Воздействуя на мозг с помощью электродов, можно выявить расположение осознанных переживаний

ОБ АВТОРЕ

Кристоф Кох (Christof Koch) — научный руководитель программы MindScope в Институте Аллена в Сиэтле и фонда исследования сознания Tiny Blue Dot в Санта Монике. Автор книги «Чувство самой жизни: почему сознание встречается повсе местно, но может быть вычислено» (The Feeling of Life Itself: Why Consciousness Is Widespread but Can’t be Computed, 2019), член совета консультантов Scientific American.

Рассмотрим следующие примеры.

• Вы направляетесь в сторону грозы, которая бу шует в нескольких километрах от вас, и вам надо перебраться через холм. Вы спрашиваете себя: «Как я собираюсь его преодолеть?»
• Вы видите маленькие белые точки на черном фоне, как будто смотрите на звезды ночью.
• Вы смотрите сверху вниз на себя, лежащего в постели, но видите только свои ноги и ниж нюю часть туловища.

 Может показаться, что эти отдельные ситуации выбраны из огромной массы восприятий, ощу щений, воспоминаний, мыслей и снов, которые составляют наш ежедневный поток сознания. На самом деле каждое из этих переживаний было вызвано прямой стимуляцией мозга с помощью электрода. Американский поэт Уолт Уитмен верно уловил это в стихотворении «О теле электрическом я пою». Такие истории иллюстрируют тесную связь между телом и оживляющей его душой. Мозг и со знание так же неразрывно связаны друг с другом, как две стороны одной медали.

В недавних клинических исследованиях были выявлены некоторые правила и закономерно сти сознательной деятельности, причем ино гда результаты таких исследований оказывались парадоксальными.

