Новорожденный подражает улыбающейся матери. Посетители кинотеатра подскакивают в кресле от опасных пируэтов главного героя. На лекции студент заражается от соседа зевотой. Все это – результат работы необычной группы нервных клеток, называемых зеркальными нейронами. Некоторые ученые считают, что именно в них кроется ключ к возникновению языка, а возможно – и сознания.
В середине XX века канадский нейрохирург Уилдер Пенфилд (Wilder Penfield) разработал метод лечения эпилепсии, получивший название Монреальской процедуры. Пенфилд находил точное расположение очага болезни, стимулируя мозг пациента тонким электродом. Все время хирургической процедуры пациенты со срезанной черепной коробкой находились в сознании и описывали врачу свои ощущения. Обнаружив очаг эпилепсии, Пенфилд физически уничтожал больные нервные клетки.
Процедура Пенфилда помогла многим больным избавиться от тяжелейших припадков. Но для науки важность Монреальской процедуры заключалась в другом. Параллельно с поисками очагов эпилепсии Пенфилд реализовал давнюю мечту физиологов: внимательно изучая реакцию пациентов на стимуляцию разных зон коры, он расчертил кору больших полушарий человеческого мозга на функциональные участки.
Классическая физиология считала кору четко поделенной на зоны, секторы, поля и отделы. Но главное деление – святая святых нейронауки времен Павлова – это деление коры на сенсорную, то есть воспринимающую часть, и моторную, то есть отдающую приказы мышцам и другим органам тела. И сенсорная, и моторная кора, в свою очередь, дробились на участки, каждый из которых соответствовал определенному участку тела: лицу, языку, большому пальцу.
Пенфилд своими экспериментами подтвердил и укрепил эти представления: чувствительные участки мозга располагаются отдельно от двигательных. В течение нескольких лет в университетах по всему миру увлеченные последователи канадского хирурга, не избалованные мечтающими обнажить свои извилины пациентами, набросились на обезьян – прежде всего на макак-резус.
Физиологи принялись дробить кору на все более и более специализированные участки. В сенсорных отделах электродами записывали реакцию на внешние стимулы: прикосновение, звук, свет. В моторные отделы, наоборот, посылали микроразряды тока и наблюдали за тем, какие у макаки дергаются мышцы.
Эта в целом успешная электрофизиологическая колонизация обезьяньей (и человеческой) коры не обошлась без отдельных территориальных споров. Одним из таких конфликтов был вопрос о нижней части мозгового поля номер 6.
Как перевернуть науку одной извилиной
Номер 6 взят из классификации Бродманна, еще одного мозгового «землемера», который в 1909 году расчертил кору по внешнему виду нервных клеток. Шестое поле обезьяньего мозга – небольшой участок на одной из извилин – вводило физиологов в затруднение. Располагалось оно в моторной коре. Но расчертить его на подконтрольные органы почему-то было сложно: обезьяна реагировала на стимуляцию не однозначно, как при проверке коленного рефлекса, а непредсказуемо или вообще никак. Некоторые более мечтательные ученые стали обсуждать идею некоего объединяющего центра, участка, компилирующего движения в целостные поведенческие акты. Большинству же физиологов отклонения от простой и понятной карты мозга казались излишними. Нижнее поле 6 они считали просто придатком соседнего поля 4, помогающим ему контролировать мышцы.
В 1988 году группа ученых из Университета Пармы в Италии под руководством Джакомо Риззолатти (Giacomo Rizzolatti) решила прояснить ситуацию. Они совместили традиционно «моторный» подход с «сенсорным». Ученые ввели макакам в нижнее поле 6 электроды, которыми нейроны можно было и стимулировать, и «прослушивать».
«Моторный» подход – ударить током и посмотреть на реакцию – быстро дал интересные результаты. Выяснилось, что электростимуляция движения все-таки вызывала, но не везде. Там, где вызывала, происходило это очень странно: например, одновременно с рукой дергались губы. Группа Риззолатти проверила, не слишком ли толсты электроды, но все было в порядке: стимуляция отдельных нейронов или групп нейронов действительно приводила к активации сразу нескольких движений одновременно.
