Порог: это значение, по достижении которого система теряет свою нормальную динамическую траекторию и входит в возбужденное или активное состояние. Мы сталкиваемся с этим феноменом каждый день. Термостат — хороший пример прибора, в котором используется пороговый принцип. Вы устанавливаете термостат на определенное значение, и когда температура в системе падает ниже этой отметки, включается обогрев. Значение, которое вы задаете на термостате, — и есть порог. Нейроны, напротив, — нелинейные пороговые устройства. Каждый нейрон имеет порог возбудимости для потенциала действия. Нейроны пребывают в состоянии покоя, а порог определяется электрическими и химическими качествами каждой конкретной клетки. Более того, пороговые значения в каждом нейроне непостоянны. Опишу процесс в общих чертах: сигналы, приходящие от других нейронов, встречаются в одной клетке, и если за определенный промежуток времени их оказывается достаточно и все они — нужного типа, возбуждение достигает порогового значения и нейрон выдает ответ. Затем клетка вступает в период невозбудимости — восстанавливается после «выстрела». Иными словами, существует верхний предел частоты пиковых потенциалов.
Самоорганизация: жутковатая способность нелинейной системы перестраиваться для создания широких временных и пространственных связей. Возьмем колонию муравьев: перед нами пример предельной структурированности и организованности. Каждый муравей в колонии общается лишь с собратьями в непосредственной близости от себя. Ему дела нет до целой колонии, но, тем не менее, она существует именно благодаря рядовым взаимодействиям. Так же и с нейронами. Ни один нейрон в мозге знать не знает, что является его частью и уж тем более — частью «Я». Вся соль в том, что самоорганизация рождается из внутренней динамики системы без внешнего «обучающего сигнала». Такое возможно лишь в нелинейных системах, например, в мозге, обществе, экономике и — в колонии муравьев. Тогда из взаимодействия простых элементов, кирпичиков самоорганизованной системы, может возникнуть очень сложное поведение. Некоторые колонии муравьев насчитывают миллионы особей, что не мешает им вести себя сложно и крайне упорядоченно. Сообщества обучаются со временем. Однако отдельно взятый муравей — относительно простое существо, которое топает по дорожкам, проторенным другими муравьями. Самоорганизация изо дня в день сохраняет относительное постоянство нашего мозга и чувства «Я». За стабильность климата и его весьма умеренные изменения тоже нужно сказать спасибо самоорганизации. Но и здесь существует порог, по достижении которого даже небольшой выброс углекислого газа способен вызвать огромные перемены.
Колебания: любой периодический или ритмический сигнал. Колебание описывается как усиление и затухание сигнала: это электроэнцефалограмма, вентилятор, который обдувает комнату, двигаясь на подставке полукругом, или фондовый рынок. Колеблется каждый нейрон, а колебательную активность множества нейронов мы можем измерить как суммарную силу электрического тока в отдельном участке мозга. Удивительно, но факт: колебания нейронов спонтанны. Изменение частоты колебаний — ключевой механизм взаимодействия разных участков мозга и непосредственно самих нейронов.
Сетевая структура: в мозге имеется около сотни миллиардов нейронов с приблизительно двумястами триллионами (да, именно триллионами) связей между нейронами. Представьте себе компьютерную сеть с двумя сотнями триллионов связей. Несмотря на эти непомерные числа, любые два нейрона разделяют лишь несколько таких стыковок. Так уж устроен мозг. В среднем, любому нейрону нужно пропустить сигнал через семь соединений, чтобы достичь самого отдаленного нейрона. Это сеть «тесного мира»: очень похоже на число Кевина Бейкона[3] или шесть рубежей отдаления[4]. В сети есть локальные кластеры, «узлы», через которые проходит много связей. Несколько крупных узлов отвечают за большой объем действий. Представьте себе узел FedEx в Мемфисе: вся почта проходит через Мемфис, откуда бы ее ни отправляли, и это значительно сокращает число стыковок, необходимых для ее доставки в любой город мира.
