Страница:
Как далеко все это привело нас в настоящее время? Помещенные в данном выпуске статьи дают хорошее общее представление о достигнутых успехах. Чего заметно не хватает, так это широких идейных рамок, в пределах которых можно интерпретировать все эти различные подходы. В таком состоянии находились биохимия и генетика до того, как произошла революция в молекулярной биологии. Дело не в том, что большинство нейробиологов не имеют какого-либо общего представления о том, что происходит. Беда в том, что представление это не сформулировано точно. Стоит притронуться к нему, как оно разваливается. Если привести лишь несколько примеров, то природа восприятия, нейронные корреляты долговременной памяти, функция сна - все они носят такой характер.
Как же в таком случае следует строить общую теорию мозга? На ее пути стоят, по-видимому, три важных ограничительных условия. Первое - это природа физического мира. Повседневный мир, в котором мы живем, не является чем-то аморфным и беспорядочным. Он состоит из предметов, которые обычно занимают определенное пространство и которые, хотя и перемещаются относительно других предметов, сохраняют свои размеры и форму. Зрительно предмет обладает поверхностями, очертаниями, цветом и т. п. Он может испускать звук или запах. Не вникая в детали, безусловно можно ожидать, что какова бы ни была переработка информации, поступающей в мозг, она будет связана с инвариантами и полуинвариантами во внешнем мире, доступными органам чувств.
Эксперимент показывает, что так это и происходит, притом часто неожиданным образом. Хорошим примером является такого рода восприятие цвета, какое показано в опытах Э. Ленда (Е. Land). Можно было бы думать, что когда дело идет о большом цветном пятне, то воспринимается окраска света, который действительно исходит от пятна и падает на сетчатку. На самом же деле цвет в большинстве случаев создается сочетанием окраски света, падающего на предмет, и света, отражаемого поверхностью предмета. Как это ни удивительно, мозг способен извлекать эту последнюю информацию из поступающих зрительных сигналов. Она может в значительной степени компенсировать характер падающего света. То, что мы воспринимаем, больше соответствует отражению от поверхности, которое является свойством самого предмета.
Поразительная демонстрация такого рода феномена проводится в Эксплораториуме в Сан-Франциско, хотя в этом случае поверхности имеют разные оттенки серого - от почти белого до совершенно черного. Освещение, источник которого скрыт, здесь неровное - оно гораздо сильнее в нижней части экспозиции, чем в верхней. Один участок внизу выглядит очень черным, другой участок наверху кажется почти белым. С помощью узких трубок эти участки можно рассматривать каждый по отдельности. И если смотреть в них таким образом, то видно, что оба участка имеют в точности один и тот же оттенок серого. Когда моя жена - художница - у видела этот экспонат, она была поражена и заявила, что это фокус. Она не отдает себе отчета в том, что в известном смысле все, что она видит, это фокус, который показывает ей ее мозг.
Второе ограничительное условие налагается биохимией, генетикой и эмбриологией. Нервная система сделана не из металла или неорганических полупроводников, а из специализированных клеток. Импульс, бегущий по аксону, движется с умеренной скоростью по сравнению со скоростью света (даже несмотря на то, что нейрон может при помощи разных фокусов ускорять его движение); это ограничение налагается на него биохимией. Хотя важную роль в нейронной активности играют такие неорганические ионы, как натрий и калий, не вызывает удивления тот факт, что передача нервного импульса от одного нейрона к другому производится мелкими органическими молекулами, потому что многие такие молекулы синтезируются с легкостью. Удивительно то, что один и тот же медиатор действует в столь многих различных местах - ограничительное условие, вероятно, налагаемое эволюцией.
Дальний конец аксона находится далеко от ближайшего пункта синтеза белка (не считая митохондрий внутри аксона), и это обстоятельство может налагать ограничения на скорость, с которой в нем происходят некоторые биохимические изменения. Вероятно, существуют одни типы нейронных цепей, с которыми организм справляется сравнительно легко, и другие, которые для него непосильны. Насколько мы знаем, генам высшего животного может быть трудно придавать схеме нейронных связей большую точность, особенно если в схеме участвует очень много клеток. Например, точного распределения связей, необходимого для правильного стереоскопического зрения, трудно достичь без того благотворного влияния, какое оказывает некоторый контакт с реальным внешним миром, может быть, потому, что системы, связанные с двумя глазами, вероятно, не могут быть построены с требуемой точностью.
Возможны и другие ограничения. Как предположил много лет назад Г. Дэйл, нейрону, по-видимому, трудно так устроить свои дела, чтобы одна веточка его аксонного дерева выделяла один медиатор, а другая - другой. Этот принцип, возможно, лежит в основе случая, описанного Э. Кэнделом в настоящем выпуске (см. статью "Малые системы нейронов"), когда медиатор, продуцируемый одной и той же клеткой, возбуждал одни клетки, тормозил другие и оказывал смешанное влияние на клетки третьего типа.
Третье ограничительное условие налагается математикой, в частности теорией связи. На первый взгляд может показаться, что некоторые такие результаты противоречат ожиданиям. При известных обстоятельствах распределение, или общая структура (pattern), прекрасно воссоздается на основе небольшой выборки, если производить ее через правильные промежутки. Информация может быть заложена в память в распределенной форме подобно голограмме таким образом, что извлечение части хранимой информации не устраняет какой-либо части картины, хотя снижает до некоторой степени качество всей картины.
