Глава 12. Великие единые теории мозга.

Принцип свободной энергии, теория тысячи мозгов и интегральная теория информации

Один из самых сильных толчков в истории науки произошел в физике в середине девятнадцатого века. Джеймс Клерк Максвелл, шотландский математик, опубликовал свою работу из семи частей "Динамическая теория электромагнитного поля" в 1865 году. С помощью этого марафона проницательных аналогий и уравнений Максвелл продемонстрировал глубокую и важную взаимосвязь между двумя и без того важными формами физического взаимодействия: электричеством и магнетизмом. В частности, определив теорию электромагнитного поля, Максвелл создал математическую инфраструктуру, необходимую для того, чтобы рассматривать уравнения электричества и магнетизма как две стороны одной медали. В процессе работы он пришел к выводу, что третий важный объект - свет - является волной в этом электромагнитном поле.

Ученые, конечно, изучали электричество, магнетизм и свет на протяжении столетий до Максвелла. И они многое узнали о них, о том, как они взаимодействуют и как их можно использовать. Но объединение Максвелла дало нечто принципиально иное - совершенно новый способ интерпретации физического мира. Оно стало первой доминошкой в череде эпохальных открытий в основополагающей физике и проложило путь для многих современных технологий. Например, работа Эйнштейна была построена на теории электромагнитного поля, и он, как сообщается, приписывал свой успех тому, что стоял "на плечах Максвелла".

Однако теория Максвелла не только оказала непосредственное влияние на исследования, но и заронила в умы будущих физиков мысль о том, что между физическими силами могут существовать более глубокие связи. Раскрытие этих связей стало главной целью теоретической физики. В двадцатом веке начался явный поиск так называемых больших единых теорий (GUT). На первом месте в списке задач стоял поиск ГУТ, которая могла бы объединить электромагнетизм с двумя другими силами: слабой силой (которая управляет радиоактивным распадом) и сильной силой (которая удерживает атомные ядра вместе). Большой шаг в этом направлении был сделан в начале 1970-х годов с открытием того, что слабые силы и электромагнетизм становятся единым целым при очень высоких температурах. Но, несмотря на это, при объединении сильных и слабых сил остается еще одна большая сила - гравитация. Поэтому физики продолжают поиски полного ГУТ.

ГУТ учитывают эстетические предпочтения многих физиков: простота, элегантность, целостность. Они демонстрируют, как целое может стать больше, чем сумма его частей. До определения ГУТ ученые подобны слепцам, ощупывающим слона в старой притче. Каждый из них полагается на те крохи информации, которые он может ухватить из хобота, ноги или хвоста. Благодаря этому они придумывают отдельные и неполные истории о том, что делает каждый кусочек. Однако, увидев слона целиком, все части становятся на свои места, и каждая из них становится понятной в контексте других. Глубокая мудрость, полученная в результате нахождения GUT, не может быть приближена изучению частей по отдельности. Поэтому, как бы трудно их ни было найти, физическое сообщество считает поиск ГУТ достойным занятием. Как писал физик Димитри Нанопулос в 1979 году, вскоре после того, как он помог придумать эту фразу, "великие единые теории дают очень хорошее и правдоподобное объяснение целому ряду различных и на первый взгляд не связанных между собой явлений, и они определенно имеют достоинства и право на то, чтобы их воспринимали серьезно".

Но стоит ли воспринимать ГУТ мозга всерьез? Идея о том, что небольшое количество простых принципов или уравнений сможет объяснить все, что касается формы и функций мозга, привлекательна по тем же причинам, по которым ГУТ желанны в физике. Однако большинство ученых, изучающих мозг, сомневаются в возможности их существования. Как пишут психологи Майкл Андерсон и Тони Чемеро: "Есть все основания полагать, что не может существовать большой единой теории функционирования мозга, потому что есть все основания полагать, что такой сложный орган, как мозг, функционирует по разным принципам". GUT для мозга, каким бы замечательным он ни был, многие считают фантазией.

С другой стороны, многое из того, что было привнесено из физики в нейронауку, - модели, уравнения, образ мышления - помогло продвинуть эту область в том или ином направлении. ГУТ, являющиеся ядром современной физики, трудно игнорировать. Они могут быть манящими для тех, кто изучает мозг, даже если они кажутся маловероятными, а для некоторых ученых они просто слишком соблазнительны, чтобы их пропустить.

