Нейронні кореляти свідомості, Philosophy of Consciousness
Свідомість, всесвіт і все інше
Нейронні кореляти свідомості
Будова нейрона
Передача сигналів
Передача сигналів здійснюється електричним та хімічним шляхом. Дендрити та аксонирізних нейронів завжди з'єднані між собою за допомогою синапсів. За дендритами та аксонами йдуть електричні імпульси, синапси ж бувають електричні та хімічні, причому останніх більше (хоча існують і змішані синапси). У хімічних синапсах передача сигналу відбувається приблизно так: електричний сигнал йде по аксону, відкриває кальцієві канали і змушує вивільнятися нейромедіатор – хімічна речовина, яка потім проходить до іншого синапсу по синаптичній щілині, приєднується до рецепторів пост-синаптичної мембрани (для кожного типу міді) свої рецептори) та інший нейрон приймає сигнал. Тобто, хоча нервами йде струм, у тому сполуках найчастіше відбувається хімічна передача імпульсу. Це дозволяє точніше регулювати характеристики сигналу, що передається. Електричний тип працює швидше, тому підходить для простих рефлекторних реакцій.
Рис 2.2 Електричний (А) та хімічний (В) синапси. Взято з “Neuroscience. 2nd edition. Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001.” (клікабельно)
Функціональна роль нейрона
Зрозуміти принцип роботи нейрона, найпростіше на його формальній моделі. Сам штучний нейрон працює приблизно так (надзвичайно спрощуючи): він підсумовує безліч сигналів, кожен з яких має для нього свою власну вагу, і виводить відповідь, яка залежить від вихідних ваг. Часто це просто спрацювання нейрона, коли сума сигналів переступить якийсьпевний поріг. Нейронні мережі здатні вчитися. Це дозволяє, наприклад, розпізнавати текст (OCR), не дотримуючись чіткого покрокового алгоритму, найменше відхилення якого фатально (наприклад, інший шрифт), а розпізнавати, яку букву найбільше схожий символ – це вимагає абсолютної точності накреслення самого символу. Інакше кажучи, традиційні алгоритми розпізнають текст лише тоді, коли він підходитиме під шаблон, як ключ до замку. Нейронні мережі ж можуть самонавчати за допомогою проб і помилок, щоб, зрештою, встановити асоціативні зв'язки між, можливо, спотвореними вхідними сигналами, та їх вірними інтерпретаціями. А потім з'ясовувати, яким символом найбільше схожий пред'явлений набір даних. Засобами найпростіших нейронних мереж можуть відтворюватися всі логічні операції логіки висловлювань.
Біологічний нейрон набагато складніше. Настільки, що моделювання навіть одного – дуже важке завдання. На передачу сигналу впливає багато параметрів. Формальна модель нейрона – це надзвичайно спрощена модель. Я говорю це до того, що біологічний мозок просто в гігантське число разів складніше за всіх, коли-небудь винайдених комп'ютерів. І це дуже інтуїтивний факт. Однак формальна модель дозволяє зрозуміти сам принцип його роботи, що буде корисно нам надалі (нам потрібно буде зрозуміти, як мозок здатний продукувати логічні судження).
Мал. 2.3 Значок суми означає підсумовування всіх сигналів, отже виходить сумарна потужність вхідного імпульсу. w0,w1… — ваги різних вхідних сигналів, які потім підсумовуються. Функція активації визначає те, за якого значення сумарного вхідного імпульсу нейрон активується і посилає певний сигнал за своїм аксоном.
Нейронні корелятисвідомості
Отже, ми можемо вивчати окремі нейрони. Загальний їх пристрій у людини і молюска дуже схоже (як і ДНК, наприклад). І оскільки нейрон є базовою основою для всіх мозкових структур, то до мозку вищих ссавців можна застосувати таку характеристику – кількість, яка переходить у якість. Якість задається системою зв'язків між безліччю елементів. Але як вивчити структуру зв'язків між нейронами? Бажано у працюючому, живому мозку? І доки ми не забули, у нас є мета – знайти свідомість. Очевидно, що потрібно якимось чином дізнатися, як працюють нейрони, і яка саме їхня робота продукує свідомість, як щось протилежне несвідомому.
