Ритмы и поля

Ганс Бергер, работавший в Германии в начале 1920-х годов, верил в телепатию, или экстрасенсорное восприятие, и был твердо намерен понять, как оно работает{170}.

Его вера укрепилась после одного случая в 1892 году, когда Бергер служил в армии. Ганса сбросила лошадь, он чудом не попал под колеса тяжелого артиллерийского орудия. Тем же вечером он получил телеграмму от отца: у сестры Бергера возникло сильное чувство, будто с ним случилось нечто ужасное. Бергер был убежден, что это происшествие доказывает существование телепатической связи, – ужас, обуявший его в момент, когда к нему приближалось орудие, каким-то образом передался сестре. Стремление раскрыть эту загадочную связь между разумом и материей переросло в настоящую исследовательскую страсть. Большую часть экспериментов он проделывал в одиночку, часто втайне; при этом Бергер занимал высокую должность в клинике Йенского университета и выполнял обычный круг обязанностей. Младший коллега Рафаэль Гинзберг, на котором Бергер проводил некоторые из своих экспериментов, описывал его потом как человека, одержимого рутиной: «Дни его были похожи друг на друга, как две капли воды. Год за годом он читал одни и те же лекции. Он был олицетворением постоянства»{171}. Впрочем, «постоянство» не совсем удачное слово; профессора, который каждому потоку читает одни и те же лекции, я бы назвал «циклическим».

Бергер пытался раскрыть связь мозга и разума, изучая энергетические потоки и превращения. Он пробовал то одно, то другое и в какой-то момент, вспомнив о работах английского физиолога Ричарда Катона, обнаружившего электрическую активность мозга, стал измерять ее с помощью гальванометра – иногда на открытом мозге пациентов, получивших черепно-мозговую травму, а иногда на поверхности головы. Со временем он начал замечать нечто поразительное. Это были постоянные волны электрической активности, которые генерировались мозгом, но регистрировались и на небольшом расстоянии от него. Среди них отчетливо выделялись два вида волн: медленные и глубокие появлялись, когда испытуемый закрывал глаза, когда же глаза были открыты, регистрировались волны быстрые и мелкие. Первые он назвал альфа-волнами, а вторые – бета-волнами. Бергер начал записывать электроэнцефалограммы. Не он первый до этого додумался – как часто случается, в истории отыскались практически забытые предшественники{172}. Но Бергер первым записал ЭЭГ человека и дал своему «зеркалу мозга» общепринятое теперь имя: электроэнцефалограмма, по-немецки Elektrenkephalogramm.

Реальностью, которая крылась за наблюдениями Бергера, или реальностью, как мы ее сегодня понимаем, была вовсе не телепатия, но нечто еще более странное. Загадки окружают ее даже сейчас. Основа происходящего такова.

Во второй главе мы рассматривали электрический заряд и его значение для живого организма. Ионы – это атомы или небольшие молекулы, обладающие положительным или отрицательным зарядом. Их движение туда и обратно через ионные каналы составляет часть непрерывного трафика сквозь клеточную мембрану – с помощью этого движения живые организмы укрощают заряд. Нервные клетки, открывая и закрывая ионные каналы, генерируют потенциал действия – внезапный спазм по типу цепной реакции. Импульс передается от одного нейрона другому (как правило) с помощью химических веществ, выброшенных в синаптическую щель, чтобы возбудить или затормозить потенциал действия в соседней клетке. Принято считать, что электрическая активность мозга представляет собой сумму всех этих связанных друг с другом событий.

Но электрический заряд выполняет и другие функции. Ионы проходят через мембрану нейронов медленными, иногда ритмичными потоками. Они накладываются на внезапные волны возбуждения – кратковременные изменения мембранного потенциала, или «спайки». Медленное движение ионов, в свою очередь, изменяет потенциал действия, потому что влияет на заряд клетки в каждый конкретный момент. Часть этих медленных ионных потоков возникает вследствие воздействия одного нейрона на другой, но другая часть – это «естественная», или генерируемая самой клеткой, фоновая активность, которая служит причиной «спайка» и в каком-то смысле напоминает «электрическое дыхание».

