Мозг материален

Честно говоря, это пробовали проверять и предшественники Бенаби. Когда вы читаете об истории любого открытия, всегда полезно иметь в виду, что все стоят на плечах гигантов, каждая “самая первая” статья об исследовании всегда ссылается на предыдущие попытки[79 - Andy, O. J. (1983). Thalamic stimulation for control of movement disorders. Applied Neurophysiology, 46, 107–111.] сделать то же самое. Но именно Бенаби удалось подобрать и систематически исследовать такие параметры стимуляции, чтобы эффект от нее был максимальным и сопоставимым по эффективности с разрушением участка мозга. Это дало толчок лавине новых исследований как самого Бенаби, так и его последователей. За прошедшие годы методология заметно изменилась: вместо вентрального промежуточного ядра таламуса теперь стимулируют субталамическое ядро, а вместо переменного тока могут применять и постоянный. Это дополнительно усилило ту магию, которую наблюдал Бенаби: пока стимулятор выключен, человека с болезнью Паркинсона непрерывно бьет крупная дрожь, руки ходят ходуном, выполнять какие-либо действия невозможно. Как только вы включаете стимулятор, человек сразу же возвращает себе контроль над движениями.

Симптомы болезни Паркинсона: сильный тремор, ригидность мышц, неустойчивость, трудности с координацией движений – обусловлены гибелью нейронов, вырабатывающих дофамин. Электрическая стимуляция, к сожалению, не воскрешает эти нейроны, но, по?видимому, максимизирует выброс дофамина теми, что остались в живых. То есть речь идет не о полном излечении болезни, но все?таки о серьезном улучшении качества жизни пациентов. Если у вас есть под рукой интернет, обязательно посмотрите на Ютюбе какой-нибудь ролик по запросу Parkinson deep brain stimulation, это правда потрясающее зрелище.

Несколько лет назад вживление электродов в субталамическое ядро пациентов с болезнью Паркинсона было официально одобрено FDA[80 - Okun M. S. et al. (2012). Subthalamic deep brain stimulation with a constant-current device in Parkinson’s disease: an open-label randomised controlled trial. The Lancet Neurology, 11, 140–149.]. В ключевом исследовании[82 - Altinay M. et al. (2015). A comprehensive review of the use of deep brain stimulation (DBS) in treatment of psychiatric and headache disorders. Headache, 55 (2), 345–50.], на которое опирались эксперты, электроды вживили 136 пациентам, страдавшим от выраженных двигательных нарушений по крайней мере в течение 6 часов в день. Те из них, кому повезло попасть в экспериментальную группу (а не в контрольную, не получавшую стимуляции), сообщили о том, что время, в течение которого они чувствовали себя хорошо и не испытывали серьезных проблем с координацией движений, возросло в среднем на 4,27 часа в день, – а это серьезный выигрыш в качестве жизни.

Болезнь Паркинсона – не единственная медицинская проблема, с которой может помочь справиться глубокая стимуляция мозга. Ее можно также применять для лечения обсессивно-компульсивного расстройства и эпилепсии (здесь тоже уже есть одобрение FDA), а исследования проводятся и для ряда других заболеваний: синдрома Туретта, депрессии, биполярного аффективного расстройства и головной боли[81 - Food and Drug Administration, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов, – подразделение американского Минздрава, известное во всем мире своей строгостью в отношении новых процедур лечения. Когда про что?то говорят “одобрено FDA”, это означает “признано эффективным и относительно безопасным”.]. Во всех случаях это крайняя мера, к которой обращаются тогда, когда перепробовали все остальные методы и ничего не помогло. Во всех случаях речь идет не об абсолютном излечении, а об ослаблении симптомов. Вживление электродов – далеко не рядовая повседневная процедура, она требует очень высокой квалификации врачей и не бывает полностью безопасной. Но сама возможность такого лечения напоминает нам, что мозг – материален. Если в нем есть проблема, то во многих случаях возможно найти, где она локализована, и подействовать на этот участок, чтобы он начал работать по?другому. Это непросто и вряд ли когда-нибудь станет просто, но это осуществимо уже сегодня.

Важно помнить и другое. Вживленный электрод – в прямом смысле палка о двух концах. С его помощью можно подавать электрические импульсы, чтобы изменить работу какого?то участка мозга, а можно, наоборот, регистрировать те паттерны электрической активности, которые мозг генерирует совершенно самостоятельно. Это важно не только для исследований мозга, но и для решения медицинских задач. Например, для создания роботизированных протезов, которыми можно управлять напрямую с помощью собственного мозга.