У мозку одночасно йдуть як свідомі, і несвідомі процеси (управління диханням, наприклад). Несвідоме - це те, про що ми не замислюємося, те, що йде на автоматі, хоча деякі з цих процесів ми можемо перевести в свідоме, як, наприклад, щойно згадане дихання. З деякими процесами, зробити таке ми не зможемо – наприклад, ми не зможемо уповільнити биття серця (хоча це теж управляється нервовими клітинами). І так само, як у випадку з диханням, ми не можемо, образно кажучи, усвідомлювати деякі свої думки.
Що таке свідоме? Свідомим зазвичай називають усвідомлене, тобто щось, про що ми можемо скласти якийсь словесний звіт (наприклад: "я бачу перед собою чорний текст на білому тлі" - означає, що я його усвідомлюю, причому я усвідомлюю як сам текст, так і той факт, що я його усвідомлюю).
Очевидно, що багато стимулів, сприйнятих органами почуттів, тобто потрапили на екран нашого гомункула, усвідомлюються не відразу (іноді далеко не відразу чи взагалі ніколи). А іноді можуть перескакувати то в область усвідомленого – то впротилежну. Бінокулярне суперництво є найвідомішим прикладом цього явища – якщо кожному оку пред'явити різне зображення, то кожен момент часу ми усвідомлюватимемо лише одне їх (рис. 2.4).
Імпульси не поєднуються, як можна було б розумно припустити - тобто якщо замість руки і гарбуза будуть дві станиці з різним текстом, то людина зможе прочитати кожну з них без перешкод з боку іншої, просто сфокусувавшись на тій, яка їй потрібна.
Але, мабуть, найлегше це проілюструвати на такому неоднозначному зображенні (рис. 2.4.2). Це відрізняється від експерименту з різними зображеннями, ну суть та сама.
2.4.2 Куб Неккера
Ми можемо сприймати об'єм куба лише одним із двох способів, і хоча можливий ще третій варіант – якщо сфокусуватися щодо центрального прямокутника, але це вже взагалі не куб, а плоска фігура. Але ми ніяк не зможемо уявити одночасно обидва варіанти куба - сприймати обома способами одночасно. Немов у нас у мозку є якась область, в яку може поміститися лише один усвідомлений образ (насправді не завжди так і з деякими застереженнями, але нехай).
2.4.3 Ваза Рубіна
Ще наочнішою можливо буде наступна ілюстрація з усім відомою ілюзією (рис. 2.4.3), яку неможливо інтерпретувати у вигляді іншого, плоского зображення, оскільки вона не використовує інтуїцію глибини для побудови суперечливого образу. При бінокулярному суперництві, іноді можливе мозаїчне, еклектичне сприйняття, але не змішування різних інтерпретацій.
Головне завдання дослідників – визначити, які нейронні механізми є відповідальними за зміну цих свідомих станів. Експериментидозволяють ізолювати ті групи нейронів, які відповідають за свідомий стан та усвідомлення зорового образу, шляхом відстеження змін у їхній активності, при спогляданні фізично-статичної ілюзії. Ті нейрони, які першими реагують на сенсорні імпульси, що змінюються (і очевидно, реагують несвідомо), не повинні при цьому істотно змінювати характер своєї активності, оскільки в полі зору нічого не змінюється.
Це все підпадає під пошуки так званих нейронних корелятів свідомості, що стало особливо актуальним і поширеним в останні роки. Перш ніж ми перейдемо до більш конкретного опису цих досліджень, пропоную подивитися на методи, за допомогою яких ми можемо виміряти активність нейронів у такому важкодоступному для вивчення місці, як чийсь мозок (саме це питання я згадав на початку глави, кажучи про крихкість міжнейронних зв'язків).