Где в мозге живут ощущения.
В атласе, опубликованном прошлым летом, собраны отчеты людей с эпилепсией при стимуляции участков коры во время операции. То, что они чувствовали и воспринимали, зависело от того, какую область моз га стимулировали. Все 1537 участков у 67 пациентов, получившие элек трическую стимуляцию, были соотнесены с цифровой моделью мозга, упрощенная версия которой изображена на рисунке. При стимуляции этих участков пациенты рассказывали о своих ощущениях.
Показано, что зоны мозга, участвующие в сознательном вос приятии, имеют мало общего с мышлени ем, планированием и другими высшими когнитивными функциями. В настоящее время нейроинженеры работают над тем, чтобы создать на базе этих открытий тех нологии, позволяющие заменить утрачен ные когнитивные функции, чтобы в более отдаленном будущем улучшать сенсорные и когнитивные способности и память. На пример, сейчас нейрокомпьютерный ин терфейс позволяет слепым людям хоть както воспринимать свет. Однако при этом обнаруживаются дополнительные трудности, препятствующие полному вос становлению зрения и слуха. Они показывают, какие проблемы лежат на пути к на учнофантастическим усовершенство ваниям, позволяющим получить доступ к мозгу как к компьютерному запоминаю щему устройству.
Животное электричество Нервные системы работают за счет элек трических сигналов, идущих по сетям, со стоящим из множества связанных пере ключающих элементов. Эту тему изуча ли большое количество врачей и ученых. Первым был Луиджи Гальвани, который в конце XVIII в. присоединил к свеже убитой лягушке металлическую проволо ку. Направив провод в небо во время гро зы, он заставил лягушачью лапку подер гиваться при каждой вспышке молнии. В своих исследованиях Гальвани показал, что нервные волокна передают «животное электричество», которое ничем не отли чается от «атмосферного электричества», обнаруженного Бенджамином Франкли ном в экспериментах с воздушным змеем в Филадельфии в 1752 г. В 1802 г. племян ник Гальвани Джованни Альдини перед публикой провел электрическую стиму ляцию открытого мозга казненного пре ступника. Дрогнула челюсть. Открылся глаз. Возможно, именно это зрелище вдох новило Мэри Шелли на написание клас сического готического романа «Франкен штейн».
В последующих исследованиях на жи вотных было показано, что возбужде ние определенных областей мозга вызы вает движение определенных мышц или частей тела. Эти исследования приве ли к открытию моторной коры в 1870х гг. В 1874 г. американский врач Роберт Бар толоу (Robert Bartholow) впервые провел прямую стимуляцию мозга пациента, находя щегося в сознании; это вызвало этические спо ры, потому что он причинил пациентке боль и, вероятно, ускорил ее смерть. В последующие десятилетия интракраниальная электрости муляция была усовершенствована. Она вошла в арсенал нейрохирургов благодаря прорыв ной работе Уайлдера Пенфилда (Wilder Penfield) из Монреальского неврологического институ та, который в 1930–1950 гг. использовал элек тростимуляцию, чтобы определить области коры головного мозга, отвечающие за сенсор ные и моторные функции.
Некоторым людям с эпилепсией не удается снизить количество или тяжесть приступов с помощью лекарств. Тогда можно использовать нейрохирургические методы, но только если приступы возникают в ограниченном участке коры (самого внешнего слоя мозга, участвую щего в восприятии, управлении движениями, отвечающего за речь, умозаключения и дру гие функции) либо в тесно связанных с корой Пациенты сообщали о переживаниях, вызываемых стимуляцией, — например, видении искаженных лиц, как на картинах Сальвадора Дали структурах, таких как гиппокамп. Неконтроли руемая гипервозбудимость возникает изза на рушения связей в одном месте. Она может раз растаться и в итоге охватить остальную часть мозга. Возникает сложный вопрос: какой объем нервной ткани следует удалить? Если вырезать слишком мало, приступы могут возобновить ся, если слишком много — пациент может поте рять способность говорить, видеть или ходить. Хирурги не должны повредить функционально важные области коры, необходимые для повсед невной деятельности, — первичную слуховую, зрительную, соматосенсорную и моторную кору и участки, отвечающие за речь и ее понимание. Интракраниальная электростимуляция ис пользуется для поиска участков, которые необ ходимо сохранить. Нейрохирурги импланти руют дискообразные электроды под череп, под образованную соединительной тканью плот ную мозговую оболочку, либо они могут вводить игольчатые электроды прямо в серое вещество, чтобы оценить его работу. После того как хи рурги определили очаг эпилептической актив ности и убрали электроды, они проводят опера цию по удалению этого участка — и припадки обычно прекращаются. Электростимуляцию можно использовать и постоянно, в этом слу чае электроды все время находятся в нужном месте. Слабые импульсы, идущие от электро дов, помогают справиться с тремором и ригид ностью при болезни Паркинсона (метод назы вается «глубокая стимуляция») или уменьшить частоту и тяжесть припадков. Сейчас в предва рительных клинических исследованиях оцени вают использование таких имплантированных электродов в качестве зрительного протеза, по могающего ориентироваться людям с наруше нием зрения, а также для лечения обсессивно компульсивного расстройства и депрессии.