Поиск ГУТ в мозге - это работа с высоким риском и высокой наградой. Поэтому для его ведения, как правило, требуется крупная личность. У большинства кандидатов на ГУТ мозга есть своего рода фронтмен - ученый, обычно тот, кто первым разработал теорию, который выступает в качестве ее публичного лица. Чтобы добиться успеха ГУТ, также требуется преданность делу: сторонники теории будут работать над ее совершенствованием годами, даже десятилетиями. Они постоянно ищут новые способы применить свою теорию ко всем аспектам мозга, которые только могут найти. Пропаганда тоже важна: даже самая грандиозная ГУТ не сможет многого объяснить, если о ней никто не слышал. Поэтому было написано множество работ, статей и книг, чтобы донести информацию о GUT не только до научного сообщества, но и до всего мира. Однако энтузиастам GUT лучше иметь толстую кожу. Продвижение таких теорий может быть встречено с презрением со стороны массы ученых, выполняющих более надежную работу по изучению мозга по частям.

Социолог Мюррей С. Дэвис предложил свои размышления о теориях в статье 1971 года под названием "Это интересно!". В ней он сказал: "Долгое время считалось, что теоретик считается великим, потому что его теории верны, но это неверно. Теоретик считается великим не потому, что его теории истинны, а потому, что они интересны... На самом деле истинность теории имеет очень мало общего с ее влиянием, поскольку теория может оставаться интересной, даже если ее истинность оспаривается - даже опровергается! Великие единые теории мозга, какова бы ни была их истинность, несомненно, интересны.

* * *

В целом веселый и мягкий, британский нейробиолог Карл Фристон не совсем подходит на роль лидера амбициозного и противоречивого научного движения. Тем не менее у него есть преданные последователи. Ученые - от студентов до профессоров, в том числе и те, кто находится далеко за пределами традиционных границ нейронауки, - ритуально собираются по понедельникам, чтобы получить несколько минут его озарений. Они приходят за его уникальной мудростью в основном по одной теме. Это всеобъемлющая основа, на которой Фристон уже более 15 лет строит понимание мозга, поведения и других процессов: принцип свободной энергии.

Свободная энергия" - это математический термин, определяемый различиями между распределениями вероятностей. Однако его значение в системе Фристона можно сформулировать довольно просто: свободная энергия - это разница между предсказаниями мозга о мире и фактической информацией, которую он получает. Принцип свободной энергии гласит, что все, что делает мозг, можно понимать как попытку минимизировать свободную энергию - то есть сделать так, чтобы предсказания мозга как можно больше соответствовали реальности.

Вдохновленные таким способом понимания, многие исследователи занялись поиском того, где в мозге могут делаться предсказания и как они могут сверяться с реальностью. Небольшая отрасль исследований, построенная на идее "предиктивного кодирования", изучает, как это может происходить, в частности, в сенсорной обработке. В большинстве моделей предиктивного кодирования информация проходит через систему сенсорной обработки в обычном режиме. Например, слуховая информация поступает из ушей, сначала проходит через области ствола и среднего мозга, а затем последовательно проходит через несколько областей в коре головного мозга. Этот прямой путь широко признан решающим для превращения сенсорной информации в восприятие даже теми исследователями, которые не слишком доверяют теории предиктивного кодирования.

Уникальность предиктивного кодирования заключается в том, что оно утверждает об обратном пути - связях, идущих от более поздних областей к более ранним (например, от второй слуховой области в коре головного мозга обратно к первой). В целом ученые выдвинули множество гипотез о различных ролях этих проекций. Согласно гипотезе предиктивного кодирования, эти связи несут в себе предсказания. Например, когда вы слушаете любимую песню, ваша слуховая система может иметь очень точное представление о предстоящих нотах и тексте. В соответствии с моделью предиктивного кодирования эти предсказания отправляются назад и объединяются с поступающей вперед информацией о том, что на самом деле происходит в мире. Сравнивая эти два потока, мозг может вычислить ошибку между предсказанием и реальностью. Фактически, в большинстве моделей кодирования предсказаний особые нейроны "ошибки" наделены именно этой задачей. Таким образом, их активность указывает на то, насколько мозг ошибся: если они часто стреляют, значит, ошибка в предсказании была высокой, если молчат - низкой. Таким образом, активность этих нейронов является физическим воплощением свободной энергии. И, согласно принципу свободной энергии, мозг должен стремиться к тому, чтобы эти нейроны работали как можно меньше.