Мозг и его «Я». Кто мы? Откуда мы? Куда мы идем?

Науке о мозге предстояло пройти еще долгий путь.

Франц Галль: карта способностей мозга

Френологические инструменты и метод исследования черепа.

Вверху: измерительные приборы для краниометрии; иллюстрация из G. Combe, Elements of Phrenology («Элементы френологии»), Эдинбург, 1824 г.

Внизу: размеченная френологическая карта головы; J. G. Spurzheim, Phrenology, or the Doctrine of the Mind («Френология, или учение о разуме»), Лондон, 1825 г.

Френология впервые делает кору больших полушарий главным объектом изучения психических способностей. Приборы и схемы демонстрируют попытку превратить изучение разума в измерительную процедуру.

Многим, даже далеким от истории нейронауки, знакомо слово «френология» – обычно как обозначение наивной и давно опровергнутой теории. Гораздо меньше известно, что ее создатель, австрийский врач Франц Йозеф Галль (1758–1828 гг.), был одним из наиболее талантливых нейроанатомов своего времени и внес важный вклад в изучение строения мозга. Именно он ввел последовательное различение серого вещества мозга – области тел нервных клеток – и белого вещества, образованного проводящими путями.

Сам Галль рассказывал, что импульс к его будущей теории объективного выявления способностей мозга возник еще в детстве. В девять лет он заметил, что один из его одноклассников обладал поразительной вербальной памятью. У этого мальчика были выпуклые глаза – les yeux a fleur de tete («коровьи глаза»). «Хотя у меня не было предварительных знаний, – писал Галль позже, – меня осенила мысль, что глаза, сформированные таким образом, являются признаком отличной памяти… И это дало мне первый импульс для всех моих исследований».

Из этой догадки выросла целостная теория. Для ее создания Галль собрал более 300 черепов людей, чьи психические особенности были установлены при жизни, а также более 120 слепков черепов живых современников. В обобщающем шеститомном труде Sur les fonctions du cerveau et sur celles de chacune de ses parties («О функциях мозга и каждой его части…» 1825 г.) Галль формулирует основные положения френологии. Кора головного мозга является органом разума и сознания; она состоит из отдельных областей, каждая из них функционирует относительно независимо. Развитие способности связано с размером соответствующей области, а степень этого развития, по мысли Галля, отражается в форме черепа.

В своей системе Галль выделял 27 функциональных областей коры; его ближайший соратник Иоганн Шпурцгейм (1776–1832 гг.) позднее добавил еще восемь зон. Для проверки своих предположений они разрабатывают метод, получивший название краниометрии: измерение и пальпация черепа, использование специальных циркулей и линейных инструментов. Позже Шпурцгейм вводит для этого подхода термин «френология». Психические способности впервые получают пространственное, картографическое представление. Учение Галля сразу вызвало сопротивление, и прежде всего со стороны церкви. Его лекции были запрещены в Австрийской империи как противоречащие христианскому учению о душе, и в 1807 году, покинув Вену, он поселяется в Париже, где его присутствие также воспринимается с явной настороженностью – в том числе императором Наполеоном Бонапартом.

Френология: портрет личности через мозг

Френологическая карта психических способностей.

Рисунок, Великобритания, первая половина XIX века.

Поверхность головы разделена на десятки областей, каждая из которых подписана как отдельная способность или черта характера – от памяти и рассудка до тщеславия и склонности к преступлению.

Летом 1850 года образовательный клуб коммунистических рабочих Лондона устроил пикник. Среди его участников были молодой немецкий социалист Вильгельм Либкнехт и уже знаменитый тридцатидвухлетний Карл Маркс. Либкнехт вспоминал, что Маркс не только «экзаменовал его вопросами», но и ощупывал его череп, «заставляя пальцы плясать по голове, как настоящий знаток». Маркс был приверженцем френологии и практиковал ее как способ оценки новых членов при приеме в Коммунистический союз. В середине XIX века в этом не было ничего необычного: френология стала языком, на котором общество говорило о личности.