В 2004 году молодой американец Тим Хеммес ехал на мотоцикле и попал в аварию. В результате все его конечности оказались парализованы. Но он не впал в уныние: в видеорепортаже Питтсбургского университета он приезжает в лабораторию хоть и в инвалидном кресле, но зато в хорошей компании: его сопровождает дочь, родившаяся незадолго до катастрофы (уже школьница), и ее мама. В комнате для экспериментов Тима ждет еще и его девушка Кэти. Неудивительно, что у него получается поддерживать хорошие отношения со всеми, потому что даже в интервью, посвященном его роботизированной руке, он фокусируется именно на эмоциональном контакте с близкими, на том, как важно для него самому обнять дочь и самому протянуть руку Кэти – в первый раз за всю историю их отношений.

Такая возможность появилась у парализованного Тима благодаря исследованиям нейробиолога Энди Шварца и его коллег. Еще в 2008 году они научили обезьян манипулировать роботизированной рукой с пятью степенями свободы (вращение плеча в трех плоскостях, сгибание локтя, хватательное движение кисти) достаточно эффективно, чтобы брать кусочки еды и класть их себе в рот[83 - Veliste, M. et al. (2008). Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature, 453 (7198), 1098–101.]. На самом деле учить требовалось не столько обезьян, сколько компьютер, который должен был расшифровывать сигналы, поступающие от моторной коры, и передавать их на шарниры роботизированной руки таким образом, чтобы обезьяна действительно могла делать то, что хочет. Получилось неплохо: уже в первый день тренировки обезьяна успешно донесла еду до рта в 67 попытках из 101 предпринятой.

В случае Тима адаптация к роботизированной руке заняла больше времени и дала меньше возможностей. Во-первых, в его случае электроды не вживляли в кору, а фиксировали на поверхности мозга. Во-вторых, обезьяна не переставала пользоваться собственной рукой, а вот Тим попал в лабораторию только через семь лет после автокатастрофы. Работа началась с того, что ему делали функциональную магнитно-резонансную томографию, показывая видео движений руки; он должен был мысленно представлять, как повторяет их. Это позволило понять, как Тим управляет движениями плеча и локтя, чтобы правильно разместить электроды для кортикографии – 32 платиновых диска на силиконовом лоскуте размером 2 на 4 сантиметра – поверх моторной коры. В течение месяца после этого он учился правильно думать о движениях. Он смотрел видеозаписи движений и пытался мысленно их повторять. Наблюдал за собственной электрокортикограммой и учился целенаправленно вызывать в ней всплески активности. Учился двигать силой мысли курсор на экране компьютера в двухмерном и в трехмерном пространстве. Только после этого ему передали управление рукой – и тренированный Тим действительно сразу смог указывать ею на нужные объекты и протягивать ее своей девушке.

На этом, собственно, его возможности заканчивались. В ходе самого первого эксперимента, в 2011 году, Тима не пытались научить даже совершать хватательные движения кистью. Только плечо и локоть, только силиконовый лоскуток с электродами на поверхности мозга, без углубления в кору. “Мы намеревались только провести быструю демонстрацию, а более интенсивные исследования были невозможны из?за ограниченной длительности эксперимента”, – невозмутимо поясняют исследователи[84 - Wang, W. et al. (2013). An electrocorticographic brain interface in an individual with tetraplegia. PLOS One, 8 (2), e55344.].

Что происходит дальше именно с Тимом, неизвестно: публичность его не вдохновила, и с момента первого испытания роботизированной руки он, по?видимому, общался со СМИ всего один раз, когда собирал деньги на новый микроавтобус для своей семьи. По научным статьям его судьбу тем более не проследить: в них не указывают имена участников исследований. Но в целом лаборатория Энди Шварца процветает и регулярно публикует отчеты о новых успехах. В 2013 году ученые представили широкой общественности своего следующего пациента, Джен Шерман. Ей вживили в моторную кору две пластинки с микроэлектродами, по 96 штук на каждой. Это позволяет записывать сигналы с гораздо более высокой точностью, так что через 13 недель тренировок Джен свободно управляла роботизированной рукой с семью степенями свободы (движение и вращение в трех плоскостях, плюс захват предметов)[85 - Collinger, J. L. et al. (2013). 7 degree-of-freedom neuroprosthetic control by an individual with tetraplegia. Lancet, 381 (9866), 557–564.], а через 17 недель те же электроды позволили ей овладеть уже другим протезом, с десятью степенями свободы (включающими разные положения пальцев)[86 - Woodlinger, B. et al. (2015). Ten-dimensional anthropomorphic arm control in a human brain-machine interface: difficulties, solutions and limitations. Journal of Neural Engineering, 12 (1), 016011.]. На видеозаписях, которыми исследователи щедро сопровождают свои статьи, видно, как Джен перекладывает с места на место разнообразные мелкие предметы, строит пирамидки, вытряхивает мячик из стакана в чашку, а еще – на радость журналистам – подносит ко рту плитку шоколада и откусывает от нее.

