Что такого в человеческом мозге, что делает нас умнее других животных?

В области познания людям нет равных. В конце концов, ни один другой вид не отправлял зонды на другие планеты, не производил спасительные вакцины и не создавал поэзию. Вопрос о том, как информация обрабатывается в человеческом мозге, чтобы сделать это возможным, привлекает бесконечное внимание, но окончательных ответов на него нет.

Наше понимание работы мозга менялось на протяжении многих лет. Но современные теоретические модели описывают мозг как "распределенную систему обработки информации". Это означает, что в нем есть отдельные компоненты, которые тесно связаны между собой посредством проводки мозга. Чтобы взаимодействовать друг с другом, области обмениваются информацией через систему входных и выходных сигналов.

Однако это лишь малая часть более сложной картины. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Neuroscience, на основе данных, полученных от разных видов животных и представителей различных нейронаучных дисциплин, мы показали, что в мозге существует не только один тип обработки информации. Способ обработки информации также отличается у людей и других приматов, что может объяснить, почему когнитивные способности нашего вида настолько высоки.

Чтобы проследить, как мозг обрабатывает информацию, мы позаимствовали понятия из так называемой математической основы теории информации - изучения измерения, хранения и передачи цифровой информации, которая имеет решающее значение для таких технологий, как Интернет и искусственный интеллект. Мы обнаружили, что различные области мозга на самом деле используют разные стратегии взаимодействия друг с другом.

Некоторые области мозга обмениваются информацией с другими очень стереотипно, используя вход и выход. Это гарантирует, что сигналы передаются воспроизводимым и надежным образом. Это относится к областям, которые специализируются на сенсорных и моторных функциях (таких как обработка звуковой, зрительной и двигательной информации).

Возьмем, к примеру, глаза, которые посылают сигналы в заднюю часть мозга для обработки. Большая часть посылаемой информации дублируется и передается каждым глазом. Половина этой информации, другими словами, не нужна. Поэтому мы называем такой тип обработки входной-выходной информации "избыточным".

Но избыточность обеспечивает прочность и надежность - именно она позволяет нам видеть одним глазом. Эта способность необходима для выживания. На самом деле, она настолько важна, что связи между этими областями мозга анатомически жестко закреплены в мозге, как телефонная линия.

Однако не вся информация, предоставляемая глазами, является избыточной. Объединение информации от обоих глаз в конечном итоге позволяет мозгу обрабатывать глубину и расстояние между объектами. На этом основаны многие виды 3D-очков в кинотеатре.

Это пример принципиально иного способа обработки информации, который превосходит сумму ее частей. Мы называем этот тип обработки информации - когда интегрируются сложные сигналы из разных сетей мозга - "синергетическим".

Синергетическая обработка наиболее распространена в областях мозга, которые поддерживают широкий спектр более сложных когнитивных функций, таких как внимание, обучение, рабочая память, социальное и числовое познание. Она не является жестко закрепленной в том смысле, что может меняться в зависимости от нашего опыта, соединяя различные сети разными способами. Это облегчает комбинирование информации.

Такие области, где происходит много синергии - в основном в передней и средней части коры (внешнего слоя мозга) - интегрируют различные источники информации из всего мозга. Поэтому они более широко и эффективно связаны с остальной частью мозга, чем области, работающие с первичной сенсорной и двигательной информацией.

Области с высоким уровнем синергии, способствующие интеграции информации, также обычно имеют много синапсов - микроскопических соединений, которые позволяют нервным клеткам общаться.

Является ли синергия тем, что делает нас особенными?

Синерги́я (греч. συνεργία «сотрудничество, содействие, помощь, соучастие, сообщничество» от др.-греч. σύν «вместе» + ἔργον «дело, труд, работа, (воз)действие») — усиливающий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что совместное действие этих факторов существенно превосходит простую сумму действий каждого из указанных факторов, эмерджентность.

Мы хотели узнать, отличается ли эта способность накапливать и строить информацию через сложные сети в мозге у людей и других приматов, которые являются нашими близкими родственниками в эволюционном плане.

Чтобы выяснить это, мы изучили данные визуализации мозга и генетические анализы разных видов. Мы обнаружили, что на синергетические взаимодействия приходится большая доля общего потока информации в мозге человека, чем в мозге обезьян макак. Напротив, мозги обоих видов равны по тому, насколько они полагаются на избыточную информацию.

Однако мы также рассмотрели префронтальную кору, область в передней части мозга, которая поддерживает более развитые когнитивные функции. У макак обработка избыточной информации более распространена в этой области, в то время как у людей она является областью, где преобладает синергия.

Префронтальная кора также претерпела значительное расширение в ходе эволюции. Когда мы изучили данные из мозга шимпанзе, мы обнаружили, что чем больше область человеческого мозга увеличилась в процессе эволюции в размерах по сравнению с аналогом у шимпанзе, тем больше эта область полагалась на синергию.

Мы также изучили результаты генетического анализа человеческих доноров. Это показало, что области мозга, связанные с обработкой синергетической информации, с большей вероятностью экспрессируют гены, которые являются уникально человеческими и связаны с развитием и функционированием мозга, например, интеллектом.

Это привело нас к выводу, что дополнительные ткани человеческого мозга, приобретенные в результате эволюции, могут быть в первую очередь предназначены для синергии. В свою очередь, заманчиво предположить, что преимущества большей синергии могут отчасти объяснять дополнительные когнитивные способности нашего вида. Синергия может добавить важный фрагмент в головоломку эволюции человеческого мозга, который ранее отсутствовал.

В конечном итоге, наша работа показывает, как человеческий мозг ориентируется в компромиссе между надежностью и интеграцией информации - нам нужно и то, и другое. Важно отметить, что разработанная нами схема обещает дать новые критические знания по широкому кругу вопросов нейронауки, начиная от вопросов общего познания и заканчивая расстройствами.