Методи нейровізуалізації
1) ЕЕГ, МЕГ, введення електродів та магнітна стимуляція.
Зняття електричного потенціалу за допомогою електродівта ЕЕГ. Введення в живий мозок електродів дозволяє нам реєструвати електричну активність одного нейрона або будь-якої області. На людях такий метод вивчення зазвичай вдається використати досить рідко.Електроенцефалографія (ЕЕГ, EEG) є неінвазивним методом – запис ЕЕГ проводиться шляхом накладання поверхневих електродів на шкіру голови, отже, цей метод має масу обмежень, наприклад, є труднощі з локалізацією потенціалів. Ті хвилі, мозкові ритми, які ми можемо спостерігати на графіці – лише різниці електричних потенціалів, що показують, як вони змінювалися з часом. При електроенцефалографії безперервно записується сумарний рівень електричної активностіта будується графік, на основі цих даних, що відображає зміну активності у часі. Можлива також стимуляція певних областей мозку, наприклад, можна визначити яка частина мозку відповідає за моторну активність рук, ніг і т.д. Крім електродів можна стимулювати потужним магнітним імпульсом. Є також методМЕГ(магнітоенцефалографія, MEG) - він точніший, ніж ЕЕГ, але має свої обмеження. При ЕЕГ записується електрична напруга, знята безпосередньо зі шкіри голови, при МЕГ – слабкі магнітні поля, що утворюються електричною активністю (контакту зі шкірою голови не потрібно). Ми також можемо стимулювати ділянки за допомогою магнітної стимуляції, неінвазивно, але цей метод теж має масу обмежень.
2) МРТ, КТ
Є такожМРТ(магнітно-резонансна томографія, MRI) таКТ(рентгенівська комп'ютерна томографія). Щоправда, МРТ допоможе нам лише подивитися на структуру мозку. Відмітити відмінності в щільності тканин. За допомогою МРТ та КТ неможливо дізнатися, які нейрони активні.
3) ПЕТ, фМРТ
Ми зможемо це дізнатися, якщо подивимося, які нейрони споживають кисень чи глюкозу – активний нейрон має чимось харчуватися, споживати енергію. Це стало можливим з появоюПЕТ(позитронно-емісійна томографія, PET) тафМРТ(функціональна МРТ, fMRI). Вони дозволяють заміряти швидкість кровотоку, а також метаболізм глюкози та кисню у тканинах мозку. ФМРТ вимірює рівень кисню (blood-oxygen-level-dependent (BOLD)) та швидкість кровотоку (cerebral blood flow (CBF)), ПЕТ – розпад глюкози з радіоактивною міткою, яка перед цим вводиться у організм. Для фМРТ вводити зазначені речовини в організм не потрібно. Функціональні методи (ПЕТ, ФМРТ)дозволяють, наприклад, дізнатися, яка ділянка мозку активується, коли людина розглядає, наприклад, чиюсь особу.
Інші методи вивчення функціональних аспектів мозку
Також можна вивчати функціональне призначення ділянок мозку, просто видаливши їх хірургічним шляхом або вивчивши людей, які перенесли серйозні травми, пов'язані з ураженням цих ділянок. Методи, не пов'язані з архітектурою та точною локалізацією функціональних частин, дозволяють, наприклад, вивчати функціональну роль різних нейромедіаторів за допомогою хімічних речовин, що зв'язуються з певними рецепторами. Вивченню когнітивних функцій та розладів (тобто пов'язаних з функціями свідомості) також сприяє вивчення певних галюциногенів. Взагалі вивчення різних психічних розладів також дозволяє нам більше дізнатися про свідомість, хоч і точні причини цих розладів, що торкаються когнітивних здібностей, досі незрозумілі.