Эволюция материи с момента возникновения Вселенной прошла добиологическую и биологическую стадии и сейчас мы находимся на этапе социальной самоорганизации. Высшим достижением биологической эволюции, несомненно, является мозг человека. Науке удалось сформулировать законы, управляющие процессами в неживой природе и сейчас она близка к разгадке тайны возникновения Вселенной. Что же касается законов живой природы, принципов функционирования мозга и связанных с ними социальными процессами, то результаты здесь значительно скромнее.

Одним из важнейших научных достижений последнего времени стало понимание роли неустойчивости в эволюции материи. Только сравнительно недавно стало ясно, что все новое в мире возникает в результате бифуркаций, а основной причиной самоорганизации материи на любом уровне (неживой природы, биологической, социальной) являются неустойчивые, критические состояния. Благодаря использованию в полном объеме свойств понятия неустойчивости в современном научном мировоззрении, начинает исчезать пропасть между естественными и гуманитарными науками (или между «двумя культурами» по Ч.Сноу) и, как выразился И.Пригожин, появилась возможность включения человека в природу. Физика и вся наука в целом со времен Галилея, Ньютона и Лейбница во многом игнорировали неустойчивость, иногда упоминая о ней лишь как о любопытном курьезе или даже рассматривая как нечто противоестественное.

При этом часто подразумевалось, что соответствующее явление недоступно формальному анализу или его вообще следует исключить из подлинно научного описания реальности, поскольку одно из важнейших свойств неустойчивого состояния – его непредсказуемое поведение. В самом деле, мы не в состоянии предсказать в какую сторону упадет вертикально стоящий стержень. Можно сказать также, что в неустойчивых явлениях не выполняется один из основных принципов естествознания – принцип воспроизводимости научных результатов.

Этот принцип означает, что научный результат является достоверным, если он повторяется при одних и тех же условиях. Однако мы не можем воспроизвести направление падения стержня при условии его нахождения в строго вертикальном положении – здесь все решают флуктуации. Напротив, изучение устойчивых процессов и состояний стало основой формирование классического детерминистического мышление не только в физике, но и в биологических и гуманитарных науках (включая психологию и другие науки о мозге), поскольку достижения механики и физики в изучении устойчивых явлений были весьма впечатляющими. Согласно детерминистическому мировоззрению, все события и процессы в принципе можно моделировать и предсказать с любой точностью. Предполагалось, что явления, которые мы не в состоянии предсказать, обусловлены теми приближениями, которые мы вносим в наше описание природы.

Примерно с середины XX века в работах И.Р.Пригожина, Г.Хакена и ряда других ученых в рамках физических и физико-химических исследований стала формироваться новая научная парадигма, связанная с изучением нелинейных систем и процессов как простых, так и сложных, вдали от термодинамического равновесия. В последнем случае возникают когерентные структуры, охватывающие миллионы частиц, благодаря чему создаются условия для возникновения жизни, биологической эволюции, появления человека. В этих же исследованиях было выяснено, что в системах, где есть неустойчивость, даже очень маленькие различия в начальных условиях приводят к очень большим различиям в конечных результатах. Небольшое возмущение или ошибка ведут к большим последствиям и точное предсказание поведения таких систем на больших временных интервалах становится невозможным.

Таким образом, детерминистическая парадигма, господствовавшая в науке вплоть до последнего времени, может быть неверна в нелинейных системах, где есть неустойчивость. Однако фундаментальным свойством биологических, психических и социальных систем является именно их нахождение в неустойчивом, критическом состоянии. Известный физик Я.И.Френкель основное различие неживой и живой природы сформулировал следующим образом: «Нормальное состояние всякой мертвой системы есть состояние устойчивого равновесия, в то время как нормальное состояние всякой живой системы, с какой бы точки зрения она не рассматривалась (механической или химической), есть состояние неустойчивого равновесия, в поддержании которого и заключается жизнь».  Науки о мозге долгое время находились под влиянием традиционной для всей науки XIX и первой половины XX веков парадигмы устойчивых состояний и детерминизма. Мозг рассматривается в традиционной психологии и нейрофизиологии как сложная система в равновесном, устойчивом состоянии.