Френологические карты применялись не к абстрактному человеку, а к конкретным фигурам – политикам, преступникам, писателям, «гениям» и «безумцам». Появлялись не только заказные «френологические портреты», но и френологические карты головы Шекспира, Наполеона, «главы страны», сатирические и политические версии карт черепа. Журналы вроде American Phrenological Journal соединяли псевдонаучные интерпретации, моральные наставления и бытовые советы.

Френология проникла и в литературу: она упоминается в «Джейн Эйр» Шарлотты Бронте, в «Отце Горио» Оноре де Бальзака и в рассказах о Шерлоке Холмсе. Многие известные личности XIX века – от Марка Твена до Джорджа Элиота – испытывали ее влияние. В одной только Великобритании было создано 29 френологических обществ, а популярные книги по френологии расходились сотнями тысяч экземпляров. Такой успех во многом был связан с деятельностью шотландского юриста Джорджа Комба, сделавшего акцент на самосовершенствовании. Его книга Constitution of Man (1827 г.) уступала по тиражам лишь Библии.

Критика френологии существовала с самого начала. Наполеон I язвительно отмечал, что никакая выпуклость не объяснит склонностей, возникающих из социальных условий. В 1845 году кембриджский учитель Дарвина профессор Адам Седжвик называл френологию «выгребной ямой человеческой глупости». Во второй половине XIX века многие френологические общества начали распадаться.

Однако угасание было медленным. Уже и тогда, когда научные основания были подорваны, френологические схемы продолжали циркулировать. Их вытеснение потребовало новых инструментов – микроскопа, эксперимента и клинического наблюдения.

И даже с их появлением визуальный язык френологии – картирование мозга, функциональные зоны – продолжил существовать, пережив собственные теоретические основания.

Николай Пирогов: ледяная томография мозга

Николай Иванович Пирогов. Анатомические срезы головы и мозга.

Литографии из Anatome topographica… («Иллюстрированная топографическая анатомия…»), Санкт-Петербург, 1859 г.

Пирогов впервые представляет мозг не путем препарирования, а серией срезов замороженной головы, выполненных в ортогональных плоскостях. Метод сохраняет пространственные соотношения структур и делает видимым их взаимное расположение.

Пока Западная Европа и Америка были увлечены картированием выпуклостей черепа, принципиально иной метод картирования тела и мозга изобретал в холодном Санкт-Петербурге молодой и необычайно талантливый хирург Николай Иванович Пирогов (1810–1881 гг.).

Идея метода возникла у Пирогова зимой 1835–1836 годов, когда он наблюдал, как на Сенном рынке Санкт-Петербурга мясники разрубали замороженные свиные туши. Вид сохранявшегося на ровных плоскостях естественного положения тканей навел его на мысль о трехмерной анатомии, основанной на послойных ортогональных распилах замороженного человеческого тела.

В рамках «ледяной», или, по выражению самого Пирогова, «северной» анатомии (anatomia borealis) тела охлаждались до температуры ниже –18 °C, при которой ткани приобретали плотность «самой твердой древесины». Затем с помощью специальной «фулярной» пилы, аналогичной инструментам краснодеревщиков, выполнялись распилы тела в трех взаимно перпендикулярных плоскостях – сагиттальной, фронтальной и горизонтальной. Минимальная толщина спилов составляла 0,5–1,0 см. Контуры органов и тканей со срезов переносились на бумагу посредством стеклянной панели с координатной сеткой, обеспечивавшей максимальную точность изображения. Иллюстрации выполнялись несколькими профессиональными художниками. Один из них, друг семьи Пироговых, живописец Михаил Мохов создал пугающе реалистичные изображения распилов замороженного тела в естественных цветах; в окончательном издании они были воспроизведены в виде монохромных литографий.