Теперь Джен учится управлять с помощью своих электродов авиасимулятором (вряд ли ей уже доведется летать за штурвалом настоящего самолета, но даже играть в компьютерные игры – хорошая возможность для человека, который 13 лет был абсолютно беспомощным), а перед журналистами отдувается следующий пациент, согласившийся на публичность, – Натан Копланд. В 2016 году он прошел через имплантацию четырех пластинок с микроэлектродами. Две из них, как и в случае Джен, были вживлены в моторную кору, но еще две – в сенсорную. Часть ладони роботизированной руки теперь обрела чувствительность. Натан способен с завязанными глазами сказать, к какому из пальцев прикасаются экспериментаторы, и в большинстве случаев определяет верно. Чувства, которые он испытывает при стимуляции его сенсорной коры с помощью вживленных электродов, не совсем такие, как если бы исследователи прикасались к его настоящей руке[87 - Flesher, S. et al. (2016). Intracortical microstimulation of human somatosensory cortex. Science Translational Medicine, 8, 361ra141.]. Из 250 прикосновений всего 12 Натан охарактеризовал как “практически естественные”, 233 – “возможно, естественные” и 5 – “скорее неестественные”. Чаще всего (в 128 случаях из 190, которые он не затруднился описать в деталях) он ощущает давление, на втором месте (79 случаев) – пощипывание, третье место делят между собой чувство тепла и чувство слабого электрического разряда (30 и 29 случаев соответственно). Во всяком случае, ему ни разу не было больно.

Роботизированные протезы (а со временем, будем надеяться, и целые экзоскелеты), управляемые с помощью вживленных электродов, – это весьма многообещающая технология, но до того момента, как она перейдет из лабораторных экспериментов в повседневную жизнь парализованных людей, предстоит решить еще множество технических проблем[88 - Downey, J. E. et al. (2018). Intracortical recording stability in human brain-computer interface users. Journal of Neural Engineering, 15 (4), 046016.]. Люди могут жить с имплантированными электродами по нескольку лет, но качество передачи сигнала нестабильно и снижается со временем. Мозг живой и постоянно изменяется, что отчасти хорошо (потому что человек бессознательно учится активировать именно те нейроны, от которых поступает самый четкий сигнал к электродам), но в значительной степени плохо, потому что нужные нейроны могут погибнуть или же рост глиальных клеток[89 - В мозге есть не только нейроны, но и клетки-няньки, которые о них заботятся. Они страшно недооценены, про них никто никогда ничего не рассказывает; я постараюсь хотя бы отчасти исправить эту несправедливость в “Кратком курсе нейробиологии”.] может просто оттеснить их подальше от электрода, и сигналы от них перестанут распознаваться. Сама компьютерная обработка сигнала требует регулярной калибровки, то есть невозможно просто привинтить роботизированную руку к инвалидному креслу пациента и отпустить его заниматься своими делами: ученым все равно будет необходимо встречаться с ним каждый день, чтобы настраивать систему, иначе движения роботизированной руки быстро станут хаотическими и бесполезными. Тим, Джен и Натан, как и другие пациенты департамента нейробиологии Питтсбургского университета, соглашаясь на операцию и многонедельные тренировки, отдают себе отчет в том, что лично их жизнь это улучшит разве что в смысле общения с хорошими учеными и получения необычного опыта. До того момента, когда роботизированные руки можно будет использовать постоянно и в любом месте, эти пациенты, честно говоря, могут и не дожить. Тем больше восхищения они заслуживают, когда день за днем зажимают камешки и пирамидки в своем роботизированном кулаке: маленький захват для человека, огромный захват для человечества.

Альтернативный подход к восстановлению движений у парализованных людей – это функциональная электрическая стимуляция. Она возможна благодаря тому, что мышцы, как и нейроны, электрически активны. Можно подать на них электрические стимулы, и мышцы будут сокращаться. А можно, наоборот, записать электрические сигналы от сокращающихся мышц – еще и намного более сильные, чем от мозга. Соответственно, в классическом варианте функциональная электрическая стимуляция подразумевает передачу сигнала от одних мышц человека – тех, над которыми он сохранил контроль, – к тем, над которыми контроль потерян. Например, вы надуваете щеку, и ваша парализованная рука совершает хватательное движение. Это хорошая технология, во многих случаях она помогает людям управлять конечностями, а также восстанавливать контроль над мочеиспусканием и дефекацией. Но все равно есть проблемы. Во-первых, возможности функциональной электрической стимуляции зависят от того, как много осталось мышц, которыми человек способен управлять. Во-вторых, неизбежны ложные срабатывания, когда человек всего лишь хочет использовать контролирующие мышцы по их прямому назначению. В-третьих, это требует долгого и не всегда успешного обучения; такое управление своим телом антиинтуитивно.

