Человеческий мозг является одним из самых сложных органов в природе. Сейчас мы знаем, что он позволяет возникнуть человеческому разуму, сознанию и индивидуальности, что с самого начала размышлений человека представлялось одним из величайших чудес человечества. Основанный на теории сложных систем подход позволяет смоделировать возникновение человеческого восприятия и мышления как результат нелинейных взаимодействий сложных нейронных сетей. Таким образом, модели сложных систем позволяют нам понять, как может работать мыслительный аппарат в мозге и как он мог при определенных условиях возникнуть в рамках естественной эволюции. С этой точки зрения, нет чуда в том, как за достаточно долгое время за счет хорошо известных законов эволюции в природе могли возникнуть сознание и разум. Но все еще остается чудом то, что они возникли.

Прежде чем исследовать сложные системы и эволюцию разума-мозга, окинем взглядом раннюю философию разума и историю нейрофизиологии. На основе исторических фактов мы можем решить, какие вопросы традиционной проблемы разума-тела уже были решены в рамках основанного на теории сложности подхода, а какие остаются нерешенными.

В предыдущих главах мы уже отмечали, что ранние мифы и религиозные верования являлись попытками объяснить мир, в котором живет человек, и заклинаниями сил природы. Очевидно, человеческие желания, страх, злость и воображение правят миром человеческой жизни так же, как и силы природы. Создается впечатление, что ощущаемые при жизни сознание, или дух, или разум, или душа «покидают» тело мертвого человека. Люди пытались смоделировать эти неизвестные процессы с помощью знакомых по опыту взаимодействующих физических тел. Ментальные или сознательные состояния гипостатировались'' как конкретная субстанция, называемая «душой», которая ответственна за разумное поведение человека. При гипостатизации ментальных состояний была поднята проблема местонахождения души в теле.

Обычно она решалась с помощью идеи, будто душа заполняет тело, или сосредоточена в некоторых органах, например, в сердце или легких. Хотя очевидно, что воздействия этой волшебной «вещи» вполне реальны, ее нельзя увидеть или ухватить, как Бога или привидение. Таким образом, обычно считалось, что душа имеет божественное происхождение. Критикуя традиционные мифы и религиозные верования, философы-до-сократики искали естественные причины и принципы. Ряд мыслителей рассматривали «душу» как материальную субстанцию, такую как «воздух» или «огонь», так как они верили в то, что эти субстанции являются тончайшими и легчайшими формами материи. Для Анаксагора разум есть принцип движения и порядка, и, следовательно, принцип жизни. Для Гераклита душа похожа на язык пламени, управляемый законом (логосом) Вселенной. Душа, как огонь, убивается водой: «Для душ стать водой означает смерть». Эти попытки объяснения представляют собой не что иное, как моделирование неизвестного с помощью знакомого и известного.

Заслуживает внимания то, что один из ранних ученых-медиков, пифагореец Алкмеои из Кротона, по-видимому, был первым греческим мыслителем, который определил местонахождение ощущений и мыслей в мозге. Как и ранняя греческая астрономическая модель гелиоцентрической Вселенной, эта гениальная идея была вскоре отвергнута авторитетом Аристотеля, учившего, что местоположением сознания является сердце, а мозг — всего лишь механизм охлаждения тела с помощью воздуха. Хотя ранние греческие мыслители, рассуждавшие о медицине, оказали на Аристотеля большое влияние, он не соглашался с великой идеей Гиппократа о том, что «мозг является посредником сознания (sunesis) и сообщает ему, что происходит».

Раннюю редукционистскую философию разума отстаивал Демокрит, пытавшийся свести ментальные состояния к взаимодействиям мельчайших атомов. Конечно, проблемой такого редукционизма является то, что «душа» всего лишь отождествляется с конкретными материальными (но ненаблюдаемыми) атомами. В противоположность отождествлению с материальными телами и аналогичными идеями, философы школы Пифагора утверждали, что человеческая душа или разум должны быть нематериальными числами и соотношениями. Иными словами, душа моделировалась как система математических пропорций, гармония и дисгармония которых представляла ментальные состояния наподобие музыкальных мелодий.

Пифагорейская концепция оказала влияние на философию человеческой души Платона, связанную с его теорией форм или идей. В диалоге «Менон» Платон показывает, что необразованный раб может решать математические задачи. Причина этого, с точки зрения Платона, в том, что каждый человек обладает неким вечным (т. е. априорным) знанием, предшествующим любому эмпирическому опыту. Человек обладает этим типом априорного знания, например, в математике, принимая участие в вечных формах и идеях, являющихся ante rem, т. е. независимыми от неясных и преходящих явлений бытия.