Опубликованная в 1859 году на латыни монументальная Anatome topographica… («Иллюстрированная топографическая анатомия распилов замороженного человеческого тела, проведенных в трех направлениях») состояла из четырех томов, включала 995 рисунков и 240 таблиц. Первый том был посвящен распилам головы, шеи и позвоночного столба. В нем впервые было представлено естественное взаимное расположение структур головного мозга человека. Среди прочего Пирогов иным, чем у Леонардо да Винчи, методом показал реальную трехмерную форму мозговых желудочков, которые, как отмечал еще Томас Уиллис, неизбежно спадаются при извлечении мозга из черепа.

Метод «ледяной анатомии» Пирогова нередко сравнивают с современной компьютерной и магнитно-резонансной томографией. Он стал пределом возможностей макроскопической визуализации мозга в XIX веке. Чтобы продвинуться дальше – к глубинам, где скрываются тайны души, – потребовалась иная революция: проникновение на микроскопический уровень.

Камилло Гольджи: reazione nera и отдельные нейроны

Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Одиночные нейроны.

Вверху: нейрон, выявленный методом «черной реакции»; рисунок Гольджи, конец XIX века. Внизу: пирамидный нейрон коры головного мозга человека; рисунок Кахаля, 1904 г.

Оба изображения получены благодаря методу окрашивания, открытому Гольджи. Он позволил впервые увидеть форму отдельного нейрона целиком.

Когда ученик Томаса Уиллиса английский физик Роберт Гук (1635–1703), в 1665 году увидел под усовершенствованным им микроскопом ячеистую структуру среза пробки, он обозначил открытые им образования термином, уже использовавшимся в средневековом учении о «ячейках» души, – cells (лат. cellula). Но потребовалось более двухсот лет, чтобы стал раскрываться глубокий смысл этого совпадения.

В начале 1873 года в итальянском городке Аббьятиграссо тридцатилетний врач Камилло Гольджи (1843–1926 гг.), работал вечерами в импровизированной лаборатории на кухне своей маленькой квартиры при хосписе Pia Casa degli Incurabili. Под свечами он случайно пролил нитрат серебра на нервную ткань, обработанную до этого дихроматом калия. Образец, казалось, испортился – почернел. Но под микроскопом Гольджи увидел, что окрасилась лишь малая часть клеток, зато каждая – полностью, со всеми отростками. Так появилась знаменитая la reazione nera – «черная реакция». В возбуждении Гольджи написал другу, офтальмологу Николо Манфреди, что нашел реакцию, позволяющую «продемонстрировать структуру … коры головного мозга даже слепым».

Такое же потрясение испытал и впервые увидевший этот метод в 1887 году молодой испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852–1934): «Какое неожиданное зрелище! Можно было подумать, что это рисунки китайской тушью на прозрачной японской бумаге… Пораженный, я не мог оторваться от микроскопа… Это метод Гольджи!»

Удивительно, но мы и до сих пор не знаем, почему данное окрашивание захватывает лишь 1–5 % нервных клеток. Однако именно эта избирательность превратила метод Гольджи в поворотный момент науки о мозге.

Уже в 1888 году Кахаль с помощью новой окраски описал «шипики» – тысячи похожих на шипы роз крошечных выростов на ветвлениях нервных клеток. Сами эти ветвления лейпцигский анатом Вильгельм Гис (1831–1904 гг.) в 1890 году назвал дендритами – от греческого «дерево»; отходящий от нервной клетки «осевой отросток» Альберт фон Кёлликер (1817–1905 гг.) в 1896 году обозначил как «аксон», а термин «нейрон» ввел в 1891 году берлинский анатом Вильгельм фон Вальдейр (1836–1921). Оксфордский физиолог Чарльз Шеррингтон (1857–1952) закончил этот список в 1897 году понятием «синапс» (от греч. «застежка») – место соединения нейронов. Так к концу XIX века сложились все элементы «нейронной доктрины». Проникновение в тайны мозга перешло на следующий уровень.

