Каким образом можно объяснить сознание с помощью взаимодействия нейронов в сложных моделях мозга? Лейбниц уже столкнулся с проблемой, состоящей в том, что сознание, мысли и чувства невозможно найти в отдельных областях мозга, интерпретируемого просто как машина. Кант подчеркивал, что для одушевления физической системы необходима организующая сила. Вплоть до XX в. некоторые физики, биологи и философы верили в нематериальный организующий жизненный фактор, называвшийся «жизненным порывом» (Берг-сон) или «энтелехией» (Дриш). С точки зрения сложных систем, интересным подходом была гештальтпсихо-логия Келера, ссылавшаяся на существование физических систем, в которых сложные психические структуры спонтанно возникали из собственной внутренней динамики системы. На простом языке, макроскопический образ («Gestalt») воспринимаемого объекта больше суммы его крохотных частей и не может быть сведен к микроскопическому масштабу.
Идея Келера состояла в том, что возникновение зрительных явлений можно объяснить в рамках термодинамических моделей. Но в те дни он мог ссылаться только на больцманов-скую линейную равновесную термодинамику. Келер предположил: «Соматические процессы, лежащие в основе статических зрительных полей, являются стационарными равновесными распределениями, развившимися из внутренней динамики самой оптической системы» [4.42]. Келер даже понял, что организм не является замкнутой системой, и попытался объяснить возникновение упорядоченных состояний как особого типа интуитивно понимаемой совместной деятельности. В этом отношении Келер правильно отметил ясное различие между микроскопическим 'уровнем элементарных взаимодействий и макроскопическим уровнем возникающих упорядоченных состояний в синергетической системе. Но для построения формализма термодинамики вдали от теплового равновесия ему не хватило адекватной основы в виде теории сложных динамических систем.
Подход, основанный на теории сложных систем, дает возможность моделировать нейронные взаимодействия в мозговых процессах в микроскопическом масштабе и возникновение познавательных структур в макроскопическом масштабе. Следовательно, представляется возможным проложить мост через пропасть, разделяющую нейробиологию мозга и пауку о мышлении, что традиционно рассматривалось как нерешаемая проблема.
Сложные модели включают пространства состояний и уравнения нелинейной эволюции, описывающие динамику системы. Человеческий мозг с его примерно 1011 нечувствительными нейронами представляется пространством состояний с 10 й измерениями. Даже типичная подсистема содержит около 108 элементов. В пространстве состояний с 10м измерениями и только 10 уровнями нейронного возбуждения существует по меньшей мере 101Н* определенных положений, представляющих векторы возбуждения. Если предположить наличие 10^ сииаптических соединений между каждым нейроном и другими 108 нейронами подсистемы, то необходимо различать примерно 10" синапсов. Следовательно, всего лишь для 10 определенных весов па каждом синапсе мы получаем чудовищное количество 10'°" весов только в одной подсистеме. Такая сложность обеспечивает многочисленные возможности для кодирования, представления и обработки информации, что можно математически моделировать преобразованиями векторов и тензоров [4.43].
В самоорганизующейся карте Ко-хонена система самоорганизуется так, что соседние векторы отображаются на соседние точки сети. Иными словами, похожие образы представляются похожими векторами, находящимися на малых расстояниях от некоторых векторов-прототипов. При этом в сети векторы-прототипы интерпретируются как аттракторы. Таким образом, две разные категории или класса представляются двумя разными аттракторами в пространстве состояний (рис. 4.7 б). Процесс обучения сети включает такую настройку весов, при которой входной вектор (например, зрительный или звуковой образ) предлагается для сравнения наиболее похожему вектору-прототипу.
Понятие прототипа в нейронных пространствах состояний допускает . интересные интерпретации познавательных процессов. Как сеть различает образ, если входной образ задан только частично? Проблема дополнения векторов жизненно важна для животных в лесу. Представьте себе койота в степи, увидевшего в траве хвост крысы (рис. 4.18 а). Входной образ на сетчатке койота ограничивается этой деталью крысы. Предположение или «гипотеза» о том, что в траве есть крыса, позволяет зрительной системе койота дополнить входной вектор ранее заученным вектором-прототипом крысы. В этом смысле можно сказать, что у койота есть «идея» крысы, представленная соответствующей структурой возбуждения прообраза в мозгу [4.44].