Предположим, мы взглянем на картину шире и попытаемся зарегистрировать эту активность с некоторого расстояния. Эффект большого числа электрических событий всегда ощущается и на некотором расстоянии от источника. Это следствие двойственности заряда как природной силы{173}.

У электрической активности есть локальный аспект – токи и химические реакции, которые мы исследовали до настоящего момента; однако это еще не все. Вторая ее сторона – поля, невидимо пронизывающие пространство. Поле – это особого рода распределенная в пространстве закономерность, которая оказывает влияние на объекты, в него попадающие. Кроме электрического поля существуют и другие. Вокруг любого электрического заряда, в том числе в мозге, возникают электрические поля, ослабевающие с расстоянием. Как я уже писал, нейроны мозга генерируют слабую, но постоянную электрическую активность. Предположим, мы можем прослушать всю эту активность в сумме, в целом – и слушаем ее по всей поверхности черепа. Можно было бы ожидать, что мы услышим нечто вроде беспорядочного потрескивания или жужжания. Но нет, вместо этого перед нами слаженный ритм, и не один, а несколько разных – именно их и обнаружил Ганс Бергер в поисках телепатии.

Чуть выше я написал, что клетки мозга словно электрически дышат. Теперь нам известно, что некоторые из них дышат в унисон – не все и не большинство, но их число достаточно, чтобы, слушая целое и отсекая посторонние шумы, можно было зафиксировать ритм. Ритмы головного мозга сложные: волны накладываются на волны, но их реальность не подлежит сомнению. Мы слышим их потому, что электрические события генерируют поле, а поле меняет паттерн движения ионов сквозь мембрану. (Я нахожу эту акустическую метафору – слышать – неотразимой, но ритмы мозга, как правило, отображаются визуально, на дисплее или на графике.) Паттерны ЭЭГ в основном возникают вследствие тех самых медленных изменений, а не потенциала действия, хотя они и влияют друг на друга{174}. Бергер описал два вида волн: альфа и бета. Позже были найдены и другие, в том числе более быстрые гамма-волны и ряд очень медленных, характерных для сна.

Эти ритмы кажутся чем-то вроде сигнала. Помимо и сверх сигналов, которыми обмениваются клетки, мозг как целое, очевидно, что-то транслирует. Но кому и зачем?

Первый вариант объяснения: все это ничего не значащий побочный продукт – забавный артефакт, мелодичное гудение машины. Когда-то нейробиологи так и думали. Но для возникновения ритма требуется множество условий, а кроме того, похожие ритмы наблюдаются у самых разных животных, в том числе у тех, которые очень далеки от нас. Мы не можем сделать ЭЭГ беспозвоночному, нацепив сетку с датчиками ему на голову, зато можем ввести электроды непосредственно в мозг и послушать активность соседних клеток – не миллионов, создающих ритмы ЭЭГ, но сотен или тысяч. (Это называется записью потенциала локального поля.) Подобные эксперименты проводились над плодовыми мушками, лангустами, осьминогами и многими другими животными – у всех были зафиксированы ритмы, часто очень похожие на человеческие{175}. Одни ритмы ассоциируются со сном, другие с вниманием и так далее. Ритмы мозга осьминогов особенно похожи на наши. Учитывая схожесть ритмов в таких разных мозгах, трудно поверить, что весь феномен целиком – ничего не значащая случайность.

Второй вариант объяснения: что-то из того, что мы наблюдаем, важно с биологической точки зрения, а что-то – нет. Синхронизированная активность клеток, тот факт, что они делают одно и то же «одновременно», – важен. Возникающее в результате электрическое поле, пронизывающее пространство, и волнообразные изменения в нем – просто побочный эффект активности клеток и никакой особой роли не играет.

Ход мысли, описанный выше, ставит под сомнение и это предположение тоже. Чтобы получить волны на ЭЭГ, требуется не только синхронизировать активность клеток во времени, но и особым образом выстроить эти клетки в пространстве. Если бы клетки, суммарная активность которых генерирует волны на ЭЭГ, были беспорядочно разбросаны и по-разному ориентированы, то мы не увидели бы волн, даже если бы клетки вели себя ритмично, поскольку они взаимно нивелировали бы свое влияние на поле.