Возникает искушение ввести четвертое ограничительное условие, но опыт показал, что оно ненадежно. Это условие налагается эволюцией. Несомненно, все организмы и их компоненты образовались в результате долгого эволюционного процесса, и это обстоятельство никогда нельзя забывать. Однако неразумно было бы угверждать (разве только в самых общих выражениях), что эволюция не могла сделать того-то или должна была сделать то-то. Биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его. Это не значит, что сравнительные биологические исследования не могут показать, что определенная структура часто связана с определенной функцией. Таксономическое сопоставление результатов эволюции может привести к полезным предположениям, но такие предположения всегда должны быть подтверждены прямым экспериментом.
Как бы то ни было, но первые три ограничительных условия мы понимаем лишь частично. Процесс разложения окружающего нас мира на его существенные признаки не всегда протекает прямолинейно. Многие важные вопросы эмбриологии еще не получили ответа. Теория информации - сравнительно новая отрасль знания. Поэтому, хотя и есть возможность получать какие-то наводящие указания, рассматривая все три условия, исследователь редко встречается с таким обилием ограничений, что это практически позволило бы сделать выбор между теориями. Существует так много способов, какими наш мозг мог бы перерабатывать информацию, что без существенной помощи прямых экспериментальных фактов (а они обычно малочисленны) мы вряд ли сделаем правильный выбор.
Существуют ли какие-то идеи, которых следует избегать? Я думаю, что одна, по крайней мере, есть - это идея гомункулуса. Недавно я пытался разъяснить одной умной женщине проблему, которая состоит в том, как понять, что мы вообще воспринимаем что бы то ни было, но мне это никак не удавалось. Она не могла понять, в чем тут проблема. Наконец, в отчаянии я спросил ее, как она сама считает, каким образом она видит мир. Женщина ответила, что, вероятно, где-то в голове у нее есть что-то вроде маленького телевизора. "А кто же в таком случае, - спросил я, - смотрит на экран?" Тут она сразу же поняла, в чем проблема.
Большинство нейробиологов считает, что в мозгу нет гомункулуса. К несчастью, легче констатировать ошибку, чем не впасть в нее. Это происходит потому, что мы несомненно питаем иллюзию существования гомункулуса - нашей личности. Вероятно, сила и прочность этой иллюзии имеют свои основания. Возможно, она отражает некоторые аспекты общего управления мозгом, но какова природа этого управления, мы еще не узнали.
Следовало бы избегать еще одной общей ошибки. Ее можно было бы назвать "ошибкой премудрого нейрона". Представим себе нейрон, который посылает сигнал на некоторое расстояние по своему аксону.
Что этот сигнал сообщает воспринимающему синапсу? Сигнал, разумеется, закодирован частотой нервных импульсов, но что означает его сообщение? Легко усвоить привычку считать, что оно содержит в себе больше, чем это есть в действительности.
Возьмем, например, нейрон в зрительной системе, который считается цветочувствительным. Предположим, что лучше всего он разряжается при стимуляции пятнышком желтого света. Мы склонны думать, будто он сообщает нам, что свет в этой точке желтый. Однако на самом деле это не так, потому что большинство рецепторов цвета имеют широкую кривую ответов и генерируют импульсы - во всяком случае, в известной степени - в довольно широком диапазоне длин волн. Поэтому данная частота импульсации может быть вызвана и слабым желтым и сильным красным светом. Кроме того, на импульсацию данного нейрона могли повлиять объем движения светового пятна и его точные форма и размеры. Короче говоря, множество разных, хотя и связанных между собой входов вызовут импульсацию одной и той же частоты.
Поскольку относящийся к данному стимулу сенсорный вход в нейрон обладает многими признаками, а выход (грубо говоря) только один, то информация, передаваемая одним нейроном, обязательно неоднозначна. Однако следует иметь в виду, что мы можем, кроме того, извлечь информацию, сравнивая импульсацию одного нейрона с импульсацией другого или нескольких других нейронов. Посредством одного только типа рецепторов (палочек) мы вовсе не можем воспринять цвет, а видим только оттенки серого. Чтобы свет в нашем восприятии был окрашен, нужно не меньше двух типов рецепторов, причем у каждого из них кривая ответов на разные длины волн отличается от кривой для другого нейрона. Опытами показано, что это именно так: мы можем воспринимать цвет палочками при участии хотя бы одного типа колбочек.
Следует иметь в виду, что это соображение относится не только к цвету. Одиночный "детектор границы" в действительности не сообщает нам о наличии границы. Он обнаруживает, говоря приблизительно, "свойство границы" во входных сигналах, т. е. особого типа неоднородность изображения на сетчатке, которая может быть создана многими разными предметами. Одна из задач теоретической нейробиологии состоит в том, чтобы постараться превратить такие неопределенные понятия, как "свойство границы", в математически точные описания.
Это общее соображение относится ко всем уровням нервной системы. Оно ясно показывает, почему для извлечения полезной информации из входной нервной активности нам нужно перерабатывать ее столь многими различными способами.
Но все же, нельзя ли нарисовать некую общую картину переработки информации? Пожалуй, легче всего это сделать, рассматривая зрительную систему и, в частности, зрительную кору большого мозга. На первый взгляд, карта зрительных ответов в стриарной коре (поле 17) представляет собой топологически соответствующую картину половины поля зрения. Но надо сказать, что картина эта определенным образом искажена: большая ее часть соответствует центральной области сетчатки с ее высокой остротой зрения (центральной ямке) и меньшая часть - периферии. Тем не менее эта карта достаточно упорядочена и довольно точна.
