Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Hейронаука зародилась около 2500 лет назад – во времена Гиппократа. В то время многие (даже Аристотель) верили, что разум находится в сердце, но Гиппократ считал, что мысли, ощущения, эмоции и познание исходят от мозга.

Это был гигантский шаг, но чтобы глубже понимать мозг, потребовалось несколько веков его изучения и множество теорий. Была теория, согласно которой в мозге нет плотных тканей, но есть заполненные жидкостью полости, или желудочки. Вероятно, самый известный сторонник этой идеи – врач II века Гален. Он считал, что у человеческого мозга три желудочка, каждый из которых отвечает за одну из умственных способностей: воображение, разум и память. Согласно его теории, мозг управляет телом, перекачивая жидкость по нервам от желудочков к другим органам.

Авторитет Галена был столь велик, что представления о мозге долго находились в его тени, а жидкостные теории доминировали еще в XVII веке. Даже такие светила науки, как французский философ Рене Декарт, сравнивали мозг с гидравлическим механизмом. И все же в таком предположении был серьезный изъян: жидкость перемещается недостаточно быстро, поэтому теория не объясняет скорость наших реакций.

Ситуация изменилась, когда новое поколение анатомов стали изображать строение мозга с бóльшей точностью. Ведущим среди них был английский врач XVII века Томас Уиллис, который утверждал, что ключ к работе мозга – в его плотных тканях, а не в желудочках. Затем, 100 лет спустя, итальянские ученые Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта показали, что внешний источник электричества активирует нервы и мышцы. Это был очень важный вывод, благодаря которому появилось предположение, почему человек так быстро реагирует на события. И только в XIX веке немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон подтвердил, что нервы и мышцы сами генерируют электрические импульсы.

Так была подготовлена почва для современной эпохи нейробиологии, начавшейся с работы испанского анатома Сантьяго Рамона-и-Кахаля в начале ХХ века. Его исследования определили нейроны как структурную единицу мозга. Ученый обнаружил такое разнообразие форм нейронов, какого не наблюдается в клетках других органов. Но самое удивительное – оказалось, что у насекомых нейроны не проще, а иногда сложнее по строению, чем у человека. Следовал вывод, что наши способности зависят от того, как соединяются нейроны, а не от характеристик самих клеток. «Нейросетевой» подход Кахаля стал началом нового способа рассуждений об обработке мозгом информации, он господствует и сегодня.

Смонтирован, чтобы думать

В XIX веке, исследуя анатомию нейронов, Сантьяго Рамон-и-Кахаль предположил, что сигнал идет по нейронам в одном направлении. Тело клетки и его ответвления (дендриты) принимают информацию от других клеток. Обработанные данные поступают по длинному нервному волокну нейрона (аксону) к синапсу, где сообщение передается следующему нейрону (см. рис. 1.1).

Только в 1940–50-х годах было составлено детализированное описание процесса передачи электрических сигналов. Сегодня мы знаем, что информация передается в виде кратких импульсов – потенциалов действия – с небольшим напряжением (всего 0,1 вольта) и длительностью в несколько тысячных секунды. Такие импульсы быстро преодолевают огромные расстояния, развивая скорость до 120 м/с.

Путь нервного импульса завершается у синапса, где происходит выброс молекул нейромедиаторов, которые передают сигнал через разрыв между нейронами. Оказавшись на другой стороне, молекулы сразу запускают электрический сигнал на поверхности принимающего нейрона. И тогда нейрон либо посылает собственный сигнал, либо временно подавляет его, снижая вероятность реакции на другие входящие сигналы. Оба варианта важны для направления потока информации, из которой в конечном счете состоят наши мысли и чувства.

Рис. 1.1. Строение нейрона

Сложность нейронных сетей поразительна. Наш мозг содержит примерно 86 млрд нейронов, у каждого из них примерно 1000 синапсов. Если пересчитывать их по одному за секунду, не хватит и 30 млн лет.

В отличие от компонентов компьютера, наши нейронные сети гибкие благодаря особому классу нейромедиаторов – нейромодуляторов, которые по действию похожи на регуляторы громкости. Они меняют количество других нейромедиаторов в синапсе и степень реакции нейронов на входящие сигналы. Одни изменения отвечают на сиюминутные события, а другие перестраивают мозг надолго – считается, что так формируются воспоминания.

Многие нейромодуляторы действуют только на определенные нейроны, а другие способны проникать сквозь обширные участки тканей мозга и вызывать масштабные изменения. Например, оксид азота – настолько маленькая молекула (10-я из самых маленьких молекул), что легко перемещается от выбросившего ее нейрона. Она воздействует на принимающие нейроны и на количество выпускаемых ими с каждым импульсом нейромедиаторов, провоцируя изменения, необходимые для формирования памяти в гиппокампе.

Под воздействием множества химических передатчиков и модуляторов мозг постоянно меняется, позволяя нам учиться, меняться и адаптироваться к миру вокруг нас.