В многочисленных психологических теориях и учениях отсутствует понятие неустойчивости, а понятия равновесия и устойчивости являются синонимами. Но даже в рамках традиционной научной парадигмы в изучении высшей нервной деятельности сделано очень многое: сейчас во многом понятны конкретные механизмы функционирования нейронов, законы проведения нервного импульса, сформировались такие важные понятия как безусловный и условный рефлексы и т.д. При этом в психологии и других науках о мозге существует большое число качественных теорий, не поддающихся экспериментальной проверке, а сама методология эксперимента в психологии требует нового осмысления. Ясно, что в рамках традиционного детерминистического мировоззрения, основанного на изучении устойчивых явлений и процессов, не могли быть сформулированы принципы работы мозга.

С появлением теории детерминированного хаоса в середине 1980 годов у некоторых психологов появилась надежда, что достаточно применить соответствующий математический аппарат к имеющимся в психологии многочисленным учениям и теориям о сознании, мышлении, восприятии, памяти и т.д. и фундаментальная теория высших психических функций будет сформирована. Известный американский нейрофизиолог Уолтер Фриман ( Walter Freeman ) образно сравнил теорию детерминированного хаоса с принцем, который должен поцеловать спящую красавицу психологию. Однако опыт прошедшего времени показал, что эти ожидания оправдались лишь в очень небольшой степени, а подлинное приращение научного знания в этой области идет по пути приложения физических идей и физических методов. Что касается другого важного направления в исследовании мозга – традиционного экспериментального, нейрофизиологического направления, несмотря на огромную важность и непреходящую ценность полученного эмпирического материала, принципов функционирования мозга здесь также сформулировано не было.

Ситуацию здесь можно сравнить со следующей. Допустим, человек незнакомый с законами электромагнитной теории захотел узнать, как работает ламповый радиоприемник. Он открыл заднюю стенку этого радиоприемника, описал все радиодетали, начертил схему их соединений между собой. Можно ли после этого утверждать, что он понял, как работает радиоприемник, если он не знает о существовании и свойствах электромагнитных волн, принципов работы колебательного контура и усилителя, не знаком с явлением резонанса и т.д. Как мы знаем, после ламповых появились радиоприемники на транзисторах, на интегральных схемах, но принципы их работы остались неизменными. В нейрофизиологии сформулировали закон проведения нервного импульса по аксонам, идентифицировали зрительную и слуховую зоны, построили карту проекций таламических ядер на кору больших полушарий и т.д.

Современное состояние наук о мозге коротко можно охарактеризовать так: много знаем — мало понимаем. Накопленные здесь экспериментальные данные можно сравнить с кирпичиками научного мировоззрения. Однако, из одних и тех же кирпичей можно построить и неказистое здание, и прекрасный дворец – все определяется архитектурным планом. Подлинно научное знание, помимо надежных экспериментальных данных, нуждается еще и в адекватной научной теории. Как показывает вся история науки, ее развитие всегда есть результат совместных достижений теории и эксперимента. Только в последнее время была осознана, в общем-то, простая мысль, что свойства процессов и явлений на любом уровне организации материи есть одновременно и конечный результат предшествующей эволюции и сами принципы этой эволюционной самоорганизации. Поскольку мозг человека есть финал биологической эволюции, то совершенно естественно попытаться сформулировать законы функционирования мозга на основе тех фундаментальных принципов самоорганизации, которые изучают в синергетике.

Сформулированные ниже синергетические принципы работы мозга имеют во многом физическое содержание, поскольку сама синергетика возникла из физики, главным образом из теории фазовых переходов и теории нелинейных колебаний. Исследования в области синергетики высшей нервной деятельности позволяют сформулировать следующие принципы работы мозга человека.