Более внимательное рассмотрение показывает, что дело обстоит не так просто. Входы от левого глаза переплетаются в форме полос со входами от правого глаза. Кроме того, каждый глаз обладает входами трех разных типов (от латерального коленчатого тела): один - для Y-клеток сетчатки (которые дают довольно короткие ответы) и остальные два входа - для Х-клеток. Кроме того, .имеются мощные входы от таких образований, как подушка, а также от других областей зрительной коры. Выходов тоже много. От этого поля идет не один выход, а множество, отчасти к нейронам, образующим карты в других зрительных областях, и отчасти к подкорковым областям, в том числе сравнительно крупный выход обратно к латеральному коленчатому телу, откуда первоначально пришли многие входы. Таким образом, этот участок коры представляет собой область множественных входов и множественных выходов. Каждый вход или выход включает множество отдельных аксонов (миллионы), распространяющихся по всей области.
Какую переработку информации выполняет стриарная кора (первичная зрительная область)? Как показано в статье Хьюбела и Визеля, главная функция стриарной коры состоит в ответах на разную ориентацию форм в поле зрения. В каждой "колонке" стриарной коры нейроны отвечают только на одну ориентацию, хотя их ответ может относиться к любому из множества типов. Преобразованная таким образом входная активность затем направляется в другие пункты.
Как широко процесс обработки информации распространяется по коре в разные стороны? Поразительно, что он весьма локален. За пределами нескольких миллиметров уже сравнительно мало взаимосвязей, если не считать аксонных связей диффузного характера, идущих от ствола мозга. Каждый маленький участок содержит множество взаимосвязанных нейронов (каждый квадратный миллиметр поверхности коры включает около 100000 нейронов), но они почти не имеют каких-либо прямых связей с теми нейронами, которые реагируют на более далекие части поля зрения. (У макака общая поверхность стриарной коры в одном полушарии составляет приблизительно 1400 квадратных миллиметров.)
Следует отметить, что пока еще нет убедительных свидетельств о наличии внутри области дискретных модулей. Отношения здесь скорее такие, как между жителями воображаемого города, которым запрещено удаляться от дома более чем на полмили. Они могут общаться со своими соседями на расстоянии одной мили, особенно со своими ближайшими соседями, но не имеют никаких прямых контактов с теми, кто живет подальше.
Примечательно, что это описание, в его самом общем виде, применимо к большей части коры, если не ко всей. Известно множество отдельных зрительных полей, каждое с какой-либо "картой" поля зрения. В коре у ночной обезьяны по меньшей мере восемь, а может быть, и больше, преимущественно зрительных полей. Если мы взглянем на слуховые или на соматосенсорные области, то увидим то же самое. Слуховая кора этой обезьяны состоит из четырех отдельных полей, "картированных" по частоте и, вероятно, по амплитуде. Поверхность тела обезьяны картирована несколько раз в соматосенсорных областях. Во всех случаях входы, большая часть которых идет к средним слоям коры, состоят из чередующихся полос того или иного типа. Эти входы смешиваются при переработке информации, которая происходит в верхних и нижних слоях. После переработки выходная активность направляется упорядоченным образом к нескольким другим пунктам как в коре, так и в подкорковых областях. Вполне оправдана гипотеза, согласно которой в случае такой связи между двумя полями выход одного из них картируется упорядоченно, но необязательно однородно на поверхности второго поля. Кроме того, часто наблюдаются обратные отношения. У обезьяны поле 17 посылает картированную проекцию к полю 18, а это последнее тоже посылает часть своей выходной активности обратно к полю 17. Эти обратные связи, вероятно, не диффузны, а образуют обратную карту. Насколько точно прямая и обратная карты соответствуют друг другу, еще неизвестно. Можно думать, что соответствие окажется довольно точным.
Из того правила, что в корковых слоях не обнаружено отчетливых клубочков нейронов, имеется одно интересное исключение. Это бочонки, исследованные Т. Вулси (Т. Woolsey) с сотрудниками в Медицинской школе Вашингтонского университета и упомянутые в настоящем выпуске в статье У. Коуэна (см. "Развитие мозга"}. Каждый бочонок имеет в поперечнике приблизительно 200 ммк, и, хотя соседние бочонки соединены между собой, связи внутри бочонка гораздо богаче. Это служит иллюстрацией того, как кора справляется с мелкими, пространственно дискретными, а не непрерывными входами.
Возможно ли, что кора содержит фиксированное, определимое число отдельных полей? Это, очевидно, верно для сенсорных и, вероятно, для моторных полей. На приведенном мною рисунке изображена карта зрительной коры ночной обезьяны, составленная недавно Дж. Олменом (J. Allman) с сотрудниками из Калифорнийского технологического института. На ней показаны восемь отдельных полей, картированных в этой области. Как можно видеть, хотя каждое поле и имеет на карте достаточно очерченные границы и определяется в этих случаях вполне однозначно, в коре в этих точках отсутствуют отчетливые изолирующие границы. В обоих полушариях кора представляет собой непрерывный слой с одним только краем. В нем нет "щелей". Неудивительно поэтому, что на границах в картировании имеется, говоря приближенно, локальная плоскость зеркальной симметрии. Иными словами, две карты, по одной с каждой стороны границы, взаимосвязаны. При продвижении вдоль границы эти карты по обе стороны от нее одинаковы. При удалении от нее под прямым углом направление движения в поле зрения на одной карте такое же, как при удалении от границы на другой карте. Если внимательно рассматривать рисунок, то видно, что это правило нарушается только в одном месте. Правило локальной плоскости зеркальной симметрии сохраняет свою силу на картах как слуховой, так и соматосенсорной системы, опять-таки с несколькими исключениями. Этого как раз и следовало ожидать при наличии ряда отдельных карт, которые в то же время до известной степени взаимодействуют по краям. Это позволяет думать, что в процессе эволюции новые функциональные поля головного мозга возникают попарно.