Сантьяго Рамон – и-Кахаль: мозг как нейронная сеть

Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Нейронные сети коры и гиппокампа.

Рисунки коры больших полушарий (1899) и гиппокампа (1901), окраска по методу Гольджи.

Показаны нейроны, организованные в слои и поля. Стрелками отмечено направление движения информации. Эти изображения делают видимым как клетки соединяются и взаимодействуют друг с другом, образуя упорядоченную нейронную сеть.

В конце XIX века в руках ученых оказались очень схожие микроскопы и методы окраски нервной ткани. Но видели они разное. И Гольджи, и Кахаль изображали нейроны, выявленные одним и тем же методом окрашивания. Однако у Кахаля на дендритах ясно показаны многочисленные шипики, отсутствующие на рисунках Гольджи. Это не означает, что Гольджи не наблюдал этих выростов: просто многие исследователи считали их артефактами окраски.

Но речь шла не о незначительных деталях. Кахаль полагал, что нейроны являются независимыми клетками, а шипики служат точками контакта между ними. Гольджи же был убежден, что клетки мозга образуют посредством слияния аксонов непрерывную сеть – ретикулум. В такой системе активность любой клетки должна распространяться по всей сети. «Конечно, – писал Гольджи, – речь идет не об изолированном действии отдельных клеток, но об одновременной активности обширных групп».

Следствия из этого были далеко идущими. «Нельзя сказать, – заключал он, – чтобы концепция так называемой локализации мозговых функций каким-либо образом подтверждалась результатами анатомических исследований мельчайших структур». Гольджи при этом резко критиковал не только нейронную доктрину, но и персонально Кахаля за то, что тот придерживается столь нелепых взглядов. Это была подлинная драма – драма идей.

И все же в одном исследователи, увидевшие мозг изнутри, сходились единодушно. «Мы видели, – как выразил это Кахаль, – что точное понимание устройства мозга представляет величайший интерес для построения рациональной психологии. Понять мозг, говорили мы, равносильно выяснению материального пути мысли и воли».

Самое поразительное в зарисовках Кахаля – даже не их ясность и артистическая красота, а стрелки, которыми они сопровождаются. Эти маленькие стрелки несут идущую еще от схем Ибн аль-Хайсама и Декарта идею: подобно «духам» прошлого, информация передается по материальным путям нервной системы – но теперь уже в рамках новой всеобъемлющей концепции – гигантской клеточной нейронной сети.

«Подобно энтомологу, ищущему разноцветных бабочек, – писал Кахаль, – мое внимание привлекли сады серого вещества, содержащие клетки нежных и изящных форм, таинственные бабочки души, взмах крыльев которых однажды – кто знает – может раскрыть нам тайны разума».

В 1906 году Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль разделили первую Нобелевскую премию за изучение нервной системы. Шло третье тысячелетие проникновения человека в глубины собственного мозга.

Self-Reflected: мозг, отражающий себя

Грег Данн и Брайан Эдвардс. Self-Reflected.

Нейронная структура человеческого мозга. Техника отражательного микротравления, США, 2016 г.

На гравюре отображены 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека.

На протяжении всей нашей истории мы видели, что мозг издавна привлекал внимание не только ученых, но и художников. Произведение Self-Reflected – уникальное слияние искусства и нейронауки, созданное нейробиологом и художником Грегом Данном в сотрудничестве с физиком Брайаном Эдвардсом. Эта визуализация является крупнейшим в мире художественным изображением человеческого мозга, основанным на реальных данных о его микроструктуре.

