку мы не можем точно знать, что именно воспринимает животное, убедить скептиков так и не удалось. Они желали видеть неоспоримые доказательства того, что синхронизм действительно необходим для распознавания, а не просто связан с ним. Например, в эксперименте Грея и Сингера скептики не нашли неоспоримых доказательств того, что кошка воспринимает прямоугольник как единое целое в одном случае и как два прямоугольника в другом случае, хотя человек воспринимал бы эти два случая именно так. Единственным способом получить однозначный ответ на этот вопрос было бы проведение экспериментов с людьми.
Одно из таких исследований, о результатах которого в 2001 г. было доложено Юргеном Феллом и его коллегами из Боннского университета в Германии, выявило интересную связь между нейронным синхронизмом и кратковременной памятью[289]. Исследователи попросили добровольцев запомнить списки слов, затем на короткое время отвлекли их выполнением другой задачи, после чего проверили, как испытуемые запомнили предложенные им списки слов. Между тем на фазе запоминания информации исследователи оценивали картины активизации нейронов в гиппокампе испытуемых, а также в участке их коры головного мозга, ответственном за обоняние (известно, что эти два соседних участка коры головного мозга задействованы в запоминании информации). (Этот эксперимент был весьма примечателен в техническом отношении: в ходе этого эксперимента нейронная активность измерялась непосредственно, а не опосредованно, путем анализа мозговых волн. Испытуемые были эпилептиками, в мозг которых ранее уже вживлялись электроды, что было одним из этапов подготовки к предстоящим нейрохирургическим процедурам. Это предоставляло исследователям уникальную возможность осуществлять запись непосредственно из клеток головного мозга человека в процесс запоминания им информации.)