Растет количество неврологических данных о наличии хаоса в нервной системе

Следует иметь в виду, что в определенном смысле человек, которому пересаживают сердце, не имеет представления о своем новом органе: его нервная система, как правило, не подключается к его системе коммуникации.

40 000 нейронов столь совершенно контролируют работу сердца, и они в такой степени самодостаточны, что сердце можно вырезать из одного тела, пересадить в другое, и оно продолжит безупречно работать даже при отсутствии внешнего контроля; и так будет продолжаться десять лет, а, может быть, и больше. Это кажется необходимым: части нашей нервной системы, управляющие наиболее важными функциями, работают как швейцарские часы — все происходит точно по расписанию и без каких-либо помех. Хаотическое поведение блокировано.

Но так ли это на самом деле? Два простых маятника, качающихся с безукоризненной регулярностью, могут начать двигаться по хаотичной траектории, если их связать вместе. При этом каждый из миллиардов нейронов в нашем мозгу можно представить в виде маятника, переходящего из рабочей фазы в фазу покоя и связанного с 10 000 других нейронов: не означает ли это, что хаос в нашей нервной системе является неизбежным?

Подобного рода перспективы вызывают ужас. Хаос исключительно чувствителен к первоначальным условиям — достаточно вспомнить об эффекте бабочки. А что будет, если неправильные пертурбации безвозвратно погрузят нас в состояние безумия? Среди многих ученых также существует активное сопротивление по отношению к идее о том, что хаос, на самом деле, работает в биологических системах. Многие намеренно исключают его из своих моделей. Он подрывает основы вычислительного принципа (computationalism), то есть идеи о том, что мозг является не чем иным, как основанным на фундаментальных правилах счетно-вычислительным устройством. Хаос кажется неподходящим как механизм биологической обработки информации, поскольку он позволяет шумам размножаться без всяких ограничений, что приводит к искажению передачи и хранения информации.

Главная функция мозга состоит в защите нас от хаоса, и в этом смысле он похож на зонтик

В то же время хаос имеет свои преимущества. На поведенческом уровне гонка вооружений между хищником и добычей встроила беспорядочные стратегии в нашу нервную систему. Мотылек, почувствовавший сигналы эхолота летучей мыши, например, незамедлительно начинает удаляться от источника ультразвука. Нейроны, контролирующие его полет, возбуждаются и начинают «гореть» все более беспорядочным образом по мере приближения летучей мыши, пока сам мотылек, производя резкие движения, не превращается в барахтающуюся смесь крылышек и лапок. Обобщая, можно сказать, что хаос предоставляет нашему мозгу значительное количество способности производить вычисления и позволяет ему на высокой скорости исследовать многочисленные возможности. Будучи мотивированными этими, а также другими потенциальными преимуществами и имея на руках собранные факты, специалисты в области нейробиологии постепенно начинают соглашаться с потенциальной важностью хаоса в мозгу.

Хаос — это не то же самое, что беспорядок. В то время как находящиеся в беспорядочном состоянии системы не могут быть предсказуемыми, хаос, на самом деле, имеет детерминистский характер: современное состояние системы определяет ее будущее. Но даже в этом случае ее поведение предсказуемо лишь на короткий период времени: незначительные отличия при вводе приводят к совершенно иным результатам. Хаотические системы также способны демонстрировать стабильные модели, получившие называние «аттракторы» (attractors), и терпеливый наблюдатель способен их заметить. Со временем хаотические траектории будут стремиться приблизиться к ним. Поскольку хаос можно контролировать, он создает тонкий баланс между надежностью и исследованием. Но поскольку хаос непредсказуем, он является достойным кандидатом на то, чтобы быть динамической основой свободной воли.

Сходство со случайным беспорядком (стохастичность) является болезненной проблемой для формального изучения хаоса. С точки зрения математики, совсем не просто провести различие между этими двумя состояниями — особенно в биологических системах. Не существует определенных тестов для хаоса, когда речь идет о многомерных, флуктуирующих биологических данных. Уолтер Фримен (Walter Freeman) и его коллеги были инициаторами самых первых исследований, задачей которых было доказательство существования хаоса в мозгу, однако они сделали крайние выводы на основании ограниченных данных. Так, например, Фримен считал, что нейропили, внеклеточные комбинации аксонов и дендритов, является органом сознания — это, в любом случае, весьма серьезное утверждение. Философы вскоре ухватились за эти идеи, и даже результаты самых первых исследований они воспринимали без должной критики. Статьи как философов, так и ученых могут в одинаковой мере подходить для цитирования как Джидду Кришнамурти, так и Анри Пуанкаре, а к хаосу часто проявляется полумистическое почтение. В результате ученые должны продвигаться осторожно для того, чтобы их серьезно воспринимали.

Однако поиски хаоса — это дело не только сугубо поэтическое. Самое убедительное подтверждение приходит от отдельной клетки. Так, например, гигантский аксон кальмара оперирует либо в режиме отдыха, либо в режиме повторяемого возбуждения — в зависимости от внешней концентрации натрия. Между этими двумя крайними положениями он демонстрирует непредсказуемые резкие действия, напоминающие блуждающее поведение хаотичной траектории, пока она не пристраивается к аттрактору. Когда применяется периодический ввод, гигантский аксон кальмара отвечает смешением колебательной и хаотической активности. Хаос существует также в сетях клеток. Нейроны, расположенные в частях кожи крысы, способны различать между хаотичным и беспорядочным растяжением кожи.

