Добро пожаловать в мозг

Ютала набрал лишний вес, когда покинул родной остров Китава, изменив свой традиционный рацион и образ жизни. Точно так же располнели и американцы после того, как их стиль жизни претерпел изменения. Наша привычная пищевая среда сегодня очень напоминает меню из экспериментов Склафани и Равуссина. Чтобы понять, почему мы переедаем, находясь в подобной среде, и почему объедаемся, не имея на то сознательного намерения, мы должны изучить орган, который контролирует наше поведение, в том числе пищевое, – головной мозг.

2
Проблема выбора

Стен Гриллнер, исследователь из Каролинского института в Стокгольме, в помещении под своей лабораторией завел аквариум с целой стаей нетривиальных обитателей. Это были длинные, похожие на полуметровых червей создания с жадными круглыми ртами-присосками, внутри которых видны острые как бритва зубы – миноги. Они являются нашими очень далекими родственниками (рис. 6). Миноги и родственные им миксины считаются самыми примитивными представителями ныне живущих позвоночных, животных, которые в ходе эволюции развили у себя позвоночный столб, спинной и головной мозг.^[16] Предки миног отделились от нашего общего предка примерно 560 миллионов лет назад. Это произошло до эволюции млекопитающих, динозавров, рептилий, амфибий и рыб. И задолго то того момента, когда наши предки впервые ступили плавником на твердую почву.

Рис. 6. Речная минога, Lampetrafluviatilis, и ее мозг.

Миноги являются нашими самыми дальними родственниками. Если сравнить мозг миноги и млекопитающих, то можно обнаружить общие для всех позвоночных животных принципы строения и элементы – ключевые нервные соединения, которые также лежат в основе человеческого мозга. Исследования Гриллнера доказывают, что внутри крошечного, размером с горошину, мозга примитивных животных находится зачаток человеческого аналитического аппарата.^[17]

Если мы хотим постичь собственное пищевое поведение, то нам придется изучить функции мозга, которые участвуют в процессе принятия решений. И лучше всего начать с мозга миноги.

Проблема выбора: как осуществляется принятие решений в сложных условиях

Представьте себе двух роботов, которые стоят на сборочном автомобильном конвейере. Как только мимо робота 1 проезжает дверь, он окрашивает ее в зеленый цвет. За этой дверью следует другая, а робот 1 все продолжает делать одну и ту же работу. Он может выполнять только одно-единственное действие. Робот 1 не потребляет большого количества энергии, потому что выполняет одну задачу, обладает всего одной функцией и ему не нужно принимать решений. Теперь представьте робота 2, который может выполнять два действия: может окрашивать дверь в зеленый цвет или в красный. У робота 2 есть только одна форсунка для краски, и он не может пользоваться двумя цветами одновременно. Поэтому он должен решать, какой краской воспользоваться. Но как робот 2 принимает решение? Эта фундаментальная задача называется проблемой выбора. Она возникает всякий раз, когда несколько опций (зеленая и красная краска) претендуют на один и тот же общий ресурс, иначе говоря, средство выражения (одна форсунка). Чтобы разрешить проблему выбора, роботу 2 нужен селектор – некая функция, которая помогает определить, какой цвет краски выбрать для конкретной двери.

Наши самые древние предки были скорее похожи на робота 1 – простые существа, которым не нужно было решать, что делать. Но так продолжалось недолго. Как только они развили у себя способность выполнять более чем одну функцию, сохранив тот же набор ресурсов и средств выражения, им пришлось начать принимать решения. Те особи, которые принимали наилучшие решения, могли передать свои гены следующим поколениям.^[18] Например, миноги могут исполнять несколько разных действий: закрепляться на камне, преследовать добычу, скрываться от хищников, спариваться, давать потомство и плавать в различных направлениях. Многие из этих действий являются взаимоисключающими, потому что для их осуществления требуются одни и те же мышцы. Поэтому минога подобно роботу 2 сталкивается с проблемой выбора и, чтобы ее решить, ей нужен сортирующий аппарат, или селектор.

Согласно мнению специалистов в области вычислительной неврологии и развития искусственного интеллекта эффективный селектор, находящийся в компьютере или в головном мозге, должен обладать определенным набором ключевых параметров.

1. Селектор должен выбирать только одну опцию. При наличии несовместимых опций, таких как «скрыться от преследователя» и «спариваться» селектор должен выбрать одну функцию и позволить соответствующим ресурсам (органам) выполнить заданную программу.

2. Селектор должен выбирать ту опцию, которая подходит для текущей ситуации наилучшим образом. Например, если минога видит опасного хищника, она должна скрыться от него.^[19] Минога, которая попытается начать спаривание с опасным хищником, не сможет передать свои гены следующему поколению миног.