Аристотель критиковал гипотезу Платона о существовании за миром реальности мира идей. Идеи — это человеческие абстракции форм, действующих в природе (in re). Душа описывается как форма («субстанция») живого тела, «первая энтелехия», представляющая телеологическую силу. Но она не отделена от материи. Душа включена в человеческое тело как потенция. Согласно Аристотелю, человеческий организм понимается как единое целое.

Тем не менее последователями Аристотеля и стоиков была открыта анатомия нервной системы. Гален считал, что нервы переносят психическую пневму к мускулам, заставляя их совершать движения. Психическая пневма была не только материальной субстанцией типа дыхания или воздуха, но и видом жизненного духа. В Средние века философия природы Аристотеля и стоиков сильно повлияла на ученых-медиков исламского мира, например, на Али ибн Сину, который основал медицинскую школу, получившую известность впечатляющими достижениями в области хирургии, фармакологии и практического лечения и выхаживания больных. Позднее эти медицинские стандарты персидского и арабского мира были восприняты рядом мыслителей христианского Средневековья, в частности Альбертом Великим. Что же касается философии мозга и разума, то, например, философские дискуссии по проблеме человеческого сознания всегда перевешивались религиозными идеологиями, а производить вскрытия тел умерших долго считалось среди анатомов довольно опасным делом.

В противоположность холистической философии в духе Аристотеля и Али ибн Сипы, рационализм Декарта учил придерживаться дуалистической онтологии, строго разделяющей разум и материю, душу и тело. Человеческое тело (rex extensa) есть материальная машина, построенная по законам механики и геометрии. Она управляется и контролируется врожденными идеями (ideae innatae), которые содержатся в человеческом мозге (rex cogitans). В своих Рпзмышле-ниях Декарт, методично ставя все под сомнение, приходит к изначальному интуитивному представлению о человеческом разуме. Радикальное сомнение призвано открыть то, что (во всяком случае) является бесспорным. Несмотря на то, что Декарт мог сомневаться в результатах всех наук, в здравом смысле, в ощущениях, он не мог усомниться в том, что он существует как тип вещи, способной участвовать в таких процессах познания, как сомнение:

Но что же я такое? Мыслящая вещь. А что такое мыслящая вещь? Это вещь, которая сомневается, понимает, утверждает, отрицает, желает, не желает и, кроме того, представляет и чувствует.

Трудностью теории Декарта, конечно, является проблема взаимодействия разума и тела. Он предполагает, что человеческий организм с его различными органами управляется разумом, местопребыванием которого является мозг. Нервы - это провода, по которым идут сигналы в мозг и из мозга. Они работают как причинные цепи между отдающим приказы разумом и исполняющими приказы мускулами. Согласно своей механической парадигме часового механизма, Декарт полагал, что существуют крохотные материальные частицы, названные им «животными духами»'-', которые очень быстро двигаются и расталкивают друг друга в проводниках-нервах, для того чтобы пронести входной сигнал от мозга к мускулам.

В противоположность всем механическим явлениям в природе, человеческий разум способен по собственному желанию принимать решение о направлении движения. Таким образом, действие разума на животные духи заключается в изменении направления их движения. Это можно сделать, не нарушая установленные самим Декартом законы физики, до тех пор пока сохраняется «количество движения» (позднее это будет названо законом сохранения импульса). На рис. 4.1 иллюстрируется декартова механическая модель восприятия. Крохотные частички световых лучей попадают в глаза человека, возбуждая мозг путем передачи по конкретным нервам их «животных духов». Движения руки и кисти скоординированы с восприятием разумом в мозгу.

В своей книге «Страсти души» Декарт даже попробовал проанализировать все эмоциональные состояния вроде страха или любви как пассивные физические последствия того пути, по которому различные «животные духи» протекают под действием внешних событий. Если заменить декартову механическую модель животных духов биохимическими субстанциями и электрофизическими явлениями, вспомнить о гормонах и нейромедиаторах, то представления Декарта о нервной активности представляются довольно современными.

Главная трудность состоит в непосредственном взаимодействии нематериального и поэтому не имеющего протяженности и неделимого разума (res cogitans) с материальным и поэтому протяженным и делимым телом (rex externa). Декарт поместил разум внутри очень маленького органа в мозгу — шишковидной железы (или эпифиза), который управляет движениями животных духов. Но каким образом не имеющий протяженности разум оказывает воздействие на протяженную частицу вроде животного духа? В рамках механики эта проблема взаимодействия была в принципе неразрешимой и породила ряд усовершенствований в философии разума.