«Сенсорный» подход – измерение активности нейрона в разных ситуациях – оказался еще интереснее. Те же самые нейроны, которые вызывали движения, активировались, когда движения вроде бы не было. Например, если двигается левая рука, «праворукой» моторной активности быть не должно. Но клетки в нижней зоне 6 у макак обычно реагировали одинаково с обеих сторон. Включались эти по всем признакам моторные клетки в самых что ни на есть «сенсорных» ситуациях: при прикосновениях к лицу, например. Или даже от взгляда!
Настоящие моторные нейроны, исходя из догм физиологии, четко знают свое место и из всех шести чувств работают только с шестым – мышечным. Внезапно выяснилось, что целый участок моторной коры не только не может определиться с тем, какими он управляет мышцами, но и активируется чуть ли не любым воздействием снаружи. Но главное открытие было еще впереди.
Абстрактные нейроны
Риззолатти заинтересовался этими необычными клетками со свойствами моторных и сенсорных отделов мозга. Он решил, что их роль должна быть связана с объединением поведенческих программ: компиляцией движений и информации об окружающем мире в единый осмысленный акт. В поисках возможных источников информации, влияющих на эти клетки, ученые сделали неожиданное наблюдение: некоторые из нейронов активировались, когда действие совершала не только сама макака, но и исследователь. Например, одни и те же клетки включались, когда макака хватала протянутую палку и когда она смотрела на ученых, делающих то же самое движение.
Как вообще такое возможно? Реакция клетки не зависела от того, где исследователь стоял, как он выглядел, что именно он хватал. Нейрон активировался в ответ на смысл хватания. Образ руки, смыкающейся на предмете. То есть выходило, что моторная кора – традиционно довольно «глупый» участок мозга – должна уметь анализировать фактически абстрактные понятия. Даже если она делала это не сама, а получая сигналы откуда-нибудь из высших отделов коры, оставался вопрос: зачем вообще в моторной коре абстрактные материи?
Первый журнал, в который Риззолатти представил результаты своей работы, отклонил статью «ввиду отсутствия широкого интереса». Но следующий, менее известный журнал, статью принял, совершив, наверное, лучшее PR-решение за все время своего существования.
Статья вызвала бурю интереса. Необычные нейроны, «отражающие» поведение другой особи, были окрещены «зеркальными» и мгновенно стали одной из самых популярных тем в науках о мозге. Чем они так понравились биологам?
Зеркальные нейроны, утверждали вдохновленные работами Риззолатти когнитивные психологи, реагируют на абстрактную идею (идею хватания). Не на этом ли основана наша способность понимать друг друга? Если вдуматься, то сам факт того, что животные могут понять и даже отчасти пережить то, что происходит с другим животным, не имея при этом с ним физического контакта, – это удивительное свойство нервной системы. Зеркальные нейроны – первый известный механизм, который может лежать в основе способности понимать кого-либо в принципе.
Зачем мозгу зеркало
Зеркальные нейроны, предположил Риззолатти, представляют собой способ «симулировать движение»: отрепетировать его с выключенными руками. Мозг сам по себе не знает, для чего нужно действие – виртуальная имитация позволяет испробовать его на себе и понять, что произойдет.
Действительно, данные указывают на то, что активация зеркальных нейронов в отсутствие движения помогает макакам понять цель того или иного действия. В эксперименте, когда исследователь хватает палку перед глазами макаки, две трети ее зеркальных нейронов вообще не зависят от того, как палку ухватывать (пальцами или целой кистью), зато все клетки «молчат», если хватательное движение делать без палки. То есть кодируется конечный результат действия: палка в руке. Даже видеть действие необязательно: например, если шумно колоть орехи, то у макаки от громкого звука активируются те же клетки, как если бы она делала это сама.
«Кодирование целей» может постоянно обновляться. Например, нейрон активируется в ответ на хватание еды – самой макакой или кем-то другим. Если хватать еду щипцами, то активироваться нейрон не будет: щипцы – не рука. Но если научить макаку щипцами пользоваться, то разница между рукой и щипцами для нее пропадет, и зеркальный нейрон активируется в обеих ситуациях.