Распространяется ли такое картирование в виде обособленных полей также на остальные части коры, в частности на лобные области, и на то, что мы называем ассоциативными зонами? В настоящее время никто этого не знает даже про обезьян, не говоря уже о человеке. Но уже теперь ясно, что у обезьян большую часть коры можно картировать таким образом. Хотя легко представить себе, как можно было бы разрушить представление о полях (понятие поля полезно только при условии, если несколько разных его определений однозначно приводят к одному и тому же делению на поля), я склоняюсь к тому, что это представление правильно почти для всей коры. А если оно правильно, то сколько же полей в коре человека? Больше 50? Может быть, меньше 100? Если бы каждое поле можно было посмертно четко окрасить так, чтобы точно увидеть, сколько всего полей, каких размеров каждое из них и как именно оно соединено с остальными полями, это явилось бы большим шагом вперед.
До сих пор я говорил только о коре большого мозга, но кора мозжечка очевидно с ней сходна. Здесь также входы упорядочены и образуют более одной карты. Оба главных входа, по-видимому, расположены в виде полос. Есть что-то в эмбриологии, чему "нравятся" полосы. Это очень ярко показала М. Константин-Патон (М. Constantine-Paton) из Принстонского университета, которая путем эмбриологических манипуляций создала лягушек с третьим глазом. В норме на каждый tectum opticum проецируется только один глаз, но в этом случае к нему могут идти проекции от обоих глаз. Когда это происходит, входы располагаются полосами, чего не бывает у нормальных лягушек.
Далее, если взять такие подкорковые области, как таламус, то здесь мы снова найдем некоторые свидетельства упорядоченного картирования. Каждое кортикальное поле обычно содержит карту своего собственного участка таламуса, часто в виде пятен. Упорядоченные карты, очевидно, имеются и в других частях нервной системы - базальных ганглиях, стволе мозга, спинном мозгу и т. д. В каждом таком случае нам нужно точно знать, как раздробить обширную совокупность нейронов на мельчайшие, имеющие определенное значение единицы, даже если эти единицы взаимодействуют до известной степени со своими соседями. Во многих случаях они представляют собой слои или части слоев, в других случаях имеют более компактную форму. Их входы и выходы не всегда расположены так аккуратно, как в коре, и поэтому задача не всегда будет легкой.
Снабженные весьма приблизительной картиной высших отделов головного мозга, мы теперь можем обратиться к общим вопросам о природе связей. Для этого нам нужны два довольно простых понятия: прецизионная схема связей и ассоциативные сети.
В то время как иногда кажется, что в головном мозгу все соединено со всем, в прецизионной схеме связи расположены определенным, упорядоченным образом. Лишь определенные клетки связаны с другими определенными клетками, а общая структура связей часто одинакова у отдельных животных. Прецизионное распределение связей обычно обнаруживается там, где в нем участвует небольшое число клеток, как, например, у сравнительно примитивного беспозвоночного аплизии, описанного в статье Кэндела (см. стр. 59). Хорошим примером служит также небольшой круглый червь Caenorhabditis elegans, которого изучал С. Бреннер (S. Brenner) с сотрудниками в Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже в Англии. У этого вида сеть состоит точно из 279 нейронов, которые соединены между собой в точности одинаково у всех особей. Более многочисленные нейроны тоже могут быть связаны прецизионно, в особенности там, где структура из клеток повторяется многократно, что характерно, например, для глаза мухи. Прецизионное распределение связей не исключает возможности обучения, что ясно показано в статье Кэндела, потому что сила связей может быть изменена опытом.
В то же время, если рассматривать схему распределения связей (в той мере, в какой она нам известна) в области головного мозга у более сложного животного, скажем поля в зрительной коре обезьяны, то обнаружатся два обстоятельства. Клеток здесь гораздо больше, а распределение связей между ними, очевидно, гораздо менее прецизионное. В одном полушарии головного мозга у обезьяны оно, безусловно, не точно такое же, как в другом. Тем не менее связи, идущие от глаза к зрительной коре, распределены вовсе не случайно. Как пишут в своей работе Хьюбел и Визель, эти связи образуют, хотя и не точную, топографическую карту. Нейроны относятся здесь ко многим типам, которые связаны между собой не случайно, хотя точную степень упорядоченности этих связей установить трудно. Создается впечатление, что в пределах одного небольшого участка точные связи отчасти являются делом случая. Кроме того, один предъявляемый глазу простой сигнал - скажем, короткая линия в одном пункте поля зрения - возбудит не один-единственный детектор границы, а, возможно, несколько тысяч таких детекторов. Одним словом, структура связей не только рассчитана на извлечение из входных сигналов их признаков, но, по-видимому, обладает также некоторыми свойствами ассоциативной сети.
Ассоциативная сеть - это абстрактная схема соединений, изучаемая теоретиками - Марром (Marr), К. Лонге-Хиггинсом (Ch. Longuet-Higgins), Л. Купером (L. Cooper) и другими. Такая сеть имеет набор входных каналов (иногда несколько наборов) и набор выходных каналов. Каждый входной канал связан со всеми выходными, но сила связей неодинакова. Точное распределение зависит от типа рассматриваемой сети. Сила связи отрегулирована "на основании опыта" по определенным точным правилам, обычно так, что те проводящие пути, которые часто активируются совместно, каким-то образом усиливаются.