Для философов-окказионалистов, например Мальбранша, все причинные связи сверхъестественны. Бог должен вмешиваться в причину каждого конкретного случая причинного действия. Таким образом, проблема разум-тело объясняется теологической и специальной для каждого случая гипотезой. Спиноза свел дуализм разума и материи Декарта к монизму одной единственной субстанции. Один Бог есть та единственная субстанция, являющаяся всем. Все явления в природе, разум и тело являются только атрибутами («состояниями») универсальной субстанции. В любом случае не существует чудес. Но Бог и человеческий разум рационализируются, и природа становится богоподобной в универсальном пантеизме.

Если руководствоваться подходом, основанным на теории сложных систем, то наиболее примечательная философия разума была развита Лейбницем. Говоря о философии природы, напомним, что вселенная Лейбница, в противоположность вселенным Декарта и Спинозы, состоит из бесконечно большого числа субстанций («монад»), соответствующих разным точкам зрения в пространстве и более или менее ясной перспективе целого. Таким образом, монады рассматриваются как подобные душе субстанции, наделенные восприятием и памятью и отличающиеся друг от друга степенью ясности их сознания. Существуют субстанции с довольно большой перспективой и высокой степенью сознания, как люди, если их сравнивать с животными, растениями и камнями, обладающими последовательно уменьшающейся степенью сознания. В монадологию Лейбница можно включить даже Бога в качестве центральной монады, обладающей наивысшей степенью сознания и наилучшей перспективой целого, но все же являющейся отдельной и отличной от других сущностью.

Очевидно, что Лейбниц не сталкивался с метафизическими аспектами декартовской проблемы взаимодействия души и тела. На самом деле он пытался соединить классическую механику с традиционной аристотелевской телеологией природы, так как был уверен в механистических недостатках адекватной философии разума. С современной точки зрения, представление Лейбница о более или менее живых подобных душе субстанциях, обладающих восприятием и памятью, кажется довольно странным. Но для него не составляло труда построить модель своей монадологии в рамках более или менее сложных автоматов. Лейбниц считал, что каждую субстанцию можно смоделировать автоматом с различными состояниями, соответствующими восприятиям монады. Степень сознания монады измеряется ее степенью сложности, характеризующейся размером пространства состояний монады и ее способностью обработки информации. Состояния более или менее сложных автоматов Лейбница соотносятся друг с другом в сетях согласно его знаменитому высказыванию о том, что у монад «нет окон» и они не взаимодействуют, а отражают друг друга, как зеркала в причудливом дворце. Сложные сети монад Лейбница будут детальнее обсуждаться в гл. 5. Коротко говоря, Лейбниц предполагал, что разум не зарезервирован только для людей, а есть свойство систем, возникающее с разной интенсивностью в соответствии со степенью сложности системы.

Английские философы-эмпирики, такие как Локк и Юм, критиковали убеждения Декарта—Платона за то, что ментальные состояния можно анализировать путем самоанализа и чистого мышления без обращения к чувственному опыту. Для философов-эмпириков разум есть не более чем tabula rasa (чистая доска), пустой склад для сбора чувственных данных, чтобы затем путем ассоциации и абстракции создавать понятия. Образы — это просто менее живые копии чувственных впечатлений, которые можно комбинировать в воображении, например, гак могло возникнуть представление об единороге.

Согласно методу сложных систем, Юм развил поразительную психологическую теорию ассоциаций. Он заявил, что не существует ни причинного механизма в природе, ни причинного закона в пашем разуме, а есть всего лишь бессознательный рефлекс соединения тех чувственных впечатлений, которые возникают взаимосвязанным образом по разным поводам, как вспышки молнии и гром. Можно сказать, что мозг обладает бессознательной способностью к построению картин чувственных впечатлений. Понятия — не более чем термины, обозначающие более или менее сложные картины чувственных впечатлений. Кроме математики не существует ясных и определенных концепций, основанных на восприятии, а есть только некие картины, позволяющие высказать более или менее вероятные суждения о событиях. В «Трактате о человеческой природе» Юм писал:

Один вид находящегося передо мной стола достаточен для того, чтобы дать мне идею протяжения. Итак, эта идея заимствована от некоторого впечатления, которое воспринимается в данный момент чувствами и воспроизводится идеей. Но мои чувства доставляют мне только впечатления известным образом расположенных цветных точек. Если мой глаз ощущает еще что-нибудь, пусть это будет мне указано; но если невозможно указать что-либо помимо отмеченного, то мы можем с уверенностью заключить, что идея протяжения не что иное, как копия этих цветных точек и способа их появления.