Горячо или холодно В июле 2020 г. в журнале Nature Human Behav iour был опубликован атлас, показывающий участки коры головного мозга, которые при воз буждении электродами вызывали сознатель ные переживания, например восприятие гро зы или отделения от тела, описанные выше. Под руководством профессора неврологии Меди цинской школы Стэнфордского университета Джозефа Парвизи (Josef Parvizi) были собраны данные о 67 людях с эпилепсией. Исследовате ли стимулировали более чем 1,5 тыс. участков коры, преимущественно с помощью электродов, введенных под твердую мозговую оболочку. Они сопоставили активность этих участков с точ ками на цифровой модели мозга, чтобы можно было сравнивать данные, полученные от раз ных людей (рисунок борозд и извилин, придаю щий мозгу внешнее сходство с грецким орехом, отличается от человека к человеку). Ученые ис кали «вызывающие отзыв» электроды, которые запускали некоторые зрительные или тактиль ные ощущения, мышечные подергивания или нарушение речи. Если пациент при стимуля ции ничего не ощущал, электрод считался «не вызывающим отзыв».
Пациенты сообщали о разных субъективных переживаниях, вызываемых стимуляцией: бы стро вспыхивающие точки, похожие на звез дочки; искаженные лица, как на картинах Сальвадора Дали; телесные ощущения, такие как покалывание, щекотание, жжение, пуль сация и то, что называют чувством выхода из тела; страх, беспокойство, половое возбуж дение, веселье; желание пошевелить конечно стью; желание упорно бороться с какойто боль шой, но не распознанной проблемой. Простого раздражения нервной ткани слабым электриче ским воздействием было достаточно, чтобы вы звать эти ощущения. Во время мнимой стиму ляции (без применения тока) пациенты ничего не чувствовали.
Несмотря на то что интракраниальная элек тростимуляция безопасна и эффективна, это грубый метод. Низкоимпедансные электроды имеют площадь 6–10 мм2 и позволяют подавать ток до 10 мА между соседними электродами, это изменяет возбудимость миллиона и более нерв ных клеток. Однако эффекты, вызванные та кой стимуляцией, могут быть довольно локаль ными. Поперек борозды (желобка на поверхно сти коры) чувствительность может изменяться от «все» до «ничего» в пределах миллиметров.
Группа под руководством Парвизи обнару жила, что электроды в специализированных сенсорных и моторных областях со значитель но большей вероятностью вызывали ответ, чем расположенные в зонах, обеспечивающих высшие когнитивные функции. От полови ны до двух третей электродов над зрительны ми и тактильными (соматосенсорными) зонами коры вызывали некоторые осознанные ощуще ния; в районах латеральной и переднемедиаль ной префронтальной коры, которые участву ют в высших мыслительных процессах, такую реакцию вызывал не более чем каждый пятый электрод. Иначе говоря, электроды над задними зонами коры, отвечающими за сенсорное вос приятие, вызывали ответ с большей вероятно стью, чем те, которые располагались спереди, над областями, важными для когнитивной де ятельности, такой как размышления, плани рование, моральные суждения, принятие реше ний и логические операции.
Несмотря на их важную роль в мышле нии, эти области имеют мало отношения к со знанию. И действительно, в прошлом столе тии нейрохирурги наблюдали, что при удале нии больших участков префронтальной коры, если сохранны элоквентные (связанные с рече порождением) зоны, ежедневный поток созна ния у таких пациентов явным образом не нару шается. Неэлоквентные области могут влиять на сознание, но в целом, повидимому, созна тельные ощущения возникают не там. Это при вилегия задних областей — теменной, височной и затылочной долей. Почему физический носи тель наших психических переживаний должен располагаться в задней части мозга, а не в пе редней, остается неясным.
Видеть или не видеть Применение интракраниальной стимуляции зрительной коры вызывает зрительные ощу щения, которые называются фосфенами: ко роткие вспышки, похожие на молнию в темно те. На этом основана давняя мечта о приборе, который поможет восстановить зрение слепым. Миллионы людей во всем мире живут со слепо той на оба глаза изза пигментного ретинита, возрастной дегенерации желтого пятна, глау комы, инфекции, рака или травмы.
Врачи, ученые и инженеры начали зани маться протезированием зрения в 1960х гг., но только недавно смогли создать соответству ющие технологии для помощи слепым людям. Один из ярких примеров — устройство Orion, разработанное компанией Second Sight Medical Products в ЛосАнджелесе. Крошечная каме ра, установленная на очках, превращает изо бражение в импульсы и передает их по беспро водной сети на 60 электродов, расположенных на зрительной коре. Люди, которым импланти ровали в мозг такое экспериментальное устрой ство, воспринимают множество точек, что по могает им ориентироваться. «Это как взрыв каждый раз, когда я его включаю, — рассказы вает один из участников исследования. — После того как я вообще ничего не видел, я внезапно вижу, как вокруг движутся маленькие вспыш ки света, и понимаю, что они чтото значат. Просто потрясающе снова иметь работающее зрение хоть в какомто виде». Orion значитель но улучшает качество жизни людей, раньше существовавших в полной темноте. Устрой ство позволяет им безопасно переходить ули цу или определять положение дверного проема. Но с его помощью нельзя восстановить способ ность узнавать фигуры, формы или буквы.
