Как мозг создает единую модель реальности, сохраняя при этом идентичность сигналов и в то же время не давая картине мира распадаться на отдельные части? В нейронауке, когнитивной науке и философии сознания это называется проблемой связывания.

Мы воспринимаем мир как разнообразную, но связную структуру, и принимаем это как должное. Но количество сигналов, поступающих в разные сенсорные системы и обрабатываемых мозгом, огромно, и они постоянно меняются. Тем не менее, нормально работающий мозг справляется с построением адаптивной модель реальности. Она как пазл, состоящий из множества деталей, которые складываются вместе и создают единую картину. Это касается и модели Я, создаваемой мозгом. Наше внутреннее ощущение единой личности возникает в результате совокупности репрезентаций внутренних сигналов и служит устойчивой системой отсчета для модели внешнего мира.

Иллюзии восприятия показывают, что мозгу нелегко дифференцировать и интегрировать, не допуская ошибок при работе с двусмысленностью. Также при определенных патологиях функционирования головного мозга или под воздействием психоактивных веществ мы наблюдаем ухудшение целостного состояния модели реальности и распад единого Я. Эти дезадаптивные состояния показывают, что создание связной модели является особой функцией мозга и ключом к выживанию.

Проблема связывания (ПС) имеет два аспекта:

Проблема разделения (ПС1) касается вопроса о механизмах, которые позволяют мозгу различать сигналы окружающей среды, получаемые сенсорами наших модальностей восприятия.

Проблема комбинирования (ПС2) касается механизма, который интегрирует репрезентации всех сигналов внешнего и внутреннего мира в согласованную модель реальности.

ПС1 и ПС2 — две разные проблемы, но это не означает, что мозг использует два механизма для их решения. Противоположные функции интеграции и дифференциации репрезентаций могут выполняться одним механизмом.

История Психолог Уильям Джеймс ввел термин «проблема комбинирования» в отношении вопроса о единстве феноменального опыта.James, William (1890-01-01). The principles of psychology Vol. I. New York : Holt. p. 145. Он искал способы объяснения с помощью физики, но не нашел удовлетворительного ответа. Знания о физиологии развивались и теперь известно, что различные аспекты восприятия обрабатываются в разных зонах мозга. Например, разные области зрительной коры специализируются на обработке различных аспектов цвета, движения и формы.Zeki, S. M. (August 1978). "Functional specialisation in the visual cortex of the rhesus monkey". Nature. 274 (5670): 423–428. doi:10.1038/274423a0. ISSN 1476-4687.Zeki, S.; Watson, J. D.; Lueck, C. J.; Friston, K. J.; Kennard, C.; Frackowiak, R. S. (1991-03-01). "A direct demonstration of functional specialization in human visual cortex". Journal of Neuroscience. 11 (3): 641–649. doi:10.1523/JNEUROSCI.11-03-00641.1991. ISSN 0270-6474. PMC 6575357. PMID 2002358. Когда человек видит синий квадрат и желтый круг, одни нейроны сигнализируют в ответ на синий цвет, другие — в ответ на желтый, третьи — на квадратную или круглую форму. Здесь проблема связывания заключается в том, как мозг правильно сочетает цвет и форму, то есть указывает, что синий, а не желтый цвет сочетается с квадратом.Bartels, A.; Zeki, S. (Jul 2006). "The temporal order of binding visual attributes". Vision Res. 46 (14): 2280–6. doi:10.1016/j.visres.2005.11.017. PMID 16387344.