Такие сети служат для тонкой настройки системы с частично прецизионным распределением связей или способствуют вызову сложного выхода, когда приходит входная активность (или еще лучше - частичная входная активность) от чего-либо, с ним связанного. Взглянув на лицо человека, вы вспоминаете его имя (хотя, увы! не всегда). Вы в состоянии вспомнить человека, даже если увидели лишь часть его лица.
Как же в таком случае следует строить общую теорию мозга? На ее пути стоят, по-видимому, три важных ограничительных условия. Первое - это природа физического мира. Повседневный мир, в котором мы живем, не является чем-то аморфным и беспорядочным. Он состоит из предметов, которые обычно занимают определенное пространство и которые, хотя и перемещаются относительно других предметов, сохраняют свои размеры и форму. Зрительно предмет обладает поверхностями, очертаниями, цветом и т. п. Он может испускать звук или запах. Не вникая в детали, безусловно можно ожидать, что какова бы ни была переработка информации, поступающей в мозг, она будет связана с инвариантами и полуинвариантами во внешнем мире, доступными органам чувств.
Эксперимент показывает, что так это и происходит, притом часто неожиданным образом. Хорошим примером является такого рода восприятие цвета, какое показано в опытах Э. Ленда (Е. Land). Можно было бы думать, что когда дело идет о большом цветном пятне, то воспринимается окраска света, который действительно исходит от пятна и падает на сетчатку. На самом же деле цвет в большинстве случаев создается сочетанием окраски света, падающего на предмет, и света, отражаемого поверхностью предмета. Как это ни удивительно, мозг способен извлекать эту последнюю информацию из поступающих зрительных сигналов. Она может в значительной степени компенсировать характер падающего света. То, что мы воспринимаем, больше соответствует отражению от поверхности, которое является свойством самого предмета.
Поразительная демонстрация такого рода феномена проводится в Эксплораториуме в Сан-Франциско, хотя в этом случае поверхности имеют разные оттенки серого - от почти белого до совершенно черного. Освещение, источник которого скрыт, здесь неровное - оно гораздо сильнее в нижней части экспозиции, чем в верхней. Один участок внизу выглядит очень черным, другой участок наверху кажется почти белым. С помощью узких трубок эти участки можно рассматривать каждый по отдельности. И если смотреть в них таким образом, то видно, что оба участка имеют в точности один и тот же оттенок серого. Когда моя жена - художница - у видела этот экспонат, она была поражена и заявила, что это фокус. Она не отдает себе отчета в том, что в известном смысле все, что она видит, это фокус, который показывает ей ее мозг.
Второе ограничительное условие налагается биохимией, генетикой и эмбриологией. Нервная система сделана не из металла или неорганических полупроводников, а из специализированных клеток. Импульс, бегущий по аксону, движется с умеренной скоростью по сравнению со скоростью света (даже несмотря на то, что нейрон может при помощи разных фокусов ускорять его движение); это ограничение налагается на него биохимией. Хотя важную роль в нейронной активности играют такие неорганические ионы, как натрий и калий, не вызывает удивления тот факт, что передача нервного импульса от одного нейрона к другому производится мелкими органическими молекулами, потому что многие такие молекулы синтезируются с легкостью. Удивительно то, что один и тот же медиатор действует в столь многих различных местах - ограничительное условие, вероятно, налагаемое эволюцией.
Дальний конец аксона находится далеко от ближайшего пункта синтеза белка (не считая митохондрий внутри аксона), и это обстоятельство может налагать ограничения на скорость, с которой в нем происходят некоторые биохимические изменения. Вероятно, существуют одни типы нейронных цепей, с которыми организм справляется сравнительно легко, и другие, которые для него непосильны. Насколько мы знаем, генам высшего животного может быть трудно придавать схеме нейронных связей большую точность, особенно если в схеме участвует очень много клеток. Например, точного распределения связей, необходимого для правильного стереоскопического зрения, трудно достичь без того благотворного влияния, какое оказывает некоторый контакт с реальным внешним миром, может быть, потому, что системы, связанные с двумя глазами, вероятно, не могут быть построены с требуемой точностью.
Возможны и другие ограничения. Как предположил много лет назад Г. Дэйл, нейрону, по-видимому, трудно так устроить свои дела, чтобы одна веточка его аксонного дерева выделяла один медиатор, а другая - другой. Этот принцип, возможно, лежит в основе случая, описанного Э. Кэнделом в настоящем выпуске (см. статью "Малые системы нейронов"), когда медиатор, продуцируемый одной и той же клеткой, возбуждал одни клетки, тормозил другие и оказывал смешанное влияние на клетки третьего типа.
Третье ограничительное условие налагается математикой, в частности теорией связи. На первый взгляд может показаться, что некоторые такие результаты противоречат ожиданиям. При известных обстоятельствах распределение, или общая структура (pattern), прекрасно воссоздается на основе небольшой выборки, если производить ее через правильные промежутки. Информация может быть заложена в память в распределенной форме подобно голограмме таким образом, что извлечение части хранимой информации не устраняет какой-либо части картины, хотя снижает до некоторой степени качество всей картины.
Возникает искушение ввести четвертое ограничительное условие, но опыт показал, что оно ненадежно. Это условие налагается эволюцией. Несомненно, все организмы и их компоненты образовались в результате долгого эволюционного процесса, и это обстоятельство никогда нельзя забывать. Однако неразумно было бы угверждать (разве только в самых общих выражениях), что эволюция не могла сделать того-то или должна была сделать то-то. Биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его. Это не значит, что сравнительные биологические исследования не могут показать, что определенная структура часто связана с определенной функцией. Таксономическое сопоставление результатов эволюции может привести к полезным предположениям, но такие предположения всегда должны быть подтверждены прямым экспериментом.