Согласно рационализму Декарта, человеческий разум управляет механикой тела, как монарх, управляющий государством в родном для него веке абсолютизма. Для Юма не существует отдельной субстанции человеческого разума, а имеется всего лишь самоорганизующееся поле постоянно возникающих и исчезающих картин, возбуждаемых объединением более или менее интенсивных чувственных впечатлений. Спонтанно объединяющиеся и разделяющиеся чувственные впечатления Юма можно сравнить со свободными гражданами демократического общества, которые могут собираться в группы и партии, не дожидаясь приказов и запретов монарха.

Синтез рационализма и эмпиризма попытался осуществить Кант. Согласно эмпиризму, знание начинается с опыта и чувственных данных. Но прав и рационализм, так как нам нужны ментальные структуры, схемы

'' Юм Д. Трактат о человеческой природе. IGi. 1. Ч. 2, гл. 3. - Прим. пер.

познания и категории, чтобы организовать опыт и знание. Кант попытался ввести философские категории, основанные на аксиомах ньютоновской механики. Главным свойством его эпистемологии является то, что распознавание не возникает в результате пассивных впечатлений от внешнего мира, запечатлевающихся на чистой доске нашего мозга. Распознавание в кантовском смысле — это активный процесс построения моделей мира с помощью априорных категорий. Пространственный и временной порядок физических событий сводится к геометрическим формам интуиции. Восприятие по Канту есть активная переработка информации, регулируемая априорными предчувствиями. Причинные связи между событиями становятся, с философской точки зрения, возможными благодаря априорной категории причинности.

Юм был прав, утверждая, что причинную связь нельзя почувствовать. Но для того чтобы предсказать и точно вычислить траекторию бильярдного шара, недостаточно повторить несколько раз удары по шарам и сопоставить им различные чувственные впечатления по Юму. Мы должны признать, что причины и следствия могут быть связаны каким-то детерминистским соотношением. Это сделано в кантовской эпистемологии в рамках общей схемы (детерминистской) причинности. Но остается вопрос, какая конкретная причинная функция адекватна для решения и проверки физическим опытом. Когнитивные схемы уже применяются в повседневной жизни. Они даже моделируются в компьютерных науках схемами данных языков программирования. Таким образом, эпистемологию Канта можно интерпретировать как важную предшественницу современных когнитивных наук , в которых предполагается, что когнитивные схемы упорядочивают массивы опытных данных. Но, в противоположность Канту, эти схемы могут меняться в ходе истории, как это случилось, например, в теории относительности при переходе от евклидового пространства к неевклидовым.

В то время как Спиноза в качестве пути отказа от декартового дуализма предложил спиритуальный монизм, Ламетри поддержал определенный тип материалистического монизма. Предположение Декарта об отдельной, подобной душе, субстанции (res cogitans) подверглось критике как избыточное, так как все ментальные состояния должны сводиться к механическим процессам в человеческом теле — «человек-машина». Ламетри заявил, что нет фундаментальных различий между людьми и животными. Разумное и рефлекторное поведение должно объясняться «возбуждением» нервов, а не «духом в машине». Однако в механистических рамках XVIII в. революционные идеи Ламетри могли быть только вдохновляющей программой физиологических исследований.

Знаменитый ученый, специалист по математической физике и физиологии, Герман фон Гельмгольц (18211894) был философом-кантианцем [4.14]. Он считал, что следует допустить определенные рационализированные рамки когнитивных категорий, прежде чем может быть построено любое конкретное восприятие мира. Конечно, со времен Канта категории изменились. Тем не менее имеются некоторые общие схемы, например понятия пространства, чисел, измерения и причинности, характеризующие физические теории XIX в. Так, Гельмгольц был уверен в математической возможности неевклидовых пространств. Однако он полагал, что вопрос о правильной физической геометрии должен быть решен путем физических измерений.

Что же касается физиологических теорий Гельмгольца, то он начинал как студент Иоганнеса Мюллера (1801-1858), которого иногда называют отцом современной физиологии. Мюллер отстаивал закон удельных нервных энергий, согласно которому каждый нерв обладает своей собственной энергией или качеством. Он обнаружил, что ощущения могут вызываться механическими или химическими воздействиями,теплотой, электричеством и т. д. Теперь кантов-ский аспект восприятия рационализировался, так как стало очевидным, что мозг должен реконструировать внешний мир но его влиянию на нервы. Тем не менее Мюллер защищал нематериальную концепцию животного духа. Он считал, что животные духи пе могут быть измерены, так как у них слишком большая скорость.

