Страница 4 из 8
Корреляция. Записи электрических сигналов клеток 204 показали, что нейроны всегда активизируются непосредственно перед тем, как животное начинает плавать, и остаются активными все время, пока оно плавает, – то есть активность клеток коррелирует с процессом плавания. Обратите внимание: даже этот самый слабый тест на причинно-следственную связь мог бы опровергнуть наше предположение в том случае, если бы клетки 204 не были активны во время плавания. Иными словами, с помощью теста на корреляцию можно опровергнуть гипотезу – но не подтвердить ее.
Достаточность. Стимуляция одной клетки типа 204 (одного из приблизительно 10 тысяч нейронов центральной нервной системы пиявки) заставляла животное плавать. Мы пришли к выводу, что активации одной клетки 204 достаточно, чтобы пиявка начала плавать. Но этот тест не доказывал, что активация клетки 204 – единственный способ вызвать плавательные движения. Нужны были дополнительные тесты.
Необходимость. Деактивация одной клетки 204 (путем пропускания через нее электрического тока, вызывающего торможение) снижала вероятность того, что стимуляция нерва заставит животное плавать. Это значит, что активность клетки 204 необходима для плавания – по меньшей мере частично. (В нервной системе пиявки 12 клеток типа 204, и только две из них можно контролировать одновременно; этот факт объясняет, почему вероятность плавания лишь снижалась, а не сводилась к нулю.)
По итогам этих экспериментов, а также аналогичных опытов с нервной системой других животных клетки типа 204 были признаны «командными нейронами» – их активация вызывает определенные действия (то есть «подает команду» к этим действиям). Считается, что командные нейроны связывают сенсорный вход с моторными зонами мозга: они принимают входящие сигналы от сенсорных нейронов, и если эти сигналы активируют их, то они, в свою очередь, инициируют то или иное моторное действие. Эти нейроны также называют «нейронами принятия решений», поскольку предполагается, что их истинная функция – выбор нужного действия из нескольких возможных (например, плыть или ползти).
Первые эксперименты с клетками типа 204 были проведены почти 40 лет назад, и поэтому разумно задать вопрос: мы по-прежнему верим в первоначальные выводы из цепочки «предположение – проверка – интерпретация»?[5] И да, и нет. Основные данные выдержали проверку временем (и много раз воспроизводились), но дальнейшие эксперименты выявили и другие нейроны, по своим функциям похожие на клетки 204, и поэтому первоначальный вывод о том, что за плавание пиявки отвечают только клетки 204, оказался упрощением. Эксперименты с использованием красящих веществ, которые светятся, сообщая об электрической активности нейрона (это позволяет одновременно наблюдать за работой множества нейронов), показали: решение о том, что должна делать пиявка – плыть или ползти, – принимается на основе трудноуловимых взаимодействий между многими нейронами. Клетки 204 вместе с другими командными нейронами подают сигнал к моторному действию после завершения этих тонких взаимодействий. Таким образом, клетка 204 не «главнокомандующий», а скорее «лейтенант», выполняющий приказы «коллективного руководства», которое и принимает решения[6].
Помня об экспериментах с клетками типа 204, вернемся к значению слова «вера» в науке. Этот вопрос нужно рассматривать как минимум на трех уровнях.
1. Есть ли возможность опровергнуть гипотезу? Если не существует способа опровергнуть гипотезу с помощью объективных, осуществимых экспериментов, эта гипотеза может быть интересной, но не может относиться к научной сфере.
2. Считаем ли мы данные достоверными? Для ответа на этот вопрос мы должны оценить применимость методик, тщательность экспериментов, убедительность результатов. Например, в типовом эксперименте с целью выяснить функцию той или иной зоны мозга исследователи будут вмешиваться в работу этой зоны и регистрировать изменения в поведении или активности мозга. Для выявления изменений экспериментатор использует стимулы и фиксирует реакцию на них. Зачастую данные неоднозначны: один и тот же стимул может вызывать разную реакцию, а два разных стимула – одинаковую. Причин тому может быть много, и существуют проверенные методы обнаружения и разрешения такого рода проблем. Например, можно не посвящать человека, оценивающего результаты, в подробности исследования (это называется «слепым» методом). Или можно повторить эксперимент в другой лаборатории, с другими сотрудниками, оборудованием и сложившимися практиками проведения опытов.