Самым простым ответом была попытка объяснить проблему анатомической структурой. Она основывается на очевидных пространственных аспектах: в мозге есть области, которые специализируются на обработке модально-специфических сигналов и различных аспектов этих сигналов; области, расположенные дальше по иерархии, занимаются ассоциативной обработкой и интеграцией. В целом нервная система многоканальная и многоуровневая. Связи между зонами от сенсоров до областей новой коры начинаются в виде специализированных меченых линий, затем сходятся в некоторых областях, затем расходятся и снова сходятся. Эта система настолько сложна и работает по принципу конвергенции-дивергенции и обратных связей, что мы никак не можем объяснить механизм связывания только схемой «проводки». Также одной лишь пространственной структурой нельзя объяснить, каким образом мы получаем картину мира со всеми деталями в постоянном режиме почти мгновенного создания и обновления. Фактор времени должен быть включен в любую теорию механизма и алгоритма такого достижения природной технологии. Более того, некоторые исследователи справедливо отмечают, что неуместно анализировать связывание в восприятии без учета того, как свойства сигналов связываются в памяти и как мозг предвосхищает сигналы.Zimmer, H.D., Mecklinger, A. and Lindenberger, U. (2006) Binding in human memory: A neurocognitive approach. Oxford University Press. Итак, любая модель, решающая проблему связывания, должна включать в себя аспекты прошлого (память), настоящего (восприятие) и будущего (прогнозирование).

Существует ли проблема связывания? Философ Дэниел Деннет предположил, что наше ощущение феноменального опыта как отдельных событий является иллюзорным и что вместо этого в любой момент времени существует множество «эскизов» сенсорных паттернов в разных местах. Он утверждает, что сознание не является единым и не существует проблемы связывания.Dennett, Daniel (1981). Brainstorms: Philosophical Essays on Mind and Psychology. MIT Press. ISBN 0262540371.

Психофизические эксперименты демонстрируют перцептивную асинхронность, когда цвет воспринимается раньше обработки ориентации линий и движения на 40 и 80 мс соответственно. По крайней мере в течение коротких промежутков времени обработка различных сигналов не связана, что может служить основанием для идеи о «разобщенности сознания».Moutoussis, K.; Zeki, S. (1997-03-22). "A direct demonstration of perceptual asynchrony in vision". Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences. 264 (1380): 393–399. doi:10.1098/rspb.1997.0056. PMC 1688275. PMID 9107055.Moutoussis, K.; Zeki, S. (1997-10-22). "Functional segregation and temporal hierarchy of the visual perceptive systems". Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences. 264 (1387): 1407–1414. doi:10.1098/rspb.1997.0196. PMC 1688701. PMID 9364780.Zeki, S. (May 2003). "The disunity of consciousness". Trends in Cognitive Sciences. 7 (5): 214–218. doi:10.1016/s1364-6613(03)00081-0. ISSN 1364-6613.

Но никакая «разобщенность сознания» в том смысле, что мозг обрабатывает разные сигналы разными популяциями нейронов и эта активность не совпадает во времени, не делает проблему связывания несуществующей. Более того, именно факт пространственных и временных различий подчеркивает наличие связующего механизма, поскольку в нормальном состоянии мы воспринимаем мир как единое целое, а не как вращающийся калейдоскоп множественных «эскизов». Модель реальности распадается только при патологических состояниях, что как раз и свидетельствует о сбое в работе какого-то связующего механизма. Мы не можем решить проблему, заявив, что её не существует.

Решение проблемы связывания Некоторые современные философы придерживаются представления о существовании единства сознания.Bayne, T. and Chalmers, D. (2003) What is the unity of consciousness? In Cleeremans, A. The Unity of consciousness, Binding, Integration and Dissociation, Oxford University Press. Многие нейроученые соглашаются с ними и строят модели того, как мозг решает эту проблему.

Теория Глобального Рабочего Пространства Теория глобального рабочего пространства (ТГРП) предполагает, что сигналы попадают в определенное рабочее пространство, в котором они «транслируются» во многие участки коры головного мозга для параллельной обработки.Baars, B. J. (1997), In the Theater of Consciousness New York, Oxford University Press. Существуют подробные нейроанатомические версии такого рабочего пространства.Dehaene, S.; Sergent, C.; Changeux, J.-P. (2003). "A neuronal network model linking subjective reports and objective physiological data during conscious perception". Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (14): 8520–8525. Bibcode:2003PNAS..100.8520D. doi:10.1073/pnas.1332574100. PMC 166261. PMID 12829797. Они полагаются на физиологический факт, что многие области коры посылают и получают многочисленные сигналы из самых разных удаленных областей мозга, что позволяет им интегрировать информацию в пространстве и времени. Таким образом, несколько сенсорных данных могут сойтись в единой согласованной интерпретации. Эта общая интерпретация транслируется в глобальное рабочее пространство, создавая условия для возникновения единого состояния сознания, одновременно дифференцированного и интегрированного.