Поэтому здорово, что в 2017 году сотрудники Университета Кейс-Вестерн-Резерв выпустили статью[90 - Ajiboye, A. B. et al. (2017). Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. Lancet, 389 (10081), 1821–1830.] о том, что они совместили функциональную электрическую стимуляцию с вживлением электродов в моторную кору. Пациент, переживший травму шейного отдела спинного мозга и утративший подвижность всех четырех конечностей, прошел через операцию, аналогичную той, которую проводили с Джен Шерман. Первоначально он учился пользоваться вживленными электродами, чтобы управлять виртуальной рукой на экране компьютера. Еще одним подготовительным этапом была стимуляция мышц руки внешними электрическими импульсами – по восемь часов в неделю в течение 27 недель, – просто чтобы вернуть мышцам силу, утраченную за годы паралича. Но главное – пациенту вживили под кожу руки 36 стимулирующих электродов и соединили их с чувствительными электродами, анализирующими электрическую активность мозга. К сожалению, не напрямую: провода все равно выходили из головы, тянулись к компьютеру, декодирующему сигнал, затем к усилителю сигнала и только после этого на мышцы руки. Ее движения все равно были менее точными, чем в случае виртуальной конечности, – и даже менее точными, чем у роботизированной руки Джен. Это практически неизбежно: настоящая рука – тяжелая, громоздкая и неповоротливая, очень сложно управлять ей аккуратно, когда мозг не получает обратной связи от мышц и суставов. Но все же пациент уже за 15 часов практики научился подносить ко рту кружку с кофе и пить его через соломинку и есть картофельное пюре вилкой. Безо всякого робота. Своей рукой.

Царь зверей

Понятно, что любые эксперименты с вживлением электродов людям в наше время проводятся строго по медицинским показаниям. Только тогда, когда есть надежда улучшить жизнь человека и при этом он сам осознает, в какой степени она обоснована, и добровольно соглашается принять все риски, связанные с операцией и вмешательством в мозг. Если вы просто хотите получить какую?то новую информацию о работе нервной системы без отчетливой прикладной пользы (хотя бы потенциальной), то, даже если вы убедите добровольцев в этом участвовать, этический комитет университета не разрешит вам ничего делать. Даже если вы каким?то образом ускользнете от его внимания и проведете свой дьявольский эксперимент, вы не сможете его опубликовать.

С животными проще. Их интересы этические комитеты университетов тоже охраняют, но исходят там немного из другой расстановки ценностей: важно не то, принесет ли вмешательство пользу самому подопытному, а то, может ли оно в перспективе открыть новые идеи или дать новые отработанные технологии, чтобы принести пользу людям. Я разделяю эту точку зрения, вы не обязаны со мной соглашаться; если вы мой постоянный читатель, то помните, что этические проблемы, связанные с экспериментами на животных, подробно обсуждались в книжке “В интернете кто?то неправ!”. Здесь приведу только аналогию: когда наша иммунная система формирует антитела, она использует механизм совершенно случайного перебора вариантов, делает горы белков, которые совершенно неизвестно для чего пригодятся, и большинство из них действительно не пригодится никогда. Но когда в организм попадает совершенно новый вирус, то благодаря вот этому случайному хаотическому перебору обычно выясняется, что у нас уже есть какие?то антитела, способные с ним связаться и замедлить его распространение в организме, и именно их можно “допилить”, чтобы иммунная система оказалась способна полностью справиться с болезнью. Так и тут: наука – это защитная система общества, она придумывает, как спасать нас от голода, болезней, бедности, зимы и вселенской скорби. Она не всегда видит прямые и четкие пути, как это сделать, во многих случаях она просто накапливает данные, разрабатывает методы, проверяет гипотезы одну за другой, и каждое такое действие повышает вероятность того, что, когда какая?то проблема встанет остро или когда, наоборот, выплывут какие?то новые возможности, у человечества уже окажется заранее разработанный набор инструментов, позволяющий справиться с неожиданной ситуацией. Опыты на животных могут быть относительно простыми (“Зачем это проверять? И так гипотетически понятно!”) или зубодробительно сложными (“Да это никогда не войдет в практику! Что вы время и деньги тратите?”), но фокус в том, что далеко не всегда возможно заранее отличить одно от другого. И никогда заранее не известно, где, когда и как это полученное знание окажется критически важным.

