Классическая теория нейрофизиологии утверждает, что память реализуется в мозге человека или другого животного с помощью формирования так называемых синаптических связей. Другими словами, когда мы что-то запоминаем, группы нервных клеток в нашем мозге, нейронов, "привыкают" возбуждаться совместно, а процесс мышления основан на работе электрической сети, состоящей из сложно взаимодействующих между собой нейронов. Но так ли это на самом деле?

У этой теории много критиков, в первую очередь среди тех, кто изучает сами когнитивные функции, а не их биологическую основу: лингвистов, психологов, бихевиористов и других исследователей, работающих в мультидисциплинарной области когнитивных наук. Один из самых непримиримых из них – профессор психологии Ратгерского университета из Нью-Джерси, авторитетный специалист в области поведенческой биологии Чарльз Рэнди Гэллистел. Больше десяти лет назад Гэллистел предложил теорию, согласно которой и память, и процесс мышления реализованы в мозге не с помощью синаптических связей в нейронной сети, а внутри отдельных нервных клеток. Хороший пример того, что внутриклеточные структуры могут выступать в роли крохотных компьютеров, хорошо известен – это молекула ДНК.

Если теория Гэллистела подтвердится, это станет глобальным переворотом в наших представлениях об устройстве мозга и сознания. К публикации готовится его статья, в которой он приводит новые косвенные аргументы в пользу своей гипотезы.

В интервью Радио Свобода Чарльз Гэллистел рассказал о том, где найти в мозге язык программирования, на котором основано наше сознание, в чем мы должны винить философов и Ивана Павлова и сколько миллионов гигабайт информации человек может хранить в памяти:

– Вы – профессор психологии, занимаетесь когнитивными исследованиями. Как вышло, что вы задумались о физиологической реализации памяти и мышления, о том, каким образом это биологически устроено в мозге?

– Есть теория о языке мышления, которую выдвинул известный философ Джерри Фодор еще в 70-е годы прошлого года. Она быстро приобрела популярность среди тех, кто работает в области когнитивных наук, хотя ее никак нельзя назвать общепризнанной. Идея вот в чем: у нас, как и у других животных, есть символическое представление мира, которое предвосхищает язык. Другими словами, мысль формируется прежде, чем она получает языковое выражение. Это хорошо понятно человеку, который владеет несколькими языками: вы услышали фразу на каком-то языке, прекрасно ее поняли, но вам требуется некоторое время, чтобы выразить ее на другом языке. То есть у вас уже есть мысль, но ее отделяет от языкового выражения некий мыслительный этап. Так вот, теория Фодора утверждает, что эта базовая мысль тоже сформулирована на некотором внутреннем языке, который остается невидимым, который не имеет отношения к тем языкам, на которых мы разговариваем, но тем не менее как-то существует в нашем сознании. Это символическое представление мира, которое очень похоже на язык программирования: в нем есть символы и есть операции с ними. Как и в языке программирования, в этом языке мышления есть семантика – система отсылок, которая связывает реальный мир с внутренними символами мышления, и есть синтаксис – набор правил и операций с этими символами. Профессиональная область, которой я посвятил больше всего времени: изучение сознания животных, того, как они воспринимают пространство и время. Мой опыт говорит, что идея о существовании универсального языка программирования, которым оперирует мозг животного, вполне естественна, она почти очевидна.

– Если теория о языке мышления верна, то наши стандартные представления о физиологическом устройстве памяти не работают?

– Если язык мышления существует, в мозге должно быть материальное выражение для его символов. В компьютере символы языка программирования реализуются последовательностями нулей и единиц. Но никакого эквивалента этому в нейробиологии мы не знаем. При этом, если смотреть на биологию шире, аналог все-таки есть: молекула ДНК содержит символическое представление структуры организма во всех подробностях. Гены – как раз подобные символы, в самом явном, безусловном смысле. При этом среди генов есть символы, которые выражают абстрактные элементы структуры животного, например, глаз – не конкретный биологический глаз со всеми особенностями, а глаз вообще, как орган с определенным функционалом. Свойства структуры организма в абстрактном виде, в виде символического кода представлены на молекулярном уровне внутри ядер клеток. Просто удивительно, что над этим хорошо известным биологическом фактом никогда всерьез не задумывались нейробиологи.

– У нейробиологов есть стандартная теория: память образуется за счет формирования синаптических связей между нейронами, мышление – работа электрической нейронной сети.

