Почему в мозге развилась модульная структура? Однажды я услышал, как глава компании Coca-Cola объяснял принцип функционирования его корпорации. По мере разрастания штата руководители компании поняли, что производить всю продукцию на одном центральном предприятии и развозить ее по всему миру неумно, неэффективно и дорого. Не было никакого смысла тратить деньги на упаковку и доставку товара, на организацию совещаний в «штаб-квартире», командировочные для их участников и на все такое прочее. Следовало поделить мир на регионы, построить в каждом свой завод и продавать продукцию на местах. Централизованное планирование отменили и ввели местное управление. То же самое и с мозгом – дешевле и более эффективно.

Эволюция большого мозга

Сложилось общепринятое мнение, что животные с более крупным мозгом, чем можно было бы ожидать при их размерах тела, обладают более развитыми умственными и другими когнитивными способностями. Считалось, что мозг человека велик для его тела, чем и объясняются наш высокий интеллект и разнообразие талантов. Однако в этой теории не все гладко. В действительности мозг неандертальцев гораздо больше нашего, но это не помогло им в конкуренции с Homo sapiens, когда тот появился. Что касается моего собственного исследования, то тут возникает другой непростой вопрос: после операции по расщеплению мозга оставшееся в одиночестве левое полушарие (половина мозга) почти не уступает по интеллектуальным способностям целому, неповрежденному мозгу. Больше – не обязательно лучше. Так в чем же дело?

Сюзана Эркулану-Хаузел с сотрудниками сравнила количество нейронов и других клеток в мозге разных видов, применив новую методику их подсчета в человеческом мозге. Как выяснилось, слухи о нашем большом мозге сильно преувеличены! Человеческий мозг вовсе не гипертрофированный – что касается размеров, он представляет собой пропорционально увеличенный мозг приматов. Несмотря на то, что мозг человека гораздо крупнее и содержит гораздо больше нейронов, у шимпанзе и людей одинаковое соотношение количества нейронов и размеров мозга[11]. Было сделано еще одно поразительное открытие – оказалось, что соотношение глиальных клеток и нейронов 10:1 (которое часто называлось, хотя и не подтверждалось никакими источниками) не имеет ничего общего с действительностью. На самом деле глиальных клеток в человеческом мозге не больше половины общего их количества, ровно столько же, сколько у приматов. Эркулану-Хаузел рассеяла и другое заблуждение, предположив, что наше ошибочное мнение об использовании мозга всего лишь на 10 %[8] основано на завышенной оценке соотношения глиальных клеток и нейронов как 10:1[12]!

Впрочем, человеческий мозг имеет два преимущества перед мозгом других млекопитающих. Во-первых, он устроен очень экономично и компактно, по правилам подобия, справедливым и для других приматов, и во-вторых, из всех экономично устроенных мозгов приматов наш самый крупный, а следовательно, в нем больше всего нейронов. Но, когда вы сравниваете другие виды с приматами, нельзя автоматически судить о количестве нейронов по величине мозга. Возьмем, например, грызунов: если сравнивать мышей и крыс, мозг последних крупнее – но не только потому, что в нем больше нейронов. У крыс при увеличении числа нейронов увеличивается и размер нейрона. Стало быть, один нейрон крысы занимает больше объема, чем нейрон мыши – разница примерно такая же, как между спагетти и тоненькой вермишелью. А у приматов, если сравнивать обезьян и людей, с увеличением числа нейронов размер нейрона не меняется. Поэтому в более крупном мозге примата на единицу объема приходится в целом больше нейронов, чем в относительно более крупном мозге грызуна. Если взять мозг крысы и увеличить его до размеров человеческого, крыса будет иметь 1/7 общего количества нейронов, которые имеются у человека – по той простой причине, что каждый нейрон крысы займет больше места. Увеличение размера мозга – дело хитрое, и, по-видимому, для разных отрядов (приматы, грызуны и прочие) действуют разные правила пропорционального роста.

Тут мы снова возвращаемся к модулям. Если бы в человеческом мозге при увеличении числа нейронов каждый из них соединялся бы с соседними, мы имели бы экспоненциальный рост количества аксонов (элементов нейрона, обеспечивающих передачу сигналов). Наш мозг был бы гигантским – 20 км в диаметре[13], – и ему требовалось бы столько энергии, сколько мы не смогли бы ему дать, даже если бы нас кормили как на убой[14]. Фактически на наш мозг приходится около двух процентов всего веса тела, и при этом он забирает 20 % всей энергии. Эта мощная электрическая система работает в непрерывном режиме, как кондиционеры в Фениксе в июле, поэтому и потребляет так много энергии. Возникла бы и другая проблема – длина аксонов была бы такой, что скорость обработки информации резко упала бы.

Нейробиолог Георг Стридтер изучает причины и характер различий, сформировавшихся у разных видов в ходе эволюции мозга. Он полагает, что размеры мозга увеличиваются с соблюдением определенных законов, регулирующих внутренние связи[15]. Прежде всего, по мере увеличения мозга количество связей, соединяющих один нейрон с другими, в среднем не меняется. Напротив, в абсолютном отношении число нейронных связей сохраняется, благодаря чему – в плане энергозатрат и пространства – рост мозга становится более управляемым. Однако это означает, что с увеличением размеров мозга связанность частей структуры в целом сокращается. Сокращение связанности подразумевает более высокую автономность процессов.

Вторая закономерность – минимизация длины связей. Это приводит к тому, что нейроны соединяются главным образом с соседними нейронами. Короткие связи требуют меньше энергии, объема и времени на передачу сигнала и обеспечивают эффективную коммуникацию между локализованными в определенных зонах нейронами. Следовательно, при увеличении мозга происходит реорганизация путей передачи сигналов и меняется структурная архитектура мозга. В итоге архитектура сложившейся структуры такова, что образуется кластер, или «сообщество», локализованных нейронов с хорошо развитыми соединениями.

Организация такого типа позволяет этим самостоятельным кластерам независимо выполнять определенные функции – и вот уже рождается модуль! Как правило, в одном модуле устанавливаются внутренние связи между нейронами, но некоторые, немногие, нейроны способны образовывать короткие связи с нейронами близлежащих модулей, и в итоге формируется нейронная цепь. Нейронная цепь возникает, когда один модуль получает информацию, обрабатывает ее и передает в другой модуль для дальнейшей обработки. Таким образом, пути передачи информации от одного модуля к другому, пусть и немногочисленные, позволяют соседним модулям объединяться в кластеры для более многоступенчатой ее обработки. В следующей главе мы узнаем об этом больше, когда будем говорить о многоуровневой архитектуре.