Вот пример того, что кажется простым: радиоуправляемые крысы. Принцип действия и правда незамысловатый: в мозг подопытных вживлены три электрода, означающие “направо”, “налево” и “вот тебе вознаграждение”. Первые два стимулировали соматосенсорную кору в той области, которая обрабатывает сигналы от вибрисс (усов), то есть у крысы возникало такое чувство, как будто бы что?то прикасается к ее вибриссам – справа или слева соответственно. Третий электрод, самый важный, был вживлен в медиальный пучок переднего мозга, то есть в нервные волокна, передающие возбуждение к прилежащему ядру (“центру удовольствия”). После того как такая система выстроена, крысу можно за несколько экспериментальных сессий натренировать делать то, чего вы от нее хотите. Сначала вы можете вознаграждать ее каждый раз, когда она просто идет вперед (и если вы будете увеличивать интенсивность стимуляции, то животное будет соглашаться идти вперед даже в не предназначенных для этого условиях, например если нужно одновременно карабкаться вверх). Потом дополнительно приучаете поворачивать направо при стимуляции правой соматосенсорной коры и налево – при стимуляции левой и вознаграждаете и это тоже. Как только животное поймет правила игры, вы можете запустить его в любой новый лабиринт и провести через него самым быстрым и разумным путем. При этом вы управляете крысой с ноутбука, а микростимулятор она несет сама – в рюкзачке. Это позволяет животному удаляться от ноутбука на 500 метров и все еще быть управляемым. В конце статьи, опубликованной в 2002 году, ученые обещают, что такие крысы в скором времени начнут использоваться для поиска людей под завалами. До этого, кажется, на практике пока так и не дошло, но, по крайней мере, такие головокружительные перспективы помогли исследователям опубликоваться в хорошем журнале[91 - Talwar, S. K. et al. (2002). Rat navigation guided by remote control. Nature, 417, 37–38.].

Есть задача и посложнее – создание радиоуправляемых летающих насекомых. Дело в том, что насекомые прекрасны и восхитительны с инженерной точки зрения. Они очень энергоэффективны. Механический летающий робот, созданный человеком, может весить три грамма и при этом лететь куда-нибудь в течение трех минут – потом садится батарейка, и так составляющая треть его веса. Муха весит меньше и летает значительно дольше. Неудивительно, что в мире работает сразу несколько исследовательских групп, которые хотели бы заставить муху (или другое насекомое) лететь туда, куда они прикажут.

Существует несколько способов это сделать, более или менее пригодных для разных видов насекомых[92 - Sato, H. & Maharbiz, M. (2010). Recent developments in the remote radio control of insect flight. Frontiers in Neuroscience, 4, 199.]. Например, африканские жуки рода Mecynorhina (масса – 10 граммов, электроды с аккумулятором – еще 1,22 грамма, остаточная грузоподъемность – 3 грамма) обладают удобным свойством: они летят, пока светло, и останавливаются, если стемнело. Это означает, что им можно вживить электроды в оптическую долю, чтобы они думали, что кругом белый день (или темная ночь), и, соответственно, летели или нет. Чтобы заставить насекомых поворачивать, можно использовать их склонность лететь к свету (и врубать им светодиоды, прикрученные прямо к голове) или склонность поворачивать голову в направлении движения (и, соответственно, стимулировать им шейные мышцы с этой целью), а еще можно непосредственно воздействовать на мышцы крыльев: если вы машете правым крылом сильнее, то вас начинает сносить влево (попробуйте проверить сами, когда в следующий раз будете плавать в бассейне).

Самые причудливые вещи делает с животными Мигель Николелис из Университета Дьюка. Он хочет создать нечто вроде интернета из мозгов. Соединить нескольких животных в единую мыслящую сеть, способную коллективно обрабатывать информацию и принимать решения. На самом деле, конечно, помимо этого он публикует множество серьезных работ о нейроинтерфейсах, нейропротезах и лечении повреждений нервной системы, но законы журналистики суровы, и в научно-популярные книжки Николелис попадает не с самыми важными своими статьями, а с боковыми ответвлениями от своей основной работы. Просто потому, что их интереснее читать и пересказывать широкой общественности.

В 2013 году Николелис и его коллеги[93 - В том числе Михаил Лебедев, недавно возглавивший Центр биоэлектрических интерфейсов в НИУ ВШЭ.] научили крыс обмениваться информацией на расстоянии[94 - Pais-Vieira, M. et al. (2013). A brain-to-brain interface for realtime sharing of sensorimotor Information. Scientific Reports, 3, 1319.]. У вас есть пара подопытных животных, и они хотят пить. В клетке у каждой крысы есть две поилки, но вода появится только в одной из них и ненадолго, так что важно сделать правильный выбор. У первой крысы есть подсказки: она должна либо нажать на тот рычаг, который подсвечен фонариком, либо просунуть голову между двумя перегородками, расстояние между которыми автоматически меняется, и затем выбрать правую или левую поилку в зависимости от сиюминутной ширины щели (естественно, животных заранее тренировали это делать). У второй крысы тоже есть две поилки, и она тоже хочет пить, но внешний мир не дает ей подсказок. Зато подсказки дает ей внутренний мир: в ее моторную или сенсорную кору вживлены электроды. У первой крысы, соответственно, тоже. Они записывают активность мозга той крысы, которая приняла решение, и подают сигналы другой крысе, которой еще предстоит сделать выбор. Если вторая крыса справилась, то первая получает еще один глоток воды, так что в ее интересах стараться думать погромче. Правильно расшифровывать сигнал удавалось не всегда, но все же крысы, ориентирующиеся на сигналы от своих микроэлектродов, выбирали правильную поилку более чем в 60 % случаев, и это достоверно выше вероятности случайного угадывания. В одном из экспериментов крысы в паре находились в двух разных лабораториях, в Бразилии и США, и передавали свои мысли по интернету. Примерно как мы.