По другим данным, зеркальные нейроны помогают обезьянам понимать не только цель действия, но и его причину. Например, макака запоминает, что при демонстрации мяча исследователь убирает его в сторону, а при демонстрации яблока отправляет его в рот. Зеркальные нейроны при наблюдении за ученым активируются почти мгновенно – задолго до того, как цель в каждом конкретном случае станет понятна. Но в зависимости от съедобности предмета у макаки активируются разные группы клеток. То есть зеркальные нейроны могут реагировать не только на цель, но и на причину.
Наконец, в 2009 году все те же ученые из Пармы в сотрудничестве с немецкими специалистами под руководством Антонино Касиле (Antonino Casile) показали, что помимо целей и причин действий окружающих, активация зеркальных нейронов может содержать информацию о значимости этих действий. Разные зеркальные нейроны активировались у макак в зависимости от расстояния до объекта. Часть из них работала только при хватании еды прямо перед глазами у макаки. Другая часть – при том же действии вдалеке. Некоторые нейроны зависели от абсолютных расстояний, а некоторые – от субъективных: «дальнобойность» менялась в зависимости от интереса. «Отражать» надо только наиболее значимые действия: те, которые рядом, либо те, которые интересны.
Дообезьянничались до человека
Самое очевидное применение зеркальных нейронов – имитация. Имитировать действие «схватить палку» проще, чем действие «согнуть руку в локте, раскрыть ладонь, поместить ее вокруг палки, сомкнуть ладонь». Человеку, например, сложнее повторить действие, не имеющее четко определенной цели (движения указательного пальца по указанной траектории), чем направленное действие (движение пальца в сторону точки на столе). Зеркальные нейроны группируют мышечные движения не по задействованной мышце, а по цели, причине и значимости. Тем самым они помогают повторить действия других, не зацикливаясь на угле наклона тела или силе натяжения мышц. Таким образом, зеркальные нейроны, если верить их многочисленным исследователям, могут быть основой имитационного обучения: от подражания младенцев движениям губ матери до обучения языку и грамматике.
С этим связано другое, гораздо более спорное, но одновременно и интригующее применение зеркальных нейронов, предлагаемое некоторыми исследователями. Зеркальные нейроны, утверждают они, определили у наших предков само появление языка.
Аргументы двояки. С одной стороны, идея логического, семантического анализа реальности отдельными группами клеток – например, того факта, что палец двигается не просто так, а в сторону точки – намекает на биологическую основу грамматики в лице зеркальных нейронов. Но есть и еще один внушительный аргумент. Область коры, в которой у человека найдены зеркальные нейроны, пролегает ровно через зону Брока: центр речи.
Зона Брока отвечает не просто за произнесение слов, а за абстрактные связи между ними – то есть именно за семантику. Активируется она одинаково у обычных людей в ходе разговора, при произнесении слов про себя, а также у глухих при использовании языка жестов. Такой язык отличается от обычного по форме, но не по внутренней структуре – обозначению взаимосвязей между объектами. Как и все человеческие языки, он следует законам «универсальной грамматики», предложенным Ноамом Хомским.
Совсем по-другому обстоит дело, когда человек обучается «неестественному» языку. Такой язык не соответствует универсальной грамматике. Он состоит из настоящих слов, но связи между ними придуманы в противоречие всем человеческим языкам: например, отрицание может обозначаться порядковым номером слова в предложении. Человека можно обучить такому языку, но зона Брока в него вовлечена не будет. Получается, человеческий язык – это столь же биологическое явление, сколь и культурное. Из всех нейронов мозга, о работе которых нам что-то известно, зеркальные нейроны лучше всего подходят на роль «нейронов языка».
Как появилась речь и какую роль это сыграло в эволюции человека? Насколько сознание определило возникновение языка, а насколько язык – или хотя бы набор врожденных семантических правил – определил возникновение сознания? Специалисты по зеркальным нейронам утверждают, что первым этапом формирования любой коммуникации должна быть способность передавать смысл. Поскольку зеркальные нейроны – на сегодняшний день единственные найденные «радары смысла», им приписывают центральную роль в эволюции человеческого языка, а возможно, и сознания.