Пол Черчленд даже предлагает интерпретировать сильно развитые познавательные возможности человека с помощью подхода, основанного на векторах-прототипах. Так, объяснение и понимание сводится к возбуждению конкретного вектора-прототипа в хорошо обученных сетях. Эти векторы-прототипы включают огромный объем информации, которая может быть различной для разных людей. Причина этого заключается в том, что разные люди не всегда могут иметь одни и те же объекты, удовлетворяющие ограничениям, накладываемым на векторы-прототипы. Действительно, в большинстве случаев степень понимания у людей различается, хотя они классифицируют объект или ситуацию примерно одинаково. Например, плотник обладает более высокой степенью понимания того, что может быть стулом, чем большинство других людей. Тем не менее в большинстве случаев все придут к согласию. Таким образом, модель возбуждения прототипов довольно реалистична, так как она учитывает расплывчатость человеческих представлений и понимания.
В эпистемологии и когнитивной психологии обычно различают разные типы объяснений. Существуют классифицирующие объяснения («Почему кит — млекопитающее?»), причинные объяснения («Почему камень падает вниз?»), функциональные объяснения («Почему у птицы есть крылья?») и ряд других, которые соответствуют прообразам возбуждений кластеров, причинным связям, функциональным свойствам и т. п. Даже освоение социальных ситуаций — это вопрос возбуждения прототипов социальных взаимодействий, которым люди обучались в течение всей жизни.
В модели сложных систем психические состояния скоррелированы с нейронными структурами возбуждения мозга, которые моделируются векторами в пространствах сложных состояний. Внешние психические состояния, относящиеся к восприятию внешнего мира, могут быть доступны для проверки опытом и скоррелированы с возбуждениями нейронов в мозге. Каким образом мы можем проверить и объяснить внутренние состояния сознания, относящиеся пе к событиям внешнего мира, а к самим психическим состояниям?
Хорошо известно, что мы можем рефлексировать по поводу наших саморефлексий, а также рефлексировать по поводу рефлексий по поводу наших саморефлексий и т.д., осуществляя в принципе неограниченный процесс итераций (рис. 4.18 6). Самопознание и саморефлексия приводят к понятию самосознания, которое традиционно рассматривалось как важнейшее понятие философии разума и когнитивной психологии. Самосознание определялось как ключевое свойство человеческой личности. Те определения самосознания, которые исторически обсуждались, представляют не только философский интерес. Очевидно, что эти предлагаемые определения приводят к важным следствиям для медицины и юриспруденции. Какие критерии должны быть выполнены, чтобы человеческое существо обладало сознанием и поэтому было бы ответственным за свои действия? Существуют ли медицинские критерии сознания? Как можно повредить или даже разрушить сознание? Что можно сказать о сознании животного? Можем ли мы чувствовать себя, как наш сосед или как животное?
Возникают фундаментальные вопросы: 1) существуют ли специфические процессы в мозге, приводящие к возникновению сознания? 2) можно ли с помощью сложных систем смоделировать возникновение сознания на основе известных мозговых процессов? Методологическая трудность заключается в том, что для самоанализа доступны только субъективные ощущения, например боли, запахов и т. п.
Эти субъективные состояния ощущения и сознания называют иногда феноменальными состояниями. Некоторые философы утверждали, что физическое описание мозговых состояний не способно ухватить суть того, что такое воспринимаемое состояние. Сторонники противоположной точки зрения утверждали, что понятия воспринимаемых состояний можно свести к понятиям нейрофизиологических состояний в мозге. Эти аргументы — не что иное, как современные вариации традиционных взглядов, известных как физикализм и мен-тализм (а н т и ф и з и к а л и з м). Обе позиции представляют идеологический редукционизм и преувеличение,которые не подтверждаются исследованиями и не помогают их проводить [4.45].