3. Доверяем ли мы интерпретации? В целом интерпретация – самая интересная часть любого научного исследования (и именно она, как правило, попадает в СМИ), но вместе с тем эта часть наиболее часто подвергается пересмотру. Как показала история с клетками 204 в нервной системе пиявки, новые данные могут существенно изменить интерпретацию, и этот процесс бесконечен. Карл Поппер, влиятельный ученый в области философии науки ХХ века, утверждал, что наука не должна даже надеяться, что когда-либо выяснит абсолютную истину[7]. Хорошо обоснованное современное суждение, приближающее нас к истине, может объяснить все (или, по крайней мере, многие) текущие наблюдения, но дополнительные данные в конце концов заставят ученых усомниться в любой интерпретации и заменить ее более полной. Поппер утверждает, что старая интерпретация не отвергается полностью; просто новые данные позволяют еще ближе подойти к истине. По сути, интерпретация полученных данных порождает предположения для новой серии экспериментов – точно так же, как при попытке починить неисправный торшер.
Чем же «научная вера» отличается от других разновидностей веры? Одно из главных отличий состоит в том, что наука – по крайней мере, экспериментальная – ограничивается идеями, которые можно проверить с помощью объективных, воспроизводимых и однозначных экспериментов. Если другие исследователи проведут такие же эксперименты, они получат те же результаты. Это ограничение исключает из поля зрения науки множество чрезвычайно интересных вопросов, таких как «Зачем мы живем?» и «Существует ли Бог?». За пределами науки оказываются даже целые дисциплины вроде астрологии: они похожи на науку в том смысле, что оперируют огромным количеством данных, однако их выводы невозможно проверить объективными методами[8]. В научных статьях обычно есть разделы «Результаты» и «Обсуждение результатов». Для того чтобы поверить в результаты, нужно оценить, правильно ли поставлен эксперимент и могут ли другие исследователи его воспроизвести; такая оценка будет относительно объективной. Верить ли утверждениям из раздела «Обсуждение результатов» – вопрос более сложный. Подтверждают ли данные интерпретацию? Логичны ли выводы и основаны ли они на результатах этой и предыдущих работ? Является ли интерпретация отправной точкой для дальнейших проверяемых гипотез? Хотя обсуждение результатов зачастую представляет собой самую интересную часть научной статьи, эта часть с наименьшей вероятностью выдерживает проверку временем. Тех, кто не знаком с той или иной областью исследований, изменения интерпретаций могут сбивать с толку и раздражать (например, полезны или вредны жиры?), но такие последовательные приближения – неотъемлемая часть научного процесса. Если интерпретация поэзии искажает ее суть, то в научной интерпретации наиболее ярко раскрывается творческий потенциал исследователя. Изменчивость интерпретаций означает, что все заявления о вере подразумевают оговорку: то, во что ученый верит сегодня, может существенно измениться после следующей серии экспериментов, которые проведет он сам или – если не повезет – кто-то другой. Ученый должен быть готов отказываться от любимых убеждений и принимать другую точку зрения, когда этого требуют полученные данные, а прочим людям следует помнить о преходящем характере этих убеждений.
5
Новейшие представления о нейронной цепи, отвечающей за плавание пиявки, изложены в обзорной статье: W. B. Kristan, Jr., R. L. Calabrese, and W. O. Friesen, «Neuronal Basis of Leech Behaviors», Progress in Neurobiology 76 (2005): 279–327.