– Знаменитый британский нейрофизиолог Чарльз Шеррингтон в первой главе своей классической монографии "Интегративная деятельность нервной системы" писал: суть нервной системы заключается в том, что она проводит электрический ток. Книга вышла больше ста лет назад, но эта идея по-прежнему определяет всю нейробиологию: у вас есть сеть из нейронов, сигнал приходит с одного конца, проходит через синапсы и выходит с другого конца, вот в сущности и все. В такой схеме нет места для символической памяти. В ней сложно реализовать внутренние часы, которые, как мы прекрасно знаем, есть у всех живых организмов – и, кстати, то, что циркадные часы реализованы на молекулярном уровне, а не на уровне нейронной сети, хорошо известно. За целый век мы не особенно продвинулись в понимании о реализации памяти и мышления за пределы представлений Шеррингтона. Молекулярная биология начала развиваться только в 1950-е, а последнее авторское дополнение к книге Шеррингтона вышло в 1948-м. Шеррингтон прожил долгую жизнь и умер в 1952-м, всего за год до открытия Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком двойной спирали ДНК. С тех пор молекулярная биология совершила революцию в нашем представлении о клетках организма, стало понятно, что живая клетка – целая вселенная, намного более сложная, чем могли вообразить современники Шеррингтона. Мы узнали, что внутри клеток есть специальные молекулярные автоматы, которые способны на очень сложные действия, которые могут открыть молекулу ДНК, прочитать ее фрагмент, отредактировать, что-то удалить из нее, исправить ошибки. Другими словами, в клетках есть система, которая занимается такой же обработкой информации, как компьютер. И чем больше мы узнавали о молекулярном устройстве клетки, тем больше открывали в ней для этого инструментов. Но если вы откроете современные работы в области вычислительной нейробиологии, вы обнаружите, что об этих замечательных биологических способах программирования там практически ничего не говорится.

– Но ведь классическая теория о нейронных сетях, о памяти, как формировании устойчивых синаптических связей, тоже взялась не с потолка?

– Да, она появилась из философской концепции ассоцианизма, согласно которой мыслительные процессы организованы посредством связи одного состояния мышления с другим. Эта философская теория начала развиваться в 17-м веке, хотя ее корни можно проследить еще в сочинениях Аристотеля. Идеи ассоцианизма были явно сформулированы в работах Джона Локка, Дэвида Хьюма и других знаменитых британских эмпирицистов, а потом были восприняты нейробиологией и легли в ее основу.

– Как могла философская концепция стать основой физиологической теории?

– Во многом мы обязаны этим Ивану Павлову, на которого ассоцианизм повлиял очень сильно. Ставя свои знаменитые эксперименты, Павлов заранее знал, что хочет обнаружить, его задачей было подтвердить базовые положения ассоцианизма. Удивительно, но идея, что память определяется изменением проводимости синапсов, была предложена в конце 19-го века, когда о самом существовании синапсов еще продолжались жаркие споры. Но за синаптическую память была философия: в сущности, концепция ассоцианизма и классическое представление о памяти как о формировании синаптических связей – одна и та же теория, просто выраженная в различной терминологии.

– И она больше не работает?

– Это вопрос точки зрения. По-моему, она не просто не работает, из-за нее у нас были и есть огромные проблемы. Вот смотрите, стандартная теория восходит к исследованиям способностей животных к обучению, в частности, к опытам Павлова. Я сам работаю в этой области, это наука, в которой я понимаю лучше всего. И я вижу, что имеющаяся теория не способна полноценно объяснить результаты экспериментов, которые мы получаем. Для того чтобы объяснить поведенческие феномены, которые видны на опыте, нам нужна новая концепция физиологической реализации памяти.

– У вас есть теория о том, что память реализуется в мозге не через синаптические связи, а на молекулярном, внутриклеточном уровне. Правда ли, что у этой теории недавно, наконец, появились косвенные подтверждения?

– Да, исследователи из лаборатории Гермунда Хесслова в Швеции в прошлом году опубликовали совершенно невероятную работу. Павлов продемонстрировал, что животные не просто учатся реагировать на стимул, они выучивают временной интервал между предупреждением о событии и самим событием. Например, вы зажигаете лампочку, а ровно через секунду дуете собаке в глаза. Через некоторое время собака научится не просто прикрывать глаза, но делать это ровно через секунду после того, как загорится лампочка. Так вот, стандартная теория в принципе не может объяснить, как это происходит, просто потому, что совершенно непонятно, каким образом в нейронной сети можно сохранить этот строго определенный временной интервал. Этот пробел теории давно известен, я лезу с этим вопросом к коллегам по поведенческой биологии и нейробиологии уже четверть века, дошло до того, что, приметив меня на улице, они переходят на другую сторону. Потому что ответить им нечего – удовлетворительного ответа в рамках стандартной теории попросту нет. Но это новое шведское исследование явно показало, что память о задержке стимула хранится не в синаптических связях, а внутри особого типа нервных клеток, так называемых клеток Пуркинье. И это самый настоящий переворот! Этот результат говорит нам, что, занимаясь памятью, нам все же придется заглянуть внутрь клеток. А ведь там есть замечательные молекулярные структуры. Знаем ли мы, как сохранить информацию о временной задержке внутри молекулярной структуры? Конечно! Ведь молекулярная биология в сущности наука об обработке информации.

– Какие еще есть аргументы в пользу теории о том, что память хранится внутри нейронов?

