Почему мы до сих пор не понимаем сознания: новое исследование

Загадка сознания – то самое субъективное «я», ощущающее боль, видящее цвета радуги или просто осознающее себя – веками ставит в тупик философов и ученых. Как нематериальный опыт возникает из вполне материальных процессов в мозге? В поисках ответа родилось множество теорий, предлагающих порой совершенно разные объяснения.

Каждая из них опирается на свои эмпирические данные, но прямого, беспристрастного сравнения до недавнего времени не проводилось. Более того, часто поддержка той или иной теории зависит от выбранной методологии, что намекает на предвзятость исследователей.

Чтобы сдвинуть дело с мертвой точки, было организовано уникальное научное исследование, построенное на принципе «состязательного сотрудничества». Этот подход свел вместе сторонников двух влиятельных теорий сознания – теории интегрированной информации (IIT) и теории глобального нейронного рабочего пространства (GNWT) – а также группу нейтральных экспертов.

Идея проста: заставить конкурирующие стороны договориться об условиях эксперимента, который мог бы подтвердить или опровергнуть их предсказания, и тем самым ускорить научный прогресс.

Содержание

Два лагеря, два взгляда на мозг

IIT и GNWT предлагают принципиально разные механизмы возникновения сознания:

Теория интегрированной информации (IIT) видит сознание как фундаментальное свойство системы, способной влиять на саму себя. Степень сознательности, по IIT, определяется количеством «интегрированной информации» (фи, φ), которую может обработать нейронная сеть. Сторонники этой теории полагают, что «эпицентр» сознания, так называемая «горячая зона», находится преимущественно в задних отделах коры головного мозга (височно-теменно-затылочная область).
Теория глобального нейронного рабочего пространства (GNWT), напротив, утверждает, что сознание возникает, когда информация становится доступной всему мозгу через широкое распространение и усиление («возгорание») в сетях, связывающих высшие сенсорные области, теменную кору и, что особенно важно, префронтальную кору (ПФК).

Хотя обе теории имеют сложную математическую основу, их предсказания о «местоположении» сознания – задние отделы для IIT против префронтальной коры для GNWT – можно проверить экспериментально. Именно на этих расхождениях и сосредоточились ученые.

Исследователи сформулировали три ключевых предсказания, по которым теории давали разные ответы:

Где «хранится» содержание сознания? IIT утверждала, что информацию о том, что мы видим (например, лицо или букву), лучше всего «считывать» из задних отделов мозга. GNWT настаивала на необходимой роли ПФК.
Как сознание поддерживается во времени? IIT предсказывала постоянную активность в задней «горячей зоне» на протяжении всего времени, пока мы что-то осознаем. GNWT, с другой стороны, говорила о кратковременных «вспышках» активности в ПФК в моменты появления и исчезновения стимула, а между ними – информация должна храниться в «тихом» режиме.
Как связаны области мозга? IIT ожидала увидеть устойчивую связь между близкорасположенными областями в задней части коры. GNWT предсказывала кратковременные «дальние» связи между высокоуровневыми областями и ПФК.

Эксперимент века: три метода, сотни участников

Для проверки этих гипотез был проведен масштабный эксперимент с участием 256 человек. Им показывали различные зрительные стимулы (лица, объекты, буквы) разной длительности. Активность мозга регистрировали сразу тремя методами: функциональной магнитно-резонансной томографией (фМРТ), магнитоэнцефалографией (МЭГ) и интракраниальной электроэнцефалографией (иЭЭГ – прямое измерение активности с электродов, имплантированных в мозг пациентам по медицинским показаниям). Такое сочетание методов с разным пространственным и временным разрешением, а также большая выборка, должны были обеспечить максимальную надежность результатов.

Важно уточнить, что среди стимулов были как те, на которые участники должны были реагировать (задачно-релевантные), так и те, на которые не нужно было обращать внимания (задачно-иррелевантные). Это позволило отделить активность, связанную непосредственно с сознательным восприятием, от активности, связанной с выполнением задачи или отчетом о ней.

Анализ огромного массива данных принес результаты, которые, по мнению нейтральных экспертов, поставили под сомнения ключевые положения обеих теорий.