На гравюре отображено около 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека. В отличие от традиционных анатомических схем, изображение создано с применением алгоритмов симуляции траектории сигналов в коре головного мозга и белом веществе, включая аксоны, дендриты и синаптические пути. Для его построения авторы специально разработали технику отражательного микротравления (reflective microetching), создающую микрорельефы – тончайшие наклонные гребни, которые меняют угол отражения света в зависимости от положения зрителя и освещения. Гравюра выполнена на 1750 листах тончайшего 22 каратного золота, объединенных в полотно размерами 244×330 см, на котором реконструирован один срез мозга человека в масштабе ×22. Освещение полотна организовано сотнями программируемых светодиодов, подсветка которыми визуализирует путешествия волн сигналов через нейронное пространство мозга. Авторы, работавшие над проектом более двух лет, описывают его словами: «это то, как выглядит ваше сознание».

Реальный мозг взрослого человека содержит примерно 86 млрд нейронов – число того же порядка, что и общее количество когда-либо живших на Земле людей. В коре головного мозга плотность нейронов составляет около 90 тыс. на мм3, а контактов между ними – примерно 700 млн на мм3. Каждый нейрон образует в среднем около 7 000 синапсов, а общее число межнейронных связей в мозге достигает порядка 1014–5×1014 (100–500 трлн). Около 80 % из них приходится на локальные связи, а оставшиеся 20 % – на длинные волокна протяженностью до нескольких десятков сантиметров. Суммарная длина всех отростков нейронов в мозге одного человека оценивается примерно в 850 тыс. км, что равно более чем двадцати оборотам вокруг Земли (~40 тыс. км).

Вся наша вселенная заключена в этом поразительном органе. Его истинную сущность нам еще только предстоит постичь.

Часть II. Главный вектор науки о мозге

(Алтайские диалоги)

Этот раздел книги получился сложным. Диалоги были сложны прежде всего для нас самих. Это был напряженный поиск, в котором мы продвигались на ощупь, без заранее проложенных троп, определяя план следующего разговора каждый раз по итогам предыдущего.

Первый из состоявшихся диалогов мы поначалу вообще забраковали. В нем мы еще не нашли нужный формат беседы, разговор получился слишком извилистым, и мы решили начать следующий разговор с чистого листа. Но потом, проанализировав стенограмму, мы все же включили этот разговор в книгу. Именно он, на наш взгляд, лучше всего показывает то, что обычно скрыто от внешнего глаза, – как авторы, а также и другие ученые, работающие в этой области, разговаривают друг с другом не для публики, наедине. Это часто действительно искания в темноте и движение на ощупь. Как выразился один из нас, такой разговор похож скорее не на чопорную очередь из англичан, а на столпотворение шумных итальянцев. Однако ассоциации, рождающиеся в подобной анархии, могут иногда выводить в неожиданные области и вести к новым интересным идеям.

Остальные диалоги имеют этот же отпечаток исканий. В них мы не раз возвращаемся к одним и тем же вопросам и мыслям, повторяя их вновь и вновь в разном контексте. Хотя стенограммы бесед были нами отредактированы, такого рода повторения мы решили не удалять, считая, что они отражают реальный процесс поисков, раскрывая разные ракурсы обсуждаемых проблем.

В середине цикла бесед мы сделали перерыв, чтобы осмыслить и проговорить, к чему мы уже пришли и куда идем. Записи этих рефлексий также вошли в книгу. Следующий разговор мы начали с их анализа и выбора дальнейшего пути. И постепенно обсуждения сложились в целостную историю, которая завершается постскриптумом, написанным уже после расшифровки стенограмм диалогов.

Диалог 1: Мозг, заглядывающий в себя

К.А.: Мы с тобой договорились, что я начну с вводных комментариев о важности изучения мозга. Мне хотелось бы затронуть в них главный «нерв» этих исследований – то, что, на мой взгляд, будет определять их развитие в XXI веке. Для этого я прибегну к мысли со-открывателя ДНК Фрэнсиса Крика. Он сказал: «В масштабе истории человечества основная цель научных исследований мозга – не просто понять и вылечить различные заболевания, каким бы важным это ни было, а постичь истинную природу человеческой души»[4]. Души, он сказал. Это слова из его книги 1994 года «Потрясающая гипотеза». И у этой книги есть подзаголовок – «Научные поиски души».