– Вот еще один косвенный аргумент: если связанные с мышлением вычисления происходят внутри отдельной клетки, а не на уровне нейронной сети, на них требуется на девять порядков меньше энергии. Обычная теория основана на распространении по нейронам потенциала действия, а это очень энергозатратно. Обработка информации внутри клетки на молекулярном уровне, напротив, если судить по тому, как это устроено в ДНК, требует совсем мало энергии. Просто представьте: если бы мы смогли сократить потребление энергии ноутбуком, например, на те же 9 порядков, одной зарядки хватило бы на всю жизнь. Или давайте посмотрим на потенциальный объем памяти: в одних только некодирующих участках ДНК только одной клетки можно сохранить почти гигабайт информации. В мозге около 3 миллиардов нейронов, значит гипотетически, используя "лишние" участки молекул ДНК, можно записать три миллиарда гигабайт – это три эксабайта. Для сравнения: вся информация, которую хранит Facebook, занимает около 300 петабайт, это в десять раз меньше.

– Но вы ведь не утверждаете, что память хранится в нейронах именно в ДНК?

– Конечно нет, ДНК – это просто наглядный пример того, что внутриклеточные молекулярные структуры могут успешно обрабатывать информацию и хранить ее в гигантских объемах. Но в клетке могут быть и другие молекулы, которые могут выступить в роли прекрасного хранилища информации. Например, белки родопсина, которых миллионы в любой палочке сетчатки глаза, могут находиться в двух состояниях, а значит, содержать бит информации. Опять же, я не утверждаю, что память хранится в них, просто само их существование говорит о том, что какие-то другие аналогичные молекулы могут быть и в нейронах.

– Я видел статью Эрика Кендела и нескольких соавторов, опубликованную еще в 1996 году, в которой речь также идет о том, что долговременная память может сохраняться на молекулярном уровне. Это ведь тоже аргумент для вашей теории?

– Да, я читал эту статью. Вообще говоря, подобных работ выходило довольно много, причем некоторые были опубликованы совсем недавно. Знаете, как часто бывает в науке: идея витает в воздухе в несколько несформированном виде, а ее экспериментальное подтверждение скапливается по крупице. Если говорить конкретно о той работе Кендела, в том, что я предлагаю, есть важное дополнение: внутри нейронов не только хранится память, но и происходит часть обработки информации, то есть самого процесса мышления. Вместе с моим соавтором, специалистом в области программирования Адамом Кингом, мы несколько лет назад написали книгу "Память и вычислительный мозг", и там среди прочего обсуждали важный момент: постоянный обмен информацией между памятью и механизмом, который непосредственно выполняет вычисления, – существенный аспект работы любой компьютерной системы. Но передача информации требует больших энергетических и временных затрат. Если вы хотите минимально сократить затраты энергии и времени, имеет смысл разместить хранилище памяти и вычислительный механизм как можно ближе друг к другу. И если память животного находится внутри нервной клетки, было бы глупо, если бы вычисления производились где-то в другом месте.

– Но это опять теоретические рассуждения. А достаточно ли экспериментальных свидетельств, чтобы утверждать, что ваша альтернативная теория физиологической реализации памяти и мышления верна?

– Нет, пока что их совсем не так много, как хотелось бы. Тот же шведский эксперимент – действительно замечательный аргумент. Это прекрасная научная работа, к которой нет никаких вопросов по методологии, и она косвенно указывает, что я прав. Но самый главный для меня аргумент таков: та теория, которая у нас есть, – это катастрофа, это полный провал. И чем раньше люди это осознают, тем скорее они будут готовы двигаться дальше. Если людям не нравится моя идея, – а меня это не удивляет, – пожалуйста, предложите свою, но не кормите меня той чушью, которой мы кормили друг друга последние 50 лет. Многие из вопросов, которые мы не можем решить, были очевидны и 50 лет назад и даже сто. И никто не смог предложить решения – очевидно, в нашем понимании памяти и мышления есть какая-то фундаментальная проблема.

– Но все же вы рассчитываете, что для вашей теории может быть найдено убедительное доказательство?

– Да. Я бы сказал, что с точки зрения когнитивных наук, подтверждений существования языка мышления уже и так предостаточно, хотя в нее по-прежнему далеко не все верят. Но все же в конечном счете этот вопрос относится к нейрофизиологии, и доказательства нужно искать там. Если окажется, что я прав, молекулярные биологи, которые и так не сомневаются, что находятся на пути к завоеванию мира, окончательно приберут к рукам нейробиологию. И я сейчас вижу свою задачу как раз в том, чтобы привлечь к этой теме как можно больше молекулярных биологов. Я говорю им: "Эй, ребята, здесь голыми руками можно взять Нобелевскую премию!"

– Чтобы на проверку вашей гипотезы молекулярным биологам еще и дали денег, нужно кому-нибудь что-нибудь пообещать, например, что если новая теория верна, то через год можно будет построить искусственный интеллект. Вы что готовы пообещать?

– Знаете, люди, которые хотели понять строение атомного ядра больше ста лет назад, были уверены, что занимаются чистой наукой, у которой в принципе не может быть никаких приложений. Но кое-какие приложения, как вы знаете, в итоге нашлись. Так и здесь. Изменит ли новое понимание памяти и мышления нашу жизнь? Обязательно. Как именно? Не знаю.