Но это еще нельзя назвать совместной работой над решением задачи. Зато трех обезьян, которые должны силой мысли привести виртуальную руку в правильную точку экрана, – уже можно[95 - Ramakrishnan, A. et al. (2015). Computing arm movements with a monkey Brainet. Scientific Reports, 5, 10767.]. Идея в том, что каждая обезьяна по отдельности способна управлять движением только в двух плоскостях. Только вверх-вниз и вперед-назад, но не вправо-влево. Или только вперед-назад и вправо-влево, но не вверх-вниз. Или, соответственно, только вверх-вниз и вправо-влево. Таким образом, любые две обезьяны с задачей справиться могут, а одна – нет. Причем, действительно, если одна из трех обезьян отвлекалась от задания (или была отключена от него исследователями), то оставшимся двум приходилось в буквальном смысле думать более интенсивно, чтобы справиться с заданием. Принципиально и то, что со временем животные сработались и им требовалось все меньше и меньше времени для того, чтобы направить виртуальную руку куда нужно. “Основываясь на этих доказательствах, – заключают исследователи, – мы полагаем, что мозги приматов могут быть интегрированы в самостоятельно адаптирующуюся вычислительную структуру, способную к достижению общей поведенческой цели”.

И я держу равнение, даже целуясь,
На скованных одной цепью.

Глава 3

Башни-излучатели: ожидание и реальность

Вы наверняка слышали о карго-культах, но если нет, то отвлекитесь от книжки и сделайте поиск по картинкам, они прекрасны. Во время Второй мировой войны и в первые годы после нее на островах Меланезии размещались многочисленные военные базы, как японские, так и европейские. С Большой земли солдатам доставляли одежду, продукты, лекарства, палатки и еще множество ценных вещей. Чаще всего их сбрасывали на парашютах, пролетая над островами. Меланезийцы могли либо сами находить блага цивилизации, либо получать их от солдат в обмен на содействие. Но потом война закончилась, солдаты вернулись домой, и приток полезных предметов прекратился. Чтобы вернуть утраченную милость небес, островитяне начали имитировать действия, которые они наблюдали у европейцев. Они проводили военные парады, маршируя с палками, изображавшими ружья. Строили деревянные самолеты. Сооружали радиоантенны из прутьев и соломы[96 - Надо сказать, что это сработало. Карго-культы вызвали широкий интерес у западных ученых, они стали организовывать исследовательские экспедиции, и островитяне получили еще много полезных вещей.].

Это кажется забавным до тех пор, пока мы не начинаем читать современные околонаучные новости на развлекательных ресурсах. “Девушки, которые не ленятся краситься, получают большую зарплату”, – сообщает нам AdMe. “Ребенок, выросший в доме, в котором содержится более 500 книг, в среднем проводит в учебных заведениях на три года больше”, – говорит The Telegraph. Что может быть проще? Хотите много зарабатывать – начинайте краситься. Хотите, чтобы ваш ребенок благополучно окончил школу и поступил в университет, – заведите в доме библиотеку. (Хотите больше посылок с едой – постройте деревянный самолет.)

На самом деле, очевидно, нет. Такие научные новости базируются на настоящих исследованиях с большими выборками[97 - Wong, J. S. & Penner, A. M. (2016). Gender and the returns of attractiveness. Research in Social Stratification and Mobility, 44, 113–123.],[98 - Evans, M. D. R. et al. (2010). Family scholarly culture and educational success: books and schooling in 27 nations. Research in Social Stratification and Mobility, 28 (2), 171–197.] и даже не то чтобы очень сильно искажены относительно первоисточников. Но оба исследования – корреляционные. То есть ровным счетом ничего не говорят о причинно-следственной связи. Смотрите, что получается:

1. Да, мы действительно видим, что ухоженность и высокий заработок (или книжки и образование) идут рука об руку. Это не означает, что закономерность будет соблюдаться для каждого конкретного человека, но вот уже если посмотреть на 100 испытуемых, скорее всего, она проявится. Исследователи в обоих случаях брали много тысяч людей и в обоих случаях получили p < 0,001. Другими словами, вероятность того, что им просто попались неправильные респонденты, а для общества в целом такой корреляции нет, крайне невелика: меньше чем 1 к 1000.