Почти столетием раньше, в 1904 году, ту же мысль в своей нобелевской лекции высказал другой знаменитый ученый – Иван Петрович Павлов: «В сущности, нас интересует в жизни только одно: наше психическое содержание. Его механизм, однако, и был, и сейчас еще окутан для нас глубоким мраком. Все ресурсы человека: искусство, религия, литература, философия и исторические науки – все это объединилось, чтобы пролить свет в эту тьму. Но в распоряжении человека есть еще один могучий ресурс: естествознание с его строго объективными методами. Эта наука, как мы все знаем, делает каждый день гигантские успехи»[5].

Интересная, кстати, параллель. Фрэнсис Крик получил Нобелевскую премию за открытие, очень далекое от нейронауки, однако позже занялся изучением мозга и сознания, посвятив этому последние 25 лет своей жизни. Павлов также получил Нобелевскую премию за работы совсем в другой области – физиологии пищеварения. Но в конце своей нобелевской речи заявил, что будет далее заниматься проблемой мозга и психики, чему он и отдал последующие 32 года.

Т.Ч.: Но Павлов и опасался. Он боялся, я думаю, этой темы.

К.А.: Кто бы не боялся.

Т.Ч.: Он боялся, потому что… Мы договорились, что я не буду прерывать, но… Меня удивило, когда я прочла, что он очень, я бы сказала, жестко относился к своим сотрудникам и говорил, мол, вот это – сознание, всякие такие вещи – это, пожалуйста, в кулуарах, так сказать, а мы серьезные вещи здесь изучаем. И меня это очень поразило, потому что он гениальный ученый, умный человек. И просто так отбрасывать такую важнейшую вещь он не мог. Этому должно быть объяснение.

К.А.: Нет, он ее не отбрасывал.

Т.Ч.: Я и говорю, должно быть объяснение. Значит, он не отбрасывал, а наоборот, как бы…

К.А.: В его нобелевской речи это уже все сказано. Смысл был именно тот, что ты отметила: давайте не будем разглагольствовать о психике и движениях человеческой души – мы строго держимся естествознания и работаем объективными научными методами. Тут очень важно помнить, что туманность разговоров о психике, сознании, душе в конце XIX – начале XX века была настолько велика, что, не перейдя от этих проблем к строго научным исследованиям, можно было навечно остаться на уровне одних разговоров и никак не продвинуться вперед.

Т.Ч.: Салонных разговоров.

К.А.: А его мотив был именно в продвижении. При этом прямо заглянуть в работающий мозг тогда было еще нельзя. Какие возможности были в те годы? Первые клинико-анатомические наблюдения Брока, Вернике, эффекты удаления коры головного мозга у животных – вот и всё. Даже электроэнцефалографии еще не было. И если бы он не ввел свой революционный метод проникать в работу головного мозга по секреции слюнной железы – заглядывать в психическую деятельность… Вообще какая фантастическая идея… А дальше он завершает…

Т.Ч.: Дальше интересная фраза: он пишет про еще один могучий ресурс. Вот я на что обратила внимание. Еще один ресурс – естествознание с его строго объективными методами. Другой вопрос, как этот мост перекидывается между естествознанием и философией…

К.А.: Безусловно. Но тут было его твердое убеждение: несмотря на века исканий глубочайшими мыслителями, сдвинуть эту область сегодня предназначено именно науке. И это выражалось и в установках исследований его лаборатории.

Но двинемся дальше. За месяц до смерти Павлова его посетил один из учеников, Юрий Петрович Фролов. Павлов оживленно рассказывал ему о своих планах и сказал при этом следующую фразу, которую Фролов записал: «Хотелось бы мне встать из могилы лет этак через пятьдесят и посмотреть своими глазами, что станет к тому времени с моей работой над основными законами высшей нервной деятельности»[6].