Как бы то ни было, но первые три ограничительных условия мы понимаем лишь частично. Процесс разложения окружающего нас мира на его существенные признаки не всегда протекает прямолинейно. Многие важные вопросы эмбриологии еще не получили ответа. Теория информации - сравнительно новая отрасль знания. Поэтому, хотя и есть возможность получать какие-то наводящие указания, рассматривая все три условия, исследователь редко встречается с таким обилием ограничений, что это практически позволило бы сделать выбор между теориями. Существует так много способов, какими наш мозг мог бы перерабатывать информацию, что без существенной помощи прямых экспериментальных фактов (а они обычно малочисленны) мы вряд ли сделаем правильный выбор.
Существуют ли какие-то идеи, которых следует избегать? Я думаю, что одна, по крайней мере, есть - это идея гомункулуса. Недавно я пытался разъяснить одной умной женщине проблему, которая состоит в том, как понять, что мы вообще воспринимаем что бы то ни было, но мне это никак не удавалось. Она не могла понять, в чем тут проблема. Наконец, в отчаянии я спросил ее, как она сама считает, каким образом она видит мир. Женщина ответила, что, вероятно, где-то в голове у нее есть что-то вроде маленького телевизора. "А кто же в таком случае, - спросил я, - смотрит на экран?" Тут она сразу же поняла, в чем проблема.
Большинство нейробиологов считает, что в мозгу нет гомункулуса. К несчастью, легче констатировать ошибку, чем не впасть в нее. Это происходит потому, что мы несомненно питаем иллюзию существования гомункулуса - нашей личности. Вероятно, сила и прочность этой иллюзии имеют свои основания. Возможно, она отражает некоторые аспекты общего управления мозгом, но какова природа этого управления, мы еще не узнали.
Следовало бы избегать еще одной общей ошибки. Ее можно было бы назвать "ошибкой премудрого нейрона". Представим себе нейрон, который посылает сигнал на некоторое расстояние по своему аксону.
Что этот сигнал сообщает воспринимающему синапсу? Сигнал, разумеется, закодирован частотой нервных импульсов, но что означает его сообщение? Легко усвоить привычку считать, что оно содержит в себе больше, чем это есть в действительности.
Возьмем, например, нейрон в зрительной системе, который считается цветочувствительным. Предположим, что лучше всего он разряжается при стимуляции пятнышком желтого света. Мы склонны думать, будто он сообщает нам, что свет в этой точке желтый. Однако на самом деле это не так, потому что большинство рецепторов цвета имеют широкую кривую ответов и генерируют импульсы - во всяком случае, в известной степени - в довольно широком диапазоне длин волн. Поэтому данная частота импульсации может быть вызвана и слабым желтым и сильным красным светом. Кроме того, на импульсацию данного нейрона могли повлиять объем движения светового пятна и его точные форма и размеры. Короче говоря, множество разных, хотя и связанных между собой входов вызовут импульсацию одной и той же частоты.
Поскольку относящийся к данному стимулу сенсорный вход в нейрон обладает многими признаками, а выход (грубо говоря) только один, то информация, передаваемая одним нейроном, обязательно неоднозначна. Однако следует иметь в виду, что мы можем, кроме того, извлечь информацию, сравнивая импульсацию одного нейрона с импульсацией другого или нескольких других нейронов. Посредством одного только типа рецепторов (палочек) мы вовсе не можем воспринять цвет, а видим только оттенки серого. Чтобы свет в нашем восприятии был окрашен, нужно не меньше двух типов рецепторов, причем у каждого из них кривая ответов на разные длины волн отличается от кривой для другого нейрона. Опытами показано, что это именно так: мы можем воспринимать цвет палочками при участии хотя бы одного типа колбочек.
Следует иметь в виду, что это соображение относится не только к цвету. Одиночный "детектор границы" в действительности не сообщает нам о наличии границы. Он обнаруживает, говоря приблизительно, "свойство границы" во входных сигналах, т. е. особого типа неоднородность изображения на сетчатке, которая может быть создана многими разными предметами. Одна из задач теоретической нейробиологии состоит в том, чтобы постараться превратить такие неопределенные понятия, как "свойство границы", в математически точные описания.
Это общее соображение относится ко всем уровням нервной системы. Оно ясно показывает, почему для извлечения полезной информации из входной нервной активности нам нужно перерабатывать ее столь многими различными способами.
Но все же, нельзя ли нарисовать некую общую картину переработки информации? Пожалуй, легче всего это сделать, рассматривая зрительную систему и, в частности, зрительную кору большого мозга. На первый взгляд, карта зрительных ответов в стриарной коре (поле 17) представляет собой топологически соответствующую картину половины поля зрения. Но надо сказать, что картина эта определенным образом искажена: большая ее часть соответствует центральной области сетчатки с ее высокой остротой зрения (центральной ямке) и меньшая часть - периферии. Тем не менее эта карта достаточно упорядочена и довольно точна.
Более внимательное рассмотрение показывает, что дело обстоит не так просто. Входы от левого глаза переплетаются в форме полос со входами от правого глаза. Кроме того, каждый глаз обладает входами трех разных типов (от латерального коленчатого тела): один - для Y-клеток сетчатки (которые дают довольно короткие ответы) и остальные два входа - для Х-клеток. Кроме того, .имеются мощные входы от таких образований, как подушка, а также от других областей зрительной коры. Выходов тоже много. От этого поля идет не один выход, а множество, отчасти к нейронам, образующим карты в других зрительных областях, и отчасти к подкорковым областям, в том числе сравнительно крупный выход обратно к латеральному коленчатому телу, откуда первоначально пришли многие входы. Таким образом, этот участок коры представляет собой область множественных входов и множественных выходов. Каждый вход или выход включает множество отдельных аксонов (миллионы), распространяющихся по всей области.