Согласно подходу теории сложных систем, нейрофизиологические и ментальные состояния моделируются математическими средствами без редукционистских устремлений. Некоторые философы глубоко заблуждаются со своим предубеждением в отношении математики, поскольку они, похоже, верят, что одни только формулы могут обозначить «физические» состояния. Читатель может вспомнить, например, систему Хопфилда, содержащую формулу «энергии», по аналогии с формулой для энергии физической системы спинов. Тем не менее в рамках системы Хопфилда не следует отождествлять так называемую формулу «энергии» с энергией в физике твердого тела. Математическое выражение определяет всего лишь динамику сети, которая может воплощаться реальными биологическими мозгами, или компьютерами, созданными на кремниевой или другой основе.
Математическая модель эмпирически подтверждается, если она описывает наблюдаемые данные. В противном случае она должна быть модифицирована или отброшена. Мы должны быть уверены, что проверяемая и подтверждающаяся теория ментальных состояний и сознания не позволяет нам чувствовать себя как наш сосед. Например, врач или хирург, который хочет устранить у пациента боль в животе, не нуждается в том, чтобы самому чувствовать эту боль. Он должен хорошо знать устройство живота, основанное на анатомии, физиологии, биохимии, психологии и т. д. В терминах теории сложных систем, он должен знать возможные состояния живота и их динамику. В этом смысле модель ментальных состояний и сознания должна развиваться и проверяться без всяких редукционистских претензий.
Очевидно, существует много проверяемых корреляций между воспринимаемыми состояниями сознания и нейробиологическим функционированием мозга. Каждый знает, что краткий период кислородного голодания приводит к потере сознания. На степень сознания могут влиять также электрические стимуляции, психотропные лекарства, анестезия и повреждения мозга, что не только испытывается в самоисследовании (аутоцереброско-пия), но может быть клинически проверено при наблюдениях и измерениях функциональных отклонений. Причина состоит в том, что мозг является открытой системой, состояния которой зависят от физического, химического и биологического метаболизма с окружающей средой вдали от теплового равновесия.
Сознательные и бессознательные состояния кажутся зависящими от довольно сложной нейробиологической системы, содержащей петли обратной связи и соединения на разных уровнях. На рис. 4.19 показана сеть коры головного мозга с ее подсистемами первичной сенсорной коры и ассоциативной коры. Специфические-входные сигналы («афференты») от органов чувств достигают областей проекции первичной коры по специальным передающим подсистемам и путям. Неспецифические входные сигналы достигают коры от подсистемы под названием «мезэнцефаличе-ская ретикулярная формация». Ретикулярная формация обозначает сложную сеть нейронов и нервных волокон с широко распределенными соединениями синаптических контактов. Известно, что она играет существенную роль при пробуждении, бодрствовании и внимании [4.46].
Повреждения в сложной сети приводят к различным нарушениям сознания, которые могут быть как глобальными, так и локальными, с конкретными недостатками сознательного восприятия при общем бодрствовании. Нейрофизиология может экспериментально продемонстрировать, что степень сознания зависит от двух потоков специфических и неспецифических афферентных сигналов, вырабатываемых в коре головного мозга. Но возникает вопрос, каким образом из этих сетей возникают ментальные состояния сознания. В терминологии Лейбница, мы видим взаимодействующие элементы типа зубчатых колес в мельнице, но не можем перекинуть мост между нейрофизиологическими механизмами и ментальными состояниями сознания. Общепринятый взгляд традиционной нейрофизиологии состоит в том, что функции мозга становятся возможными благодаря электрическим импульсам, распространяющимся по сети нейронов, связанных жесткими синапсами, аналогично жестким связям зубчатых колес в механистической модели мельницы Лейбница.