Однако группа из Калифорнийского универ ситета в ЛосАнджелесе и Медицинского кол леджа Бейлора, возглавляемая нейрохирургом Дэниелом Йошором (Daniel Yoshor), сумела это го добиться, о чем сообщается в журнале Cell. Они стимулировали соседние участки зритель ной коры, чтобы вызвать фосфены близко друг от друга, поскольку показано, что зрительное поле отображается на поверхности зрительной коры упорядоченным образом. Данное наблю дение привело к ошибочному убеждению, что отдельные фосфены подобны пикселям на ком пьютерном дисплее, то есть если вы одновре менно простимулируете на поверхности коры серию точек в форме креста, то человек дол жен увидеть точки, образующие крест. Но это го не происходит.
Стимуляция более одного участка дает не предсказуемый результат. У одного испытуемо го одновременная стимуляция пятью электро дами, каждый из которых соответствовал од ному отдельному фосфену, вызвала свечение двух больших фосфенов, которые не сливались в букву или какуюлибо другую понятную фор му. Однако если исследователь разносил акти вацию электродов во времени, участник мог уз навать формы. Отклонения во времени отража ли задержку, необходимую, чтобы проследить форму буквы, как если бы исследователь писал букву на руке испытуемого или на листке бу маги. При таком более динамическом способе незрячий участник с имплантом мог узнать буквы Z, N, V и W, быстро отличая движение вниз от движения вверх, поскольку при написа нии букв используются разные последователь ности движений.
Видеть форму одной буквы — не совсем то же самое, что видеть великолепный закат над по гомеровски винноцветным морем, но это уже прогресс. Почему неодновременная стимуля ция улучшает восприятие — неизвестно, и это показывает, как мало мы знаем о работе коры.
Что дальше В области нейрокомпьютерных интерфейсов происходит стремительный прогресс. Компа ния Илона Маска Neuralink в апреле этого года представила впечатляющее видео, на котором обезьяна играет в компьютерную игру Pong, не пользуясь какимлибо джойстиком. Это было сделано с помощью двух небольших чипов, им плантированных в левую и правую мотор ную кору животного. В каждом чипе имеются 1024 волосковых электрода, воспринимающих сигналы от отдельных нейронов. В совокупно сти они передают намерение обезьяны быстро переместить ракетку вверх или вниз на экране, чтобы отбить мячик. Все было сделано по бес проводной связи, из обезьяны не торчало ни какой электроники или свисающих проводов. Многие считают, что такие операции вско ре станут обычными и с помощью превосход ных электронных деталей можно будет заме нять или компенсировать поврежденные био логические части — неисправные глаза или уши, нарушенную память. В таких оптимисти ческих рассуждениях игнорируется факт, что для всего этого требуется трепанация черепа. В целом для превращения научных открытий в реальные методы лечения нужны не годы, а десятилетия. Я вполне уверен, что такая мо дификация медицины не произойдет в течение мой жизни (сейчас мне 64 года).
Самые «легкие» препятствия, которые надо преодолеть на пути к такому утопическому (или антиутопическому) будущему, — технологиче ские. Прибор должен надежно, быстро и акку ратно считывать электрические сигналы мозга и генерировать их. Устройство, созданное ком панией Neuralink, — в настоящее время лучшее из всех имеющихся и, безусловно, будет улуч шаться и дальше. Но нам еще предстоит прой ти долгий путь, прежде чем мы сможем опре делить, какой из 50 тыс. или более нейронов в каждой частице мозгового вещества участву ет в определенном восприятии или действии. И только когда это произойдет, можно будет подавать электрическую стимуляцию именно на нужные нейроны, не затрагивая отростки соседних клеток. Тот факт, что Парвизи с кол легами более чем в половине случаев не удалось вызвать сознательное восприятие, означает, что у нас нет инструментов, позволяющих на дежно вызвать хоть какоето ощущение с помо щью электрической стимуляции, не говоря уж о том, чтобы формировать какоето определен ное ощущение.
Хирургические и юридические препятствия еще сложнее. Нужно иметь возможность регу лярно и безопасно имплантировать устройства, просверливая твердый череп, чтобы добрать ся до серого вещества под ним, с минималь ным риском инфекций, кровотечений и судо рог. Более того, электроника должна работать годами внутри теплой, влажной и соленой био логической ткани, а это не лучшие условия для работы. Не хотелось бы, чтобы устройство за ржавело или зависло, выйдя из строя. Поэтому нейронные имплантаты останутся последним средством для случаев серьезных сенсорных или моторных нарушений. Когда нейропроте зы пройдут клинические испытания, с их помо щью слепые смогут видеть, а люди с серьезны ми физическими нарушениями — выполнять такие действия, как управление инвалидной коляской с помощью мыслей, подобно тому как обезьяна играет в Pong. Для всех остальных воз можные преимущества явно не стоят тех про блем, которые связанны с высокоинвазивной операцией на головном мозге.
Но наша главная цель впереди — понять, как 1,5 кг возбудимой нервной ткани обеспечивают зрение, движение и страдание. Да, физический субстрат ада или рая заложен в биоэлектриче ских сигналах, которые подчиняются законам природы. Но это почти ничего не говорит нам о том, каким образом триллион электрических сигналов, возникающих ежесекундно и теку щих по сетям из десятков миллиардов разных клеток, формируют зрение, звук или эмоцию.
Интракраниальная стимуляция мозга де монстрирует повседневное чудо превращения воды в вино, то есть работы мозга — в сознание. И все равно остается вопрос: что такого есть в мозге, этом самом сложном куске живой мате рии во Вселенной, что превращает активность 86 млрд нейронов в ощущение самой жизни?
Перевод: М.С. Багоцкая