Какую переработку информации выполняет стриарная кора (первичная зрительная область)? Как показано в статье Хьюбела и Визеля, главная функция стриарной коры состоит в ответах на разную ориентацию форм в поле зрения. В каждой "колонке" стриарной коры нейроны отвечают только на одну ориентацию, хотя их ответ может относиться к любому из множества типов. Преобразованная таким образом входная активность затем направляется в другие пункты.
Как широко процесс обработки информации распространяется по коре в разные стороны? Поразительно, что он весьма локален. За пределами нескольких миллиметров уже сравнительно мало взаимосвязей, если не считать аксонных связей диффузного характера, идущих от ствола мозга. Каждый маленький участок содержит множество взаимосвязанных нейронов (каждый квадратный миллиметр поверхности коры включает около 100000 нейронов), но они почти не имеют каких-либо прямых связей с теми нейронами, которые реагируют на более далекие части поля зрения. (У макака общая поверхность стриарной коры в одном полушарии составляет приблизительно 1400 квадратных миллиметров.)
Следует отметить, что пока еще нет убедительных свидетельств о наличии внутри области дискретных модулей. Отношения здесь скорее такие, как между жителями воображаемого города, которым запрещено удаляться от дома более чем на полмили. Они могут общаться со своими соседями на расстоянии одной мили, особенно со своими ближайшими соседями, но не имеют никаких прямых контактов с теми, кто живет подальше.
Примечательно, что это описание, в его самом общем виде, применимо к большей части коры, если не ко всей. Известно множество отдельных зрительных полей, каждое с какой-либо "картой" поля зрения. В коре у ночной обезьяны по меньшей мере восемь, а может быть, и больше, преимущественно зрительных полей. Если мы взглянем на слуховые или на соматосенсорные области, то увидим то же самое. Слуховая кора этой обезьяны состоит из четырех отдельных полей, "картированных" по частоте и, вероятно, по амплитуде. Поверхность тела обезьяны картирована несколько раз в соматосенсорных областях. Во всех случаях входы, большая часть которых идет к средним слоям коры, состоят из чередующихся полос того или иного типа. Эти входы смешиваются при переработке информации, которая происходит в верхних и нижних слоях. После переработки выходная активность направляется упорядоченным образом к нескольким другим пунктам как в коре, так и в подкорковых областях. Вполне оправдана гипотеза, согласно которой в случае такой связи между двумя полями выход одного из них картируется упорядоченно, но необязательно однородно на поверхности второго поля. Кроме того, часто наблюдаются обратные отношения. У обезьяны поле 17 посылает картированную проекцию к полю 18, а это последнее тоже посылает часть своей выходной активности обратно к полю 17. Эти обратные связи, вероятно, не диффузны, а образуют обратную карту. Насколько точно прямая и обратная карты соответствуют друг другу, еще неизвестно. Можно думать, что соответствие окажется довольно точным.
Из того правила, что в корковых слоях не обнаружено отчетливых клубочков нейронов, имеется одно интересное исключение. Это бочонки, исследованные Т. Вулси (Т. Woolsey) с сотрудниками в Медицинской школе Вашингтонского университета и упомянутые в настоящем выпуске в статье У. Коуэна (см. "Развитие мозга"}. Каждый бочонок имеет в поперечнике приблизительно 200 ммк, и, хотя соседние бочонки соединены между собой, связи внутри бочонка гораздо богаче. Это служит иллюстрацией того, как кора справляется с мелкими, пространственно дискретными, а не непрерывными входами.
Возможно ли, что кора содержит фиксированное, определимое число отдельных полей? Это, очевидно, верно для сенсорных и, вероятно, для моторных полей. На приведенном мною рисунке изображена карта зрительной коры ночной обезьяны, составленная недавно Дж. Олменом (J. Allman) с сотрудниками из Калифорнийского технологического института. На ней показаны восемь отдельных полей, картированных в этой области. Как можно видеть, хотя каждое поле и имеет на карте достаточно очерченные границы и определяется в этих случаях вполне однозначно, в коре в этих точках отсутствуют отчетливые изолирующие границы. В обоих полушариях кора представляет собой непрерывный слой с одним только краем. В нем нет "щелей". Неудивительно поэтому, что на границах в картировании имеется, говоря приближенно, локальная плоскость зеркальной симметрии. Иными словами, две карты, по одной с каждой стороны границы, взаимосвязаны. При продвижении вдоль границы эти карты по обе стороны от нее одинаковы. При удалении от нее под прямым углом направление движения в поле зрения на одной карте такое же, как при удалении от границы на другой карте. Если внимательно рассматривать рисунок, то видно, что это правило нарушается только в одном месте. Правило локальной плоскости зеркальной симметрии сохраняет свою силу на картах как слуховой, так и соматосенсорной системы, опять-таки с несколькими исключениями. Этого как раз и следовало ожидать при наличии ряда отдельных карт, которые в то же время до известной степени взаимодействуют по краям. Это позволяет думать, что в процессе эволюции новые функциональные поля головного мозга возникают попарно.