Подход, основанный на теории сложности, предлагает рассматривать самоорганизующиеся сети, изменяющие свои синаптические связи, что стимулируется синаптическим возбуждением и зависит от степени этого возбуждения. В рамках сложных нейронных систем микроскопический уровень взаимодействующих нейронов отличается от макроскопического уровня глобальных структур, возникающих как ансамбли клеток за счет самоорганизации. В предыдущих разделах уже отмечалось, что понятие самоорганизующихся нейронных клеточных ансамблей было предложено Хеббом. Оно было модифицировано Кристофом фон дер Мальсбургом, Тойво Кохоненом и другими. Если в некоторых нейронах сети под действием структурированного входного сигнала возникает одновременная активность, то согласно обучающему правилу хеббовского типа в результате синхронного возбуждения будет образован ансамбль.
Предложенная Мальсбургом модификация состоит в том, что формирование ансамбля не является медленным процессом, а создается быстрыми синаптическими изменениями [4.47]. Эти так называемые «синапсы Мальсбурга» используются для моделирования сетей с быстрой динамикой настройки весов. Сегодня существует эмпирическое свидетельство существования в мозге обладающих большой пластичностью синапсов хеббовского и мальсбурговского типов, правила взаимодействий которых можно понять с помощью молекулярных механизмов. Образование ансамблей в сети зависит от степени возбуждения ее нейронов.
Однако не существует «материнского нейрона», который способен чувствовать, думать или, по меньшей мере, координировать соответствующие нейроны. Проблема связи пикселей и общего вида при восприятии объясняется клеточными ансамблями синхронно возбуждающихся нейронов, управляемых обучающими аттракторами динамики мозга. Проблема связи состоит в следующем: каким образом может быть достигнуто восприятие объекта в целом без разложения на миллионы несвязанных пикселей и сигналов от возбужденных нейронов? Теория Барлоу [4.48] предполагает наличие отдельных нейронов, отвечающих каждому свойству воспринимаемого объекта, других нейронов для кластеров свойств и, наконец, отдельного нейрона для всего объекта («бабушкин нейрон»). Таким образом, мозгу требуется громадное количество специализированных нейронов, существование которых должно постулироваться в особой гипотезе для каждого нового восприятия изменяющейся ситуации (рис. 4.20 а). Вольф Зингер [4.49] и другие путем наблюдений и измерений подтвердили хеббовскую концепцию синхронно возбуждаемых нейронов (рис. 4.20 б). Таким образом, для объяснения восприятия целостной формы теория Барлоу не нужна.
При рассмотрении сознательных и бессознательных состояний предполагается, что глобальное возбуждение популяции клеток, вызванное влиянием ретикулярной формации на кору (рис. 4.19), будет в общем случае увеличивать вероятность образования ансамблей. Поэтому Ганс Флор предположил, что степень сознания изменяется с той скоростью, с которой могут генерироваться ансамбли. Например, скорость образования клеточных ансамблей определяет количество, сложность и длительность существования представлений чувственных образов от внешнего мира. Сознание — это самоотносимое состояние саморефлексии (рис. 4.18 б). Таким образом, сознательное состояние основано па клеточном ансамбле, представляющем внутреннее состояние (а не только состояние внешнего мира). Например, я пе только имею впечатление от зеленого дерева, по я сознаю, что смотрю па зеленое дерево. Кроме того, я могу размышлять о моем состоянии, в котором я сознаю, что смотрю на зеленое дерево, и продолжать итеративное производство мета-мета...представлений, начинающихся от воспринимаемых впечатлений и чувств и кончающихся абстрактными и весьма изощренными состояниями саморефлексии. Воспринимаемые состояния должны возникать всякий раз, когда преодолевается критический порог скорости образования ансамблей. Недостатки сознания возникают ниже критического порогового уровня.
Эта гипотеза может быть проверена с помощью определенных изменений электроэнцефалограммы (ЭЭГ), соответствующих растущей скорости образования ансамблей, представляющих определенную степень внимания. Так как скорость образования клеточных ансамблей основана на конкретных синапсах с меняющимися весами, степени сознания могут быть проверены путем вмешательства в синаптические связи. На самом деле пациенты, подвергнутые анестезии химическими веществами, влияющими на пластичность синапсов, испытывают яркие сновидения, чувственные иллюзии, зрительные и слуховые галлюцинации и путающиеся мысли. В этом смысле понимание можно рассматривать как результат способности системы генерировать представления и ме-тапредставления.