3. Селектор должен окончательно выбирать одну из опций. Если одна опция только немного лучше, чем другая, она все равно должна быть выбрана с полной определенностью.

Остальные несовместимые опции должны быть полностью исключены. Минога, которая одновременно пытается спариться и скрыться от преследователя, скорее всего, не оставит после себя многочисленного потомства.

В 1999 году исследователи из Шеффилдского университета опубликовали фундаментальную научную работу. На основе заключений специалистов и данных компьютерного моделирования ученые доказали, что функция осуществления выбора зависит от группы древних структур – базальных ганглиев, расположенных глубоко в человеческом мозге. Сегодня эту идею разделяют большинство неврологов. Чтобы разобраться в работе человеческого селектора, начнем с его упрощенной версии и рассмотрим селектор миноги.

Как миноги решают проблему выбора

Как минога решает, что ей делать? В глубине базальных ганглиев находится стриатум (полосатое тело) – структура, которая отвечает за прием входящих сигналов из других частей мозга.^[20] Стриатум получает «заявки» от других участков мозга, каждая из которых представляет собой запрос на определенное действие. Так, например, один участок мозга миноги нашептывает стриатуму: «Спариваться», а другой кричит: «Скрываться от хищника!» и тому подобное. Было бы очень нехорошо, если бы все это происходило одновременно, потому что минога не в состоянии выполнять несколько функций сразу. Чтобы воспрепятствовать одновременной активации всех функций, сигналы от разных участков мозга контролируются мощными ингибиторными связями в базальных ганглиях.^[21] Это означает, что базальные ганглии по умолчанию держат все поведенческие функции в отключенном состоянии. Только когда выбор осуществляется в пользу определенной «заявки», базальные ганглии снимают свой строгий ингибиторный контроль и позволяют действию осуществиться (рис. 7), т. е. работают как вышибалы, которые решают, какие функции получат доступ к мышечному аппарату, а какие будут отброшены.

Таким образом себя проявляет первый ключевой параметр селектора: он должен выбрать одну опцию и дать ей доступ к мышечному аппарату.

Большинство заявок на действие поступает из определенного участка мозга миноги, который носит название паллиум, или мантия мозга, и отвечает за планирование. Каждый маленький участок паллиума руководит конкретным вариантом поведения: преследование добычи, прикрепление к камню или бегство от хищника.

Рис. 7. Типовая модель работы базальных ганглиев при осуществлении выбора. (Тенденции развития неврологии. МакХафии и соавт. 28 (2005). – 401).

Участки паллиума выполняют две основные функции. Первая заключается в получении разрешения от базальных ганглиев и исполнении того варианта поведения, на котором специализируется конкретный участок. Например, участок «преследовать добычу» активирует информационный канал, который приводит в действие мускулатуру в таком порядке, какой необходим животному для поимки добычи.

Вторая функция паллиума позволяет собирать необходимую информацию об окружающей обстановке и внутреннем состоянии миноги. На основе полученных данных участок паллиума определяет интенсивность сигнала, который он собирается направить в стриатум^[22] (см. рис. 7). Например, если рядом с миногой возникнет хищник, то участок «скрыться от хищника» направит настойчивый запрос в стриатум, в то время как область «вывести потомство» будет посылать слабый сигнал. Если минога голодна и видит добычу, то сигнал «преследовать добычу» будет ярче, чем сигнал «закрепиться на камне».

Каждый маленький участок паллиума стремится реализовать то поведение, за которое он отвечает, и они как бы соревнуются между собой за первенство, так как одновременное выполнение действий не представляется возможным. Интенсивность запроса, исходящего от паллиума, говорит о релевантности какого-то одного типа поведения на текущий момент времени. И в этой ситуации задача стриатума проста: удовлетворить самый настойчивый запрос. Таким образом реализовывается второй ключевой параметр селектора – выбор той опции поведения, которая подходит для текущей ситуации наилучшим образом.

В то же мгновение, когда стриатум отвечает на самый интенсивный сигнал, он отвергает остальные конкурирующие запросы. Таким образом, как только запрос «скрыться от хищника» получает одобрение, другие варианты поведения, например «закрепиться на камне» или «преследовать добычу», немедленно отвергаются. В этом заключается третий ключевой параметр селектора – окончательно принять решение в пользу одной опции, отвергнув все остальные.

Каждый участок паллиума связан с определенной частью стриатума. Паллиум посылает сигнал в стриатум, и затем сигнал из стриатума (через другие части базальных ганглиев) возвращается назад в тот же участок паллиума.