Однако ТГРП не решает вопрос о механизме, который выполняет дифференцирование и интеграцию. Он лишь постулирует существование некоторого места, где находится функция. Но функционально-физиологическая схема не может объяснить физику и технологию, решающую проблему связывания.

Теория Интегрированной Информации Теория Интегрированной Информации (ТИИ) вводит зависящую от времени и состояния меру интегрированной информации — φ.Balduzzi, D; Tononi, G (2008). "Integrated information in discrete dynamical systems: motivation and theoretical framework". PLOS Comput Biol. 4 (6): e1000091. Bibcode:2008PLSCB...4E0091B. doi:10.1371/journal.pcbi.1000091. PMC 2386970. PMID 18551165. Высокие значения φ могут быть получены архитектурами сети, которые сочетают функциональную специализацию с функциональной интеграцией. Авторы считают φ полезной метрикой для характеристики способности любой физической системы интегрировать информацию. Теория обладает разработанным математическим аппаратом, но имеет высокую временную сложность. «Мера интеграции, предложенная ТИИ, вычислительно невозможна для оценки больших систем, растущих сверх-экспоненциально с повышением информационного содержания системы».Tegmark, Max (2016). "Improved Measures of Integrated Information". PLOS Computational Biology. 12 (11): e1005123. arXiv:1601.02626. Bibcode:2016PLSCB..12E5123T. doi:10.1371/journal.pcbi.1005123. PMC 5117999. PMID 27870846. Эти вычислительные проблемы в сочетании с изначально сложной задачей надежной и точной оценки сознания в экспериментальных условиях затрудняют проверку предсказаний теории. Несмотря на эти проблемы, исследователи пытались использовать меры интеграции и дифференциации информации для оценки уровней сознания у различных субъектов. Например, в одном исследовании удалось достоверно различать разные уровни сознания у бодрствующих, спящих, находящихся под анестезией или в коматозном состоянии людей.Casali, Adenauer G.; Gosseries, Olivia; Rosanova, Mario; Boly, Mélanie; Sarasso, Simone; Casali, Karina R.; Casarotto, Silvia; Bruno, Marie-Aurélie; Laureys, Steven; Massimini, Marcello (2013-08-14). "A Theoretically Based Index of Consciousness Independent of Sensory Processing and Behavior". Science Translational Medicine. 5 (198): 198ra105. doi:10.1126/scitranslmed.3006294. hdl:2268/171542. ISSN 1946-6234. PMID 23946194. S2CID 8686961. Но корреляция φ с разными состояниями может быть лишь отражением уровня эффективности сетевых взаимодействий.

Теорию критиковали за то, что она не ответила на основные вопросы, требуемые от теории сознания. Философ Адам Паутц сказал: «Пока сторонники ТИИ не ответят на эти вопросы, они не выложат на стол четкую теорию, которую можно оценить как истинную или ложную».Pautz, Adam (2019). "What is Integrated Information Theory?: A Catalogue of Questions". Journal of Consciousness Studies. 26` (1): 188–215. Предлагаемая метрика сознания φ «висит в воздухе» и не может быть ни подтверждена, ни опровергнута.

Один из основных вопросов, на который не может ответить теория, — это физический и вычислительный механизм, лежащий в основе интегральной меры информации. Таким образом, она не объясняет решение проблемы связывания, а лишь подтверждает, что мозг её решает с той или иной степенью успеха.

Теория Тысячи Мозгов