Нейронная сеть с высокой скоростью образования ансамблей может порождать более сложные представления, чем сеть с меньшей скоростью образования. Таким образом, при достаточно высокой скорости образования сложные системы будут проявлять самоотносимую и метакогни-тивную деятельность. Можно вообразить шкалу более или менее сознательных систем, соответствующих степеням сознания в эволюции живых существ со сложными нервными системами, от червя до человека. Из этой шкалы следует, что в рамках сложных систем возникновение сознания не является побочным явлением эволюции. Это основанное на законах природы возникновение глобальных состояний согласно динамике сложных систем, образующей макроскопические упорядоченные структуры за счет микроскопических взаимодействий их элементов, если при этом удовлетворены определенные критические условия.
Если подход, основанный на теории сложных систем, правилен, тогда нервные системы в биологической эволюции есть просто конкретные реализации самоотносимых систем, и в принципе нельзя исключить существование других, возможно, технических систем с самоотносимыми возможностями, основанных на механизмах, отличающихся от биохимии человеческого мозга (см. гл. 6). Может быть, мы даже способны транслировать представления из одной сложной системы в другую, чужую систему. Так как представления в обеих системах не совсем одинаковы, мы не будем чувствовать себя точно так же, как наш сосед, будь то животное или иная чужая система. Но мы будем иметь представление в форме знания или теории о том, что они чувствуют или думают. В этом смысле субъективность сохраняется, и в человеческом общении остается широкое поле закрытых явлений, даже в случае технических имитаций.
В том, что касается традиционной проблемы разум-тело, подход теории сложности показывает, что познавательная активность не является ни полностью независимой и отличной от активности мозга, ни просто ей тождественной, ни побочным явлением. Предполагается, что мысли и чувства являются одновременно продуктом и производителем нейронных процессов, но не идентичны этим процессам. В рамках теории сложных систем мозг моделируется как самоорганизующаяся система, работающая вдали от теплового равновесия и вблизи от некоторых пороговых значений, являющихся точками неустойчивости. Во время нейронной неустойчивости различные моды коллективных возбуждений эволюционируют к когерентным макроскопическим структурам, которые нейро-физиологически основаны на определенных клеточных ансамблях, а психологически выражаются в виде определенных чувств или мыслей [4.51].
Мы все по собственному опыту знаем, что в ситуации эмоциональной неустойчивости определенное чувс тво может доминировать над остальными, скрытыми чувствами и даже руководить нашими действиями. В синергетике конкуренция устойчивых и неустойчивых мод объясняется принципом подчинения. Читатель наверняка сам вспомнит ситуации принятия решения, когда одна мысль или одна идея начинает «подчинять себе» все другие возможные мысли. Такие неравновесные фазовые переходы управляются очень малым числом параметров порядка, имея в виду минимальность информации. Действительно, действие после принятия решения означает колоссальное уменьшение сложности. Слишком большое количество знаний мешает действию или, цитируя Гёте: «Человек действия всегда беспринципен».
Когнитивные явления относятся к макроскопическим свойствам динамики мозга и к параметрам порядка, управляющим лежащими в основе этих явлений микроскопическими процессами. Таким образом, так называемое взаимодействие разум—мозг есть всего лишь устаревшая формулировка неадекватной и вышедшей из употребления метафизики, предполагающей существование определенных взаимодействующих субстанций, подобных сталкивающимся шарам в механике. Перекрывающаяся область наук о мозге и познании связана с возникновением макроскопических свойств из микроскопических нейронных взаимодействий во время фазовых переходов в сложных нейронных системах.
В синергетике фазовые переходы интерпретируются как тип нарушения симметрии, который можно проиллюстрировать движением частицы с большим затуханием в симме тричном потенциале (рис.4.21 п) [4.52].