Первый принцип. Мозг человека функционирует вблизи критического состояния

Чрезвычайная чувствительность нашего мозга к малейшим изменениям, как внешних стимулов, так и внутренних психических процессов, указывает на то, что мозг как сложная система функционирует вблизи бифуркационного состояния. Исследования показывают, что такие явления как сознание и подсознание (неосознаваемое), а также творчество, синестезия, нейропластичность, синхронизация как механизм интегративной функции мозга, восприятие неоднозначных образов и т.д. связаны с феноменологией критических явлений.

Важность этого принципа для понимания работы мозга можно сравнить с формулировкой Галилеем принципа инерции в физике, который сменил господствовавший до этого принцип Аристотеля –‘тело движется с постоянной скоростью, пока к нему приложена сила’. В науках о мозге принцип неустойчивости сменил господствовавший до него представление традиционных наук о высшей нервной деятельности, что все процессы в мозге стремятся к устойчивому состоянию.

Второй принцип. Функция распознавания образов

Функция распознавания – фундаментальное свойство живой природы. Примером может служить распознавание имунной системой инородных объектов. Наиболее распространенная в синергетике модель распознавания образов, предложенная американским физиком Джоном Хопфилдом ( John Hopfield ). обладает важным свойством мультистабильности, что делает эту модель согласованной со сформулированным выше принципом критического состояния, вблизи которого функционирует мозг. Принципиально важной особенностью распознавания образов нейронной сетью является способность восстановления образа по редуцированным, неполным или искаженным данным. Например, к распознаванию может быть предъявлено сильно упрощенное изображение (например, переданное лишь несколькими основными линиями лицо или фигура) или даже неполное изображение (часть лица, часть фигуры и т.п.). Тем не менее, нейронная сеть способна по этим неполным данным восстановить полный ключевой образ, хранящийся в памяти. Условный рефлекс, способность прогнозирования будущих событий также можно описать как процесс восстановления полного образа по его фрагменту .

Третий принцип. Хаотическая динамика магнитоэлектрической активности мозга

  Исследования последнего времени показали, что электроэнцифалограммы (ЭЭГ) животных и человека, а также магнитные поля, генерируемые в межнейронных тканях мозга, представляют собой детерминированные хаотические процессы с небольшим числом степеней свободы, что указывает на высокую степень самоорганизации соответствующих процессов. Помимо того, что теория самоорганизации дала возможность сформулировать ряд фундаментальных принципов в работе мозга, она позволила по-новому взглянуть на роль хорошо известных и детально изученных классической психологией явлений. Так, явление мультистабильности восприятия при распознавании неоднозначных образов считается в традиционной психологии неким научным курьезом. В большинстве университетских курсов по психологии это явление даже не упоминается.

Только сравнительно недавно, в рамках исследований по проблемам самоорганизации в когнитивных процессах, выяснилась фундаментальная роль явления мультистабильности восприятия неоднозначных образов в деятельности мозга. Традиционные исследования рассматривают функции мозга как строго локализованными, осуществляющимися на уровне индивидуальных нейронов, в то время как в синергетическом подходе все основные функции мозга (память, распознавание образов и т.д.) считаются распределенными среди огромного числа взаимосвязанных нейронов. Наконец, еще одно принципиальное отличие — в концепции обработки информации мозгом.

Традиционные науки о мозге отдают предпочтение концепции последовательной обработки информации, в то время как синергетика мозга базируется на идее параллельной обработки. Эта книга не претендует на то, чтобы охватить все аспекты работы мозга. Скорее это ряд очерков, посвященных анализу некоторых проблем функционирования мозга на основе принципов синергетики. Автор разделяет сформулированный Карлом Поппером принцип: в естественных науках теорию невозможно доказать – ее можно только опровергнуть. Многие сформулированные в этой книге утверждения относятся к числу «правдоподобных рассуждений» (по выражению Пойа) и, вполне возможно, что некоторые их них окажутся неверными. «Великая трагедия науки – убийство красивой теории безобразным фактом». В этой формулировке драматического характера развития науки, принадлежащнй Т.Хаксли – соратнику Ч.Дарвина, несомненно, присутствует изрядная доля ирония.

Глава 1. СИНЕРГЕТИКА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОЗГ (zip)