2. Но мы понятия не имеем, что было раньше: курица или яйцо. Начали ли женщины следить за своей одеждой, прической и макияжем и из?за этого им повысили зарплату? Или им повысили зарплату, и у них появилось больше возможностей ухаживать за собой? Даже в случае со школьной успеваемостью нельзя исключать, не проверив, обратную последовательность: в семье рос любознательный ребенок, и поэтому родители накупили много книг.

3. Самое главное: возможно, эти факторы вообще не связаны друг с другом напрямую. Они могут быть двумя следствиями одной и той же причины. Допустим, у некоторых женщин дома хорошо, тихо и спокойно, никто их не дергает, и это позволяет им, с одной стороны, читать вечерами профессиональную литературу, а с другой стороны, неторопливо краситься по утрам. Допустим, ребенок все эти книги с полок вообще ни разу в жизни не открывал, но зато у него есть умный дедушка, который в свое время их накупил, и этот дедушка всю дорогу помогал ему решать задачи по алгебре и физике. И делал бы это независимо от того, есть в доме книги или нет.

Сами исследователи никогда не отказывают себе в удовольствии поговорить в финале статьи о том, как могла бы работать прямая причинно-следственная связь. “Диктат красоты, – отмечают они, – хороший способ контролировать женское поведение. Ухоженная женщина демонстрирует конформность, готовность играть по правилам, и работодатели это поощряют”. Или так: “Дом, полный книг, предоставляет детям возможности, полезные в школьном образовании, стимулирует развитие словарного запаса, расширение набора фактических знаний, навыки понимания, развивает воображение”. Все эти соображения ценны и интересны. Но важно не впадать в карго-культ. Только тогда, когда мы возьмем 1000 женщин с одинаковым уровнем образования и профессиональных навыков, убедим половину группы краситься и делать укладку и маникюр, а половину попросим этого не делать и сравним изменения в их зарплате через три года такой жизни, мы сможем говорить, что ухоженность способствует деньгам. И только когда мы возьмем детей этих женщин, отберем у одних половину книг, а другим привезем еще столько же и посмотрим на их оценки через три года, мы сможем говорить, что книги способствуют успеваемости. То есть, в идеальном случае, мы должны создать ситуацию, в которой экспериментальная и контрольная группа не отличаются друг от друга вообще ничем, кроме единственного фактора, который нас интересует, чтобы можно было посмотреть именно на его влияние. В этом, собственно, заключается ключевая идея экспериментального метода, единственного надежного источника информации о причинно-следственных связях. А пока такая работа не проведена, у меня для вас хорошие новости: если вы хотите больше денег, это не означает, что вам надо срочно начинать краситься. (Впрочем, если вы хотите, чтобы ваш ребенок поступил в университет, то вы вполне можете скупить все книги издательства Corpus. Это я одобряю. Я заинтересованная сторона.)

Мы, люди, по природе своей склонны замечать совпадения между событиями и трактовать их как причинно-следственные связи. Вообще?то это здорово. Это помогает нам учиться на своих ошибках, придумывать новые способы добычи ресурсов, лучше предсказывать поведение окружающих. Но, как и любой другой эволюционно выгодный механизм принятия решений, эта наша склонность время от времени приводит нас к ложным выводам, заставляет находить несуществующие закономерности, способствует формированию суеверий. Поэтому научный метод направлен скорее как раз на то, чтобы помешать нам видеть причинно-следственные связи там, где их на самом деле нет. В XIX веке британский философ Джон Стюарт Милль сформулировал три критерия причинности, которые полезно держать в голове и применять к любой закономерности, замеченной нами в окружающем мире. Мы можем обоснованно предполагать, что А – это причина Б, только когда соблюдаются три условия сразу: во?первых, А предшествует Б во времени, всегда сначала происходит одно, а потом уже другое; во?вторых, действительно, между ними есть корреляция, то есть изменение А вызывает столь же сильное (или столь же слабое) изменение Б; последнее по порядку, но не по важности – мы должны убедиться, что не можем найти других правдоподобных объяснений.

Все это очень актуально для исследований, в которых устанавливают взаимосвязи между структурами мозга и их функциями. Львиная доля данных об этом получена с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии. Она крутая, никто не спорит. Но у нее есть несколько методологических проблем[99 - Lieberman, M. D. & Cunningham, W. A. (2009). Type I and type II error concerns in fMRI research: re-balancing the scale. Social Cognitive and Affective Neuroscience, 4 (4), 423–428.],[100 - Logothetis, N. K. (2008). What we can do and what we cannot do with fMRI. Nature, 453 (7197), 869–878.]