Распространяется ли такое картирование в виде обособленных полей также на остальные части коры, в частности на лобные области, и на то, что мы называем ассоциативными зонами? В настоящее время никто этого не знает даже про обезьян, не говоря уже о человеке. Но уже теперь ясно, что у обезьян большую часть коры можно картировать таким образом. Хотя легко представить себе, как можно было бы разрушить представление о полях (понятие поля полезно только при условии, если несколько разных его определений однозначно приводят к одному и тому же делению на поля), я склоняюсь к тому, что это представление правильно почти для всей коры. А если оно правильно, то сколько же полей в коре человека? Больше 50? Может быть, меньше 100? Если бы каждое поле можно было посмертно четко окрасить так, чтобы точно увидеть, сколько всего полей, каких размеров каждое из них и как именно оно соединено с остальными полями, это явилось бы большим шагом вперед.
До сих пор я говорил только о коре большого мозга, но кора мозжечка очевидно с ней сходна. Здесь также входы упорядочены и образуют более одной карты. Оба главных входа, по-видимому, расположены в виде полос. Есть что-то в эмбриологии, чему "нравятся" полосы. Это очень ярко показала М. Константин-Патон (М. Constantine-Paton) из Принстонского университета, которая путем эмбриологических манипуляций создала лягушек с третьим глазом. В норме на каждый tectum opticum проецируется только один глаз, но в этом случае к нему могут идти проекции от обоих глаз. Когда это происходит, входы располагаются полосами, чего не бывает у нормальных лягушек.
Далее, если взять такие подкорковые области, как таламус, то здесь мы снова найдем некоторые свидетельства упорядоченного картирования. Каждое кортикальное поле обычно содержит карту своего собственного участка таламуса, часто в виде пятен. Упорядоченные карты, очевидно, имеются и в других частях нервной системы - базальных ганглиях, стволе мозга, спинном мозгу и т. д. В каждом таком случае нам нужно точно знать, как раздробить обширную совокупность нейронов на мельчайшие, имеющие определенное значение единицы, даже если эти единицы взаимодействуют до известной степени со своими соседями. Во многих случаях они представляют собой слои или части слоев, в других случаях имеют более компактную форму. Их входы и выходы не всегда расположены так аккуратно, как в коре, и поэтому задача не всегда будет легкой.
Снабженные весьма приблизительной картиной высших отделов головного мозга, мы теперь можем обратиться к общим вопросам о природе связей. Для этого нам нужны два довольно простых понятия: прецизионная схема связей и ассоциативные сети.
В то время как иногда кажется, что в головном мозгу все соединено со всем, в прецизионной схеме связи расположены определенным, упорядоченным образом. Лишь определенные клетки связаны с другими определенными клетками, а общая структура связей часто одинакова у отдельных животных. Прецизионное распределение связей обычно обнаруживается там, где в нем участвует небольшое число клеток, как, например, у сравнительно примитивного беспозвоночного аплизии, описанного в статье Кэндела (см. стр. 59). Хорошим примером служит также небольшой круглый червь Caenorhabditis elegans, которого изучал С. Бреннер (S. Brenner) с сотрудниками в Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже в Англии. У этого вида сеть состоит точно из 279 нейронов, которые соединены между собой в точности одинаково у всех особей. Более многочисленные нейроны тоже могут быть связаны прецизионно, в особенности там, где структура из клеток повторяется многократно, что характерно, например, для глаза мухи. Прецизионное распределение связей не исключает возможности обучения, что ясно показано в статье Кэндела, потому что сила связей может быть изменена опытом.
В то же время, если рассматривать схему распределения связей (в той мере, в какой она нам известна) в области головного мозга у более сложного животного, скажем поля в зрительной коре обезьяны, то обнаружатся два обстоятельства. Клеток здесь гораздо больше, а распределение связей между ними, очевидно, гораздо менее прецизионное. В одном полушарии головного мозга у обезьяны оно, безусловно, не точно такое же, как в другом. Тем не менее связи, идущие от глаза к зрительной коре, распределены вовсе не случайно. Как пишут в своей работе Хьюбел и Визель, эти связи образуют, хотя и не точную, топографическую карту. Нейроны относятся здесь ко многим типам, которые связаны между собой не случайно, хотя точную степень упорядоченности этих связей установить трудно. Создается впечатление, что в пределах одного небольшого участка точные связи отчасти являются делом случая. Кроме того, один предъявляемый глазу простой сигнал - скажем, короткая линия в одном пункте поля зрения - возбудит не один-единственный детектор границы, а, возможно, несколько тысяч таких детекторов. Одним словом, структура связей не только рассчитана на извлечение из входных сигналов их признаков, но, по-видимому, обладает также некоторыми свойствами ассоциативной сети.
Ассоциативная сеть - это абстрактная схема соединений, изучаемая теоретиками - Марром (Marr), К. Лонге-Хиггинсом (Ch. Longuet-Higgins), Л. Купером (L. Cooper) и другими. Такая сеть имеет набор входных каналов (иногда несколько наборов) и набор выходных каналов. Каждый входной канал связан со всеми выходными, но сила связей неодинакова. Точное распределение зависит от типа рассматриваемой сети. Сила связи отрегулирована "на основании опыта" по определенным точным правилам, обычно так, что те проводящие пути, которые часто активируются совместно, каким-то образом усиливаются.
Такие сети служат для тонкой настройки системы с частично прецизионным распределением связей или способствуют вызову сложного выхода, когда приходит входная активность (или еще лучше - частичная входная активность) от чего-либо, с ним связанного. Взглянув на лицо человека, вы вспоминаете его имя (хотя, увы! не всегда). Вы в состоянии вспомнить человека, даже если увидели лишь часть его лица.