Гельмгольц использовал математический закон сохранения энергии. Поскольку энергия могла лишь преобразовываться, но не могла создаваться или уничтожаться, нематериальная жизненная энергия вне рамок закона сохранения представлялась бессмысленной. Гельмгольц предпочитал теорию, согласно которой до тех пор, пока изучается вопрос об энергии, тело можно рассматривать как механическое устройство для преобразования энергии из одной формы в другую без участия специальных сил и духов. Химические реакции были способны определять всю физическую активность и генерируемую в организме теплоту. Мускульная активность реализовывалась химическими и физическими изменениями в мускулах. Кроме того, Гельмгольц измерил скорость проводимости нервов и показал, что она даже меньше скорости звука [4.16]. С философской точки зрения, эти результаты интерпретировались как опровержение мюлле-ровского витализма.

Еще один студент Мюллера Эмиль Дюбуа-Реймон (1818-1896) показал, что нервный сигнал является на самом деле волной электрической активности. В те времена гистологи начали открывать под микроскопом отдельные клеточные тела и волокна. Согласно этим результатам, нервная активность и мозг представлялись как сложная система нервных клеток («нейронов») со сложной сетью связей. Структура связей нейронов, передающих сигнал от одного нейрона к другому, была впервые описана в начале XX в. Но наблюдения синапти-ческих соединений были невозможны, пока в середине XX в. не стали использоваться электронные микроскопы.

Как можно объяснить возникновение восприятий, мыслей и чувств на языке нейроанатомии и нейрофизиологии? Один из первых мыслителей, объяснивших ментальные состояния клеточными ансамблями ней-ронныхсетей, был американский философ и психолог Уильям Джеймс. В своем кратком курсе «Научные основы психологии» (1890) Джеймс защищал дарвиновскую и эволюционную точку зрения, в соответствии с которой мозг не построен для абстрактного мышления, а создан для обеспечения выживания в процессе эволюции. В духе прагматизма, он предполагал, что в мозге есть многое от хорошей инженерной конструкции, примененной к мыслительным операциям:

Факты душевной жизни не могут быть надлежащим образом изучены особо от той физической среды, знание о которой они образуют... Коротко сказать, дух и мир развились одновременно и поэтому несколько приспособлены друг к другу.

Представляется, что организация мозга очень плоха для арифметических операций или формальной логики. Но способность формировать понятия и ассоциации, высказывать догадки и выдвигать гипотезы — все это является характерным свойством мозга. Джеймс предлагает механическую модель ассоциаций, происходящую от пионерской работы Юма и напоминающую нам последующие ассоциативные нейронные сети. На качественном уровне он сформулировал некоторые принципы, которые частично включены в современные математические модели сложных нейронных сетей.

Степень деятельности в любой данной точке мозговой коры равна сумме стремлений всех других точек произвести разряд в данную точку, стремлений, пропорциональных:

1) числу, показывающему, сколько раз возбуждение каждой другой точки могло сопровождать возбуждение в данной точке;

2) интенсивности этих возбуждений;

3) отсутствию какой-либо противодействующей точки, функционально разобщенной с первой точкой, и в которую разряды могут быть отвлечены [4.18].

Если заменить во втором принципе термин «мозговой процесс» на «нейрон», то мы получаем описание синапса, понятия, введенного позднее Хеббом (см. разд. 4.2). Если в третьем правиле заменить слова «точка мозговой коры» на «нейрон», мы получаем правило линейного суммирования синаптических входных сигналов, очень близкое к некоторым сетевым моделям хеббовского типа. Джеймс также обсуждал способность сетей частичных ассоциаций реконсгруировать пропущенные куски с помощью определенной процедуры соединения клеток. Хотя Джеймс, конечно, не был знаком с компьютерным моделированием, он глубоко проник в суть основанного на теории сложных систем подхода, заключающегося в том, что сложные события в сознании собраны из различных субассоциаций, связанных между собой элементарными механизмами типа синапсов.

В главе «Ассоциации» Джеймс рассматривает человека, начинающего думать о званом обеде. Единственной вещью, которую все обстоятельства этого обеда могли бы в совокупности нам напомнить, было бы первое конкретное происшествие, непосредственно следующее за обедом. Все детали этого происшествия могли бы, в свою очередь, в совокупности вызвать в памяти только ближайшее следующее происшествие и т. д.

Джеймс убежден, что «порядок представления материалов разума обязан только физиологии коры головного мозга». В рамках современного подхода теории сложных систем, для описания вызванных макроскопическими нейронными клеточными ансамблями ментальных состояний используются параметры порядка. В следующих разделах мы увидим, что многие основополагающие прозрения философов от досократиков до Канта и Джеймса относительно работы разума, по существу, не изменились и сегодня.