Прежде всего, фМРТ – медленная: она регистрирует не саму активность нейронов, а приток крови к ним, а на его изменение может требоваться, например, секунда. За секунду в мозге произойдет множество событий; фМРТ не позволит сказать точно, в какой последовательности они происходили.

Вторая серьезная проблема связана с тем, что мозг, к сожалению, работает не на 10 %, как утверждается в популярном мифе; он все время работает весь целиком, каким бы заданием ни был занят ваш испытуемый. Поэтому среди огромного множества участков, к которым увеличился приток крови во время выполнения задания, будут те, которые имеют отношение к делу, и еще больше тех, которые отношения к делу не имеют, а заняты чем?то совершенно другим и просто по совпадению оказались более активны именно в этот момент. Вы, конечно, будете работать со многими испытуемыми и заставите их выполнить задание много раз, но и участков мозга у вас очень много, и поэтому среди них все равно найдутся такие, которые в большинстве случаев оказались активны при выполнении задания просто в результате случайного совпадения. Чтобы бороться с этой проблемой ложноположительных результатов, исследователи применяют очень строгие статистические критерии. И, соответственно, неизбежно упираются в проблему ложноотрицательных результатов, когда на самом деле активность этого участка мозга все?таки была важна, но оказалась недостаточно убедительной, и ее выкинули из анализа.

И наконец, всегда есть проблема интерпретации результатов. Даже если вы твердо уверены, что приток крови к конкретному участку мозга всегда связан с выполнением конкретного задания, вам все равно еще предстоит понять, почему так происходит, что конкретно делает этот участок. Допустим, вы собрали гору исследований о том, что амигдала активна, когда вы показываете человеку страшные картинки. Но означает ли это, что она нужна именно для того, чтобы бояться? Может быть, это не “центр страха”, а “центр храбрости”, который позволяет человеку лежать и смотреть на страшную картинку, вместо того чтобы с визгом выбираться из томографа и портить вам весь эксперимент? В случае с амигдалой мы думаем, что все?таки нет. Например, потому что у нас еще есть результаты исследований людей с повреждениями мозга и известно, что без амигдалы они становятся, наоборот, более бесстрашными. А вот если подходящих людей с травмами нет, то прийти к надежным выводам только с помощью фМРТ ну не то чтобы совсем невозможно, но это требует огромного массива разнообразных экспериментов, в которых вы не только регистрируете предшествование во времени и корреляцию, но и планомерно, шаг за шагом, исключаете все многочисленные альтернативные способы трактовки этих данных, пока не будете уверены, что остановились на самом правдоподобном.

То есть выводы, полученные с помощью фМРТ, всегда хорошо бы подкреплять с помощью других методов. Но мы же не можем ловить людей и вырезать им амигдалу? Они сами не согласятся, и этический комитет университета не разрешит, и научный журнал не опубликует. Честно говоря, в случае с амигдалой действительно мало что можно сделать. Но вот когда мы говорим о поверхностных, расположенных близко к стенкам черепа участках мозга, то у нас есть способ их повредить так, что и люди согласятся, и этический комитет не подкопается. Для этого надо повредить их безопасно, безболезненно и полностью обратимо.

И тут на сцену выходит транскраниальная магнитная стимуляция, ТМС.

Что происходит?

Ключевое свойство нейронов – способность проводить электрический ток. О том, как именно они это делают, я подробно рассказываю в “Кратком курсе нейробиологии” в конце книги. Основная идея в том, что на мембранах нервных клеток постоянно поддерживается разность потенциалов. В состоянии покоя внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а внешняя – положительно. Это возможно благодаря тому, что мембраны густо пронизаны белковыми каналами, способными выборочно пропускать внутрь и наружу разные ионы.

В момент проведения нервного импульса на каком?то маленьком участке мембраны нейрона на короткое время происходит деполяризация: ионные каналы запускают внутрь положительно заряженные ионы натрия, разность потенциалов между внутренней и наружной стороной становится гораздо меньше, а часто и вовсе меняет знак: теперь, наоборот, положительно заряженной оказывается внутренняя сторона мембраны. А дальше запускается цепная реакция: ионные каналы, расположенные по соседству, реагируют на деполяризацию мембраны и тоже начинают запускать натрий внутрь клетки (а на том участке, с которого все началось, наоборот, постепенно восстанавливается исходная разность потенциалов). Таким образом возбуждение распространяется вдоль по отростку нейрона. В конце концов оно придет к синапсу (месту контакта с соседней клеткой), и там произойдет выделение нейромедиаторов – межклеточных передатчиков сигнала, которые инициируют (или, наоборот, подавят) такие же процессы в следующей клетке.