Случайность, или шум: шум полезен. Это один из самых неожиданных фактов о мозге. Шум почти всегда считается плохим или вредным, особенно в рукотворных линейных системах вроде телефонных линий. Однако в сложных нелинейных системах вроде нашего мозга обнаруживается, что некоторый объем шума идет нам впрок. Этот феномен называется «стохастический резонанс»: шум в мозге упорядочивает активность. Если шума слишком мало, нейроны не способны воспринять сигналы, отправленные другими нейронами, а если слишком много — не могут различить верные. Мозг функционирует нормально лишь при оптимальном уровне шума. Но шум полезен только в нелинейных системах. Если подать шум в линейную систему, на выходе вы получите его же, а вот в нелинейной системе вроде нашего мозга может родиться симфония или роман. Исследователь шума Барт Коско, открывший большинство законов стохастического резонанса, называет этот эффект «дзен шума». Мы еще обсудим важную роль шума в творчестве.
Изменчивость: всякий раз, когда мозг воспринимает один и тот же стимул, например, краткое предъявление простой фигуры на экране компьютера, нервный отклик слегка меняется. Изменчивость нейронных ответов делает мозг гибким и адаптивным, помогает выжить в сложных средах и сообществах. Мозг — нелинейная система, и сокращение изменчивости для него — признак патологии. Во время эпилептического припадка нейроны в отдельном участке мозга «гиперсинхронизируются». Иначе говоря, они теряют изменчивость. Полное отсутствие изменчивости в отдельной области мозга и есть судорога. В главе 8 я докажу, что многие подходы к управлению, например шесть сигм, схожим образом провоцируют организационные судороги, подавляя изменчивость там, где она нужней всего. В этом смысле шесть сигм можно рассматривать как возбудителя болезни.
Синхронизация, или «подгонка». «Здоровая изменчивость» помогает мозгу поддерживать постоянное критическое состояние (гомеостаз, при котором, однако, орган всегда готов к действию и пребывает в ожидании контакта со средой), но вместе с этим в мозге еще должна передаваться информация. Существует постоянное соревнование между изменчивостью и синхронизацией. Вкратце, дело обстоит так: нейрон отправляет сигнал по аксону через синапс в дендриты следующего нейрона, но тот сможет его принять, только если оба нейрона будут синхронизованы. Синхронизация — это когда два или более парных (в переводе с языка физиков — «связанных») нелинейных осциллятора начинают совпадать друг с другом во времени. Впервые это заметил голландский ученый Христиан Гюйгенс в XVIII веке. По легенде, Гюйгенс лежал в постели, температурил и смотрел, как раскачиваются маятники двух ходиков. И он заметил, что маятники качаются в такт. Даже когда он останавливал один маятник и нарушал ритм, вскоре ходики снова синхронизировались. Но это случалось, только когда часы висели на одной стене: ее мелкие вибрации были достаточно сильны, чтобы позволить двум ритмам влиять друг на друга. Вибрации, или шум, создавали соединительный механизм между осцилляторами. Получается, что наш добрый друг «шум» помогает достичь синхронизации. Однако, как я уже замечал, слишком сильная синхронизация может привести к судорожному припадку, а слишком слабая — вовсе лишить коммуникации. И это еще один пример важного научного озарения, снизошедшего на человека в момент безделья (ну или в период восстановления после болезни).
Я расскажу, как эти факторы действуют, когда мы бездельничаем и когда творим, и почему праздность способствует творчеству. Каждая из этих областей знания является полем многочисленных новейших исследований. В конце книги я привожу список превосходных источников для дальнейшего чтения. Означенные выше темы преподают на старших курсах университетов по семестру, а то и больше, а для некоторых исследователей эти направления становятся делом всей жизни. Но ученые все еще крайне мало знают о том, как работает мозг. Скажу больше: применение этих идей к изучению мозга — совсем недавнее веяние в психологии и нейронауках. Так что, если вы решили в них разобраться, считайте себя на передовой научной мысли.
Позволяя мозгу отдыхать, мы даем ему возможность задействовать механизмы нелинейности и случайности, усилить его естественную склонность объединять образы восприятия и памяти в новые представления. Байки о писателях и художниках вторят недавним психологическим исследованиям: чтобы раскрыть творческий потенциал мозга — эту сложную нелинейную систему, — нужно разрешать себе долгие, полноценные периоды праздности. Как минимум, отдых столь же важен для здоровья мозга, как и направленная умственная деятельность, а то и важней.