Сказанное предполагает вероятность того, что поля и их закономерности существуют не просто так – они выполняют какую-то задачу. Однако интересующая нас пространственная организация нейронов могла появиться и по другим причинам, например естественным образом в процессе формирования мозга. Возможно, нейроны, построенные колоннами, лучше обрабатывают информацию. При таком раскладе мозг по-прежнему генерирует электрическое поле, но само это поле не выполняет никаких функций. Подобный ход рассуждений опять же подразумевает, что синхронизация клеток влияет на работу мозга, а общее электрическое поле – нет.

Идея, согласно которой синхронизация активности играет важную роль в работе мозга, обретает все большую популярность{176}. По всей видимости, мозг генерирует и каким-то образом использует ритмы активности, они присутствуют на многих уровнях и встроены один в другой. Ряд исследователей (в том числе Рудольфо Льинас и Дьёрдь Бужаки) видят в таком представлении о мозге философский или близкий к нему аспект: оно поддерживает идею, что мозг активен по своей природе и не нуждается в поступлении сенсорной информации, чтобы «включиться». Роль сенсорной информации – модулировать активность, генерируемую мозгом. Это контрастирует с «эмпиристским» представлением о пассивном, «реактивном» мозге, паттерны активности которого задаются извне.

Подобное представление о ритмической активности действительно меняет наше понимание того, что же такое мозг, – но это еще не все. Есть еще и третья, довольно спорная вероятность: электрические поля мозга все-таки играют какую-то биологическую роль. И если так, то Бергер зарегистрировал не побочный продукт, но некую функцию мозга. Даже не будучи нейробиологом, я бы, пожалуй, поставил на этот вариант. Думаю, его еще будут оспаривать, но на настоящий момент все выглядит именно так.

Наша история продолжается еще одним открытием, сделанным в необычных обстоятельствах. Анжелика Арванитаки – французский нейрофизиолог греческого происхождения{177}. Она изучала нервную систему моллюсков на французской морской станции недалеко от Тулона в конце 1930-х и в 1940-х годах. Работать ей приходилось в сложных условиях: когда в самом начале Второй мировой войны Франция пала, станцию захватила итальянская армия. Арванитаки – одна из тех женщин-ученых, чья работа кажется недооцененной – либо из-за гендерной дискриминации в науке, либо потому, что была несвоевременной, либо же из-за того и другого сразу (тут вспоминается Барбара Макклинток и «прыгающие гены», а также Линн Маргулис и симбиотическое происхождение митохондрий{178}). Ученые того времени сосредоточили все внимание на синапсе – промежутке между двумя нейронами в цепочке, пытаясь понять, как сигнал преодолевает этот разрыв. Арванитаки начала свою самую важную статью, опубликованную в 1942 году, с заявления, что нервные клетки способны влиять друг на друга не только через синапсы, и доказала это экспериментально{179}. Сегодня это влияние (основываясь на ее терминологии) называют эфаптическим связыванием нервных клеток.

Открытие, сделанное Арванитаки, не связано с волнами Бергера напрямую: Арванитаки прежде всего интересовало эфаптическое влияние на межклеточном уровне. Однако недавно между открытиями Арванитаки и Бергера обнаружилась связь. Иногда ритмический рисунок полей, генерируемый крупными областями мозга, способен влиять на активность отдельных клеток{180}. В частности, эти поля регулируют время активности нейронов, в том числе моменты «спайков», – похоже, это один из способов, какими мозг синхронизирует активность составляющих его клеток. В экспериментах в чашках Петри такие сигналы преодолевали промежуток между двумя разделенными хирургически, но размещенными вплотную слоями мозга. Как утверждают Кристоф Кох и Костас Анастасиу, это ранее неизвестный механизм обратной связи, когда «электрические поля регулируют активность тех же нейронов, что изначально их и создали»{181}. Выше я писал, что течение ионов через границу клетки напоминает электрическое дыхание, потом уточнил, что некоторые клетки дышат в одном ритме, а теперь мы узнали, что каждая отдельная клетка способна электрически ощущать общее слаженное дыхание.