В максимуме потенциальной энергии положение частицы симметрично, но неустойчиво, так что крохотные начальные флуктуации решают, в какое из двух эквивалентных устойчивых состояний с минимумом потенциальной энергии скатится частица. В теории сложных систем две впадины на рис. 4.21 а интерпретируются как аттракторы. Очевидно, что неопределенность восприятия и спонтанное решение о том, как интерпретировать визуальный образ, представляют хорошо известный психологический пример нарушения симметрии. На рис. 4.21 б имеется неустойчивость фигуры и фона. Мы видим белый или черный крест? На рис. 4.21 в показана неустойчивость возникающего образа. На картинке нарисована молодая девушка или старая леди?
Нарушение симметрии в психологии определяется нелинейной причинностью сложной системы («эффект бабочки»), грубо говоря, означающей, что малая причина может иметь большие последствия. Маленькие детали начальных индивидуальных точек зрения и, кроме того, когнитивные предубеждения могут «подчинить» другие моды и привести к одной доминирующей точке зрения. Нейрофизиологическая модель должна моделировать соответствующие фазовые переходы клеточных ансамблей.
Хорошо известны фазовые переходы в движении животных, например, в походке лошади. С увеличением скорости, чтобы минимизировать потери энергии, лошадь переходит к разным типам движения — от ходьбы к рыси, затем к галопу. Такое явление гистерезиса часто наблюдается в неравновесных фазовых переходах и интерпретируется как последовательность устойчивых состояний или аттракторов в нервной системе. Фазовые переходы возникают также в мышлении. «Озарение» и внезапное «понимание» — удивительные явления, возникающие в ситуации флук-туаций и неустойчивости. В истории существует много известных примеров, когда ученые, инженеры, артисты и композиторы, находясь в ситуации «созидательной нестабильности» и беспорядка, внезапно находили новое решение задачи, изобретение, идею картины, мелодию и т.д.
Подход теории сложных систем предлагает не замкнутую доктрину психологии, а междисциплинарную исследовательскую программу исследования старых и новых проблем науки о познании и приближения их к эмпирическому и экспериментальному анализу. Так, предлагается исследование корреляций между скоростями изменения клеточных ансамблей и интеллектуальными возможностями обучения, креативностью, познавательной гибкостью и способностью к визуализации. Предполагается, что явления познавательной неустойчивости — это макроскопические свойства микроскопической неустойчивости нервных процессов. Мысли и ожидания интерпретируются как параметры порядка, управляющие активностью всей системы, если она функционирует вблизи точек неустойчивости. Подтверждение этой теории можно видеть в психологических тестах, порождающих галлюцинации под гипнотическими воздействиями, соответствующими измеряемым физиологическим эффектам. Путем записи потока крови через области коры, было показано, что даже мысль или намерение действия увеличивает активность нейронов в двигательной области.
Кто будет отрицать, что мысли могут изменить мир и что они являются не только интерпретациями мира? Например, в области психосоматических явлений эффект плацебо показывает, что одна лишь вера или руководящая идея может изменить не только эмоциональное, но и психологическое состояние. Очевидно, что психосоматические состояния близки к неустойчивым точкам. Соответствующие параметры порядка являются не просто теоретическими концепциями психологов, а реальными модами, управляющими и подчиняющими остальные степени свободы в деятельности центральной нервной системы.
Последние примеры показывают, что применение самоорганизующихся сложных систем в психологии нельзя просто оценить их способностями к прогнозам и количественной измеримостью. Внутренним свойством сложной системы является то, что ее нелинейная динамика на микроскопическом уровне и ее чувствительность к начальным условиям не позволяют прогнозировать конечное состояние объекта. В исследованиях мозга и познания мы сталкиваемся с огромной степенью сложности, исключающей точные вычисления или долговременные прогнозы. Тем не менее подход, основанный на теории сложности, раскрывает существенные качественные свойства системы разум—мозг, такие как высокая чувствительность по отношению к крохотным внутренним флуктуациям и изменениям во внешнем мире.