Начнем с содержания сознания. Информацию о категории стимула (лицо это или объект) удалось успешно «прочитать» как из задних отделов, так и из ПФК. Это частично подтвердило GNWT, но ослабило позиции IIT, ожидавшей доминирования задних зон. Однако информацию об ориентации стимула (например, повернуто ли лицо влево или вправо), которая всегда была не важна для задачи, уверенно находили только в задних отделах коры.

В ПФК ее почти не было. Это уже сильный аргумент в пользу IIT и проблема для GNWT, которая отводит ПФК ключевую роль в представлении всего сознательного опыта. Интересно, что добавление данных из ПФК к данным из задних отделов не улучшало распознавание содержания, а иногда даже ухудшало. Это скорее согласуется с GNWT (ПФК распространяет, но не добавляет новую информацию), но создает трудности для IIT.

Далее было исследовано поддержание сознания во времени. Активность, отражающая длительность стимула, действительно была обнаружена в задних отделах коры, что вроде бы подтверждает IIT. Однако такая активность была довольно редкой и не обеспечивала устойчивого представления информации об ориентации стимула, хотя эту информацию мозг явно обрабатывал. Это стало вызовом для IIT.

Для GNWT самым сильным ударом стало отсутствие ожидаемых «вспышек» активности (возгорания) в ПФК ни при появлении, ни, что особенно важно, при исчезновении стимула. Ведь когда стимул исчезает, сознательный опыт явно меняется, и это должно было как-то отразиться в «глобальном рабочем пространстве». Этот аспект сознания GNWT объяснить не смогла.

Ну, и наконец, как же связаны между собой области мозга? Первоначально запланированный анализ синхронизации активности не подтвердил предсказания ни одной из теорий. Более глубокий исследовательский анализ показал некоторые связи, согласующиеся с GNWT (с участием ПФК), но связи в задних отделах, предсказанные IIT, не были устойчивыми. Результаты по фМРТ были смешанными, частично поддерживая обе теории, но без явного преимущества какой-либо одной.

Мы все еще нащупываем путь

Итак, исследование, задуманное для разрешения спора между двумя ведущими теориями, выявило существенные пробелы во всех теориях.

Для IIT главным вызовом стало отсутствие предсказанной устойчивой синхронизации в задних отделах коры и неспособность объяснить, как мозг постоянно удерживает детальную информацию (например, об ориентации), если соответствующая активность там не является устойчивой.
Для GNWT наиболее серьезной проблемой оказалось отсутствие «возгорания» в ПФК при смене сознательного опыта (исчезновении стимула) и тот факт, что ПФК, по-видимому, не представляет всю полноту сознательного содержания (детали вроде ориентации или конкретной идентичности объекта в ней «не видны»). Это ставит под вопрос, действительно ли ПФК является «глобальной доской объявлений» для всего сознательного опыта, или ее роль скромнее.

Результаты важны не только для IIT и GNWT, но и для других теорий сознания, разделяющих некоторые их положения. Неподтвержденные предсказания бьют и по этим моделям.

Несмотря на масштабность, у исследования были свои ограничения: невозможность полностью исключить влияние задачи, ограниченный охват всего спектра сознательных переживаний и отсутствие данных об активности отдельных нейронов.

Но значение работы выходит за рамки простой проверки двух гипотез. Она поднимает более широкие вопросы о том, как мы вообще тестируем и развиваем теории сознания. Как взвешивать разные типы доказательств, полученные разными методами? Нужна более строгая система оценки.

В конечном счете, это исследование не вынесло окончательного вердикта. Оно скорее предлагает научному сообществу заново оценить имеющиеся данные, учитывая сильные и слабые стороны каждой теории. Научный прогресс редко бывает простым и линейным.

Это масштабное «состязательное сотрудничество» ясно продемонстрировало: несмотря на все достижения нейронауки, наше понимание того, как мозг порождает сознание, все еще очень фрагментарно. Выявленные расхождения между теорией и практикой – это не провал, а мощный стимул для дальнейших исследований, разработки более точных гипотез и, возможно, пересмотра самих основ существующих теорий. Проверка теорий сознания показала, что мы еще многого не понимаем, но она же и указала путь к более строгому и прозрачному изучению этой величайшей загадки природы.

Исследование опубликовано в Nature.

Мы на Дзен