6
В последнее время стали возможны аналогичные эксперименты с мозгом, который больше похож на мозг человека, чем мозг пиявки, и это позволило ученым задаться вопросом, есть ли в нашем мозге нейроны с такими же функциями, как у клеток 204 в мозге пиявки. Серьезным препятствием к выяснению функций отдельных нейронов стало огромное количество нервных клеток в мозге млекопитающих. Однако в последнее десятилетие методы визуализации и селективной экспрессии молекул, регистрирующих активность нейронов, позволили исследовать поведенческие функции множества нейронов одновременно. В результате эксперименты, подобные тем, что описаны для клеток 204, теперь могут проводиться и на более сложном мозге, например рыбьем и мышином. Ученые визуализируют нейроны с известной функцией, выясняя корреляцию их активности с поведением животного. После генетической модификации нейроны начинают вырабатывать чувствительные к свету белки, и в результате ученые получают возможность воздействовать на эти нейроны светом с определенной длиной волны, включая или выключая их во время поведенческого теста, чтобы определить их достаточность и необходимость для данного поведения. Подобные эксперименты – наряду с другими – привели к настоящему перевороту в исследованиях нейронной основы поведения животных со сложным мозгом. Подробную информацию об этой методике можно найти в приведенных ниже работах. В первых двух рассматривается сам метод, а в остальных описаны эксперименты, выполненные с его помощью. K. Deisseroth, «Controlling the Brain with Light», Scientific American 303 (2010): 48–55; K. Deisseroth, «Optogenetics: 10 Years of Microbial Opsins in Neuroscience», Nature Neuroscience 18 (2015): 1213–1225; E. Pastrana, «Primer on Optogenetics. Optogenetics: Controlling Cell Function with Light», Nature Methods 8 (2010): 24–25; V. Emiliani, A. E. Cohen, K. Deisseroth, M. Haeusser, «All-Optical Interrogation of Neural Circuits», Journal of Neuroscience 35 (2015): 13917–13926.
7
Карл Поппер писал о последовательном приближении к истине в нескольких своих работах, но наиболее доступно эта идея изложена в эссе под названием «Наука: предположения и опровержения»; изначально это была лекция, прочитанная в Кембридже, а в 1953 году ее текст вошел в книгу «Предположения и опровержения: рост научного знания».
Стюарт Файрштейн в своей работе Failure соглашается, что отклонение предположений – обычный путь научного прогресса, но рассматривает этот вопрос под иным углом. Файрштейн утверждает, что лишь немногие ученые постоянно применяют стратегию «предположение – проверка – интерпретация», хотя все пишут статьи так, будто следовали именно ей. Он называет отклонение гипотезы одним из типов неудач и считает, что именно неудачи этого типа приносят наибольшую пользу научному прогрессу.
8
В книге «Логика научного исследования» Карл Поппер рассказал, что заинтересовался философией, задумавшись, чем наука отличается от таких разных областей знания, как астрология, метафизика и психоанализ. Он пришел к выводу, что отличие научных теорий в том, что их можно проверить и опровергнуть: «Каждая “хорошая” научная теория является некоторым запрещением: она запрещает появление определенных событий. Чем больше теория запрещает, тем она лучше» (К. Поппер, «Предположения и опровержения»). (Файрштейн в работе Failure добавляет к этому списку современные феномены, такие как саентология, теория разумного замысла и ряд направлений альтернативной медицины, в качестве примеров принципиально неопровержимых теорий.) Поппер указывал, что существуют вполне достойные области интеллектуальной деятельности – например, метафизика и этика, – которые очень важны для культуры и для выживания человечества, но по природе своей ненаучны, поскольку не могут быть проверены. Этот вопрос был блестяще освещен Питером Медаваром в книге The Limits of Science. Вот две цитаты из нее:
«Если искусство политики – это действительно искусство возможного, тогда искусство научного исследования – это, без сомнения, искусство объяснимого».
«За ответами на вопросы, которые имеют отношение к происхождению мира и эсхатологическим событиям [например, в чем смысл жизни], мы должны обращаться не к науке, а к метафизике, художественной литературе или религии. Эти ответы не выводятся из эмпирических данных и не требуют подтверждения ими, и поэтому бессмысленно спрашивать, истинны они или ложны. Вопрос в том, помогут ли они кому-то обрести душевное спокойствие, избавят ли от тревоги непонимания и рассеют ли страх перед неизвестным».