Еще больше свидетельств хаоса в нервной системе можно обнаружить на уровне глобальной активности мозга. Странным образом, подходящей метафорой для этого поведения может служить металлическая пластина. Каждый из содержащихся в ней электронов может быть направлен в разные стороны (если говорить более точно, то речь идет об их вращении (spin). Соседние вращения, как крохотные магниты, оказывают друг на друга влияние. Если пластина холодная, то в ней недостаточно энергии для преодоления влияния соседних вращений, и все вращения выстраиваются в одинаковом направлении, образуя единый прочный магнит. Когда плита нагревается, каждое вращение получает такое количество энергии, что оно способно избавиться от воздействия соседа, и таким образом вращения находятся в беспорядочном состоянии. Когда плита разогрета наполовину, то есть не холодная, но и не горячая, она находится в так называемом «критическом режиме». Он характеризуется появлением флуктуационных областей, состоящих из одинаково вращающихся частей, которые демонстрируют самую высокую степень динамической корреляции, то есть наилучший баланс между способностью спина воздействовать на своих соседей и его способностью изменяться.

Критическое состояние может оказаться весьма полезным для мозга, позволяя ему исследовать как порядок, так и беспорядок в своих подсчетах, используя при этом избыточную сеть с богатой и сильной хаотичной динамикой, а также работающую функцию считывания данных для стабильного перевода состояния сети в режим вывода. Критическое состояние в таком случае поддерживается не с помощью температуры, а с помощью смещения баланса в сторону подавления, и в таком случае мозг «замерзает», и ничего не происходит. Если существует слишком большое возбуждение, то он опускается до состояния хаоса. Эта критическая точка аналогична аттрактору.

Но как мы можем определить, что мозг работает на критическом уровне? Подсказку может предоставить структура сигнала, порожденного активностью миллиардов его нейронов. Мы можем измерить силу электрической активности мозга на различных уровнях колебаний. Оказывается, что сила активности падает обратно пропорционально частоте этой активности. Когда-то это соотношение называли «шумом» 1/f — это, на самом деле, отличительная черта систем, сбалансированных в их критических точках. Пространственная величина регионов координированной нейронной активности также находится в обратной зависимости от частоты, и это еще одна отличительная черта критичности. Когда мозг выталкивается из режима обычного состояния с помощью фармакологических средств, он обычно теряет оба этих отличительных свойства, а эффективность кодирования и передачи информации сокращается.

Философ Жиль Делез (Gilles Deleuze) и психиатр Феликс Гваттари (Felix Guattari) заявили: главная функция мозга состоит в том, что он, как зонтик, защищает нас от хаоса. Судя по всему, он делает это с помощью самого хаоса. В то же самое время нейронные сети также способны демонстрировать почти безупречную надежность, как это происходит с работающим сердцем. Порядок и беспорядок имеют симбиотические отношения, а возбуждение нейрона может происходить хаотично, пока память или восприятие не направит его в сторону аттрактора. Сенсорный вход в таком случае служит для «стабилизации» хаоса. На самом деле, использование стимула сокращает вариативность в возбуждении нейронов у удивительно большого количества разных видов и систем, и получается так, как будто высокая хаотичная траектория опускается на аттрактора. За счет «укрощения» хаоса аттракторы могут представлять собой стратегию по поддержанию надежности в чувствительной системе. Недавние теоретические и экспериментальные исследования крупных сетей независимых излучателей также показали, что порядок и хаос способны сосуществовать в удивительной гармонии — в так называемых химерных состояниях.

Данная исследовательская парадигма в нейробиологии, рассматривающая нейроны в определенное мгновение как стационарные счетные единицы, а не как членов сдвигающейся динамической целостности, вероятно, будет совершенно неверной. Если хаос играет столь важную роль в мозгу, то в таком случае нейронные исчисления выполняются не как статистическое считывание, не как строгое движение от преобразования фотонов к опыту света, а как динамическая траектория большой размерности и как амплитудные танцы в мозгу, поделенные на каденции в собственной хореографии.

В то время как сотни миллионов долларов направляются на создание коннектома (connectome) — карты мозга с учетом каждого нейрона — такие ученые как Эва Мардер (Eve Marder) утверждают, что, учитывая сложность подобных цепей, сама по себе структурная карта далеко нас не продвинет. Функциональные связи могут появляться и исчезать в тысячные доли секунды. Отдельные нейроны со временем, судя по всему, изменяют свои характеристики, и поэтому нельзя будет получить данные с битовой адресацией, то есть они не могут представлять собой какую-то устойчивую часть информации, а вместо этого действуют в рамках динамического словаря, который постоянно сдвигается, образуя пространство для новых значений.

Хаос дает нам повод подумать о некоторых расстройствах как о динамических заболеваниях, и эпилептические припадки являются наиболее ярким примером вероятного несрабатывания хаоса. Хаос также может служить показателем здоровья мозга: так, например, специалисты сообщили о появлении менее хаотичной динамики в производящих дофамин клетках грызунов с повреждениями мозга в отличие от здоровых грызунов, и это может иметь последствия при диагностике и лечении болезни Паркинсона, а также других связанных с дофамином расстройств.

Экономист Мюррей Ротбард (Murray Rothbard) сказал, что теория хаоса «разрушает математику изнутри». Она захватывает человеческие импульсы и упрощает их, заменяя при этом ясные линеарные отношения, которые мы ищем в природе, на запутанные и непредсказуемые. Аналогичным образом хаос в мозгу подрывает поверхностные и карикатурные схемы человеческого поведения. Экономисты часто воспринимают людей как «рациональных агентов», как гедонистические вычислительные устройства, действующие в интересах своего будущего. Однако мы, в действительности, не в состоянии действовать на основе личного интереса — хотя это было бы разумным поведением, — потому что показываем ужасные результаты в том, что касается его определения. Да и как мы могли бы это сделать? Именно эта неспособность и является причиной, по которой мы и являемся тем, что мы есть.