Мозг – это комок нейронов, но его ни в коем случае нельзя назвать неорганизованным. Развиваясь, любой мозг перед рождением приобретает характерную форму, которая, если отбросить детали, у всех нас примерно одинаковая. Существует множество способов структурного деления такого сложного объекта, поэтому у каждого участка мозга есть невероятное количество имен и описаний. Но проще всего выделить у мозга три области, каждая из которых отвечает за конкретный тип процессов.

Задний мозг

Как и следует из названия, задний мозг расположен у основания черепа, прямо над шеей. Сравнения различных организмов позволяют предположить, что это самая первая структура, сформировавшаяся из предшественников мозга у ранних позвоночных. У людей задний мозг состоит из трех образований: продолговатый мозг, варолиев мост и мозжечок.

Продолговатый мозг отвечает за многие виды рефлекторного поведения, которые поддерживают в нас жизнь: дыхание, регулирование сердцебиения, глотание и др. Нейроны этого участка пересекают мозг от одной стороны до другой и спускаются в спинной мозг, что объясняет, почему каждая половинка мозга контролирует противоположные части тела.

Чуть выше находится варолиев мост, связанный с такими жизненно важными функциями, как дыхание, ритм сердца, кровяное давление и сон. Он также играет значимую роль в управлении выражением лица и получении информации о передвижениях и ориентации тела в пространстве.

Рис. 1.2. Основные области мозга: задний и средний мозг

Самая выдающаяся часть заднего мозга – это мозжечок с характерной волнистой поверхностью и глубокими бороздами. Он богато снабжается сенсорными данными о расположении и передвижениях тела и может кодировать и воспроизводить информацию, необходимую для выполнения сложных навыков и движений мелкой моторики. Недавние исследования связали его с точной настройкой наших эмоциональных и познавательных навыков.

Средний мозг

Средний мозг задействован во многих физических движениях. Одно из его центральных образований – это черное вещество, названное так потому, что является богатым источником нейромедиатора дофамина, который после смерти окрашивает ткани в черный цвет. Так как дофамин важен для координации движений, говорят, что черное вещество «смазывает колеса движения». Помимо этого дофамин – нейромедиатор-«награда», необходимый для многих форм обучения, импульсивного поведения и формирования зависимости.

Другие участки среднего мозга связаны со слухом, обработкой визуальной информации, координацией движения глаз и регулированием настроения.

Передний мозг

Многие из наших уникальных человеческих особенностей возникают в переднем мозге, который быстро расширился во время эволюции наших млекопитающих предков. Он включает таламус – передатчик, который отправляет сенсорную информацию в кору головного мозга (внешнюю морщинистую часть) для более серьезной обработки;

гипоталамус, выпускающий гормоны в кровоток для их распределения по телу; миндалевидное тело, связанное с эмоциями; и гиппокамп, который играет основную роль в формировании воспоминаний.

Эволюционно недавно развились базальные ганглии, регулирующие скорость и плавность осознанных движений, начатых корой головного мозга. Связи на этом участке регулирует нейромедиатор дофамин, поступающий из черного вещества среднего мозга. Его нехваткой объясняют многие симптомы болезни Паркинсона, например замедленные движения, тремор и нарушение равновесия. Хотя лекарства, повышающие уровень дофамина в базальных ганглиях, облегчают состояние, лечение болезни Паркинсона нам все еще недоступно.

Кора головного мозга обволакивает полушария и, как считается, делает нас людьми. Здесь строятся планы, складываются слова и генерируются идеи. Здесь расположены творческий интеллект, воображение и сознание, формируется разум.

Рис. 1.3. Основные области мозга: передний мозг

По своей структуре кора – это цельный лист ткани, состоящий из шести морщинистых слоев, сложенных внутри черепа; если его расправить, он займет 1,6 м². Информация передается в кору и из нее по примерно миллиону нейронов, но внутри нее сформировано более 10 млрд связей, то есть значительную часть времени кора головного мозга разговаривает сама с собой.

Каждое полушарие коры имеет четыре основные доли (см. рис. 1.3). Лобные доли содержат нейронные связи для мышления и планирования и, как считается, отвечают за нашу индивидуальность. Затылочные и височные доли в основном заняты обработкой визуальной и слуховой информации соответственно. Теменные доли задействуют внимание и объединяют сенсорную информацию.

Исследования конкретных участков мозга и их деятельности дали очень много, но в последние годы нейроученые все чаще отказываются от описания мозга как совокупности участков, строго разделенных по функциям. Все чаще мозг понимают как нейронную сеть, которая связывает различные участки, давая в результате больше, чем просто сумму их частей. Зародился новый тип нейронауки – математика разума, способная раскрыть природу человеческого опыта.

Маленький мир, большие связи

Если выпрямить все нервные волокна мозга, они четыре раза обернутся вокруг земного шара. Внутри черепа они похожи на беспорядочный клубок проводов, но математики хорошо знают такую структуру – это один из видов сетей «тесного мира».

Характерная особенность сетей «тесного мира» – относительно короткий путь между двумя узлами. Яркий пример такой сети – «теория шести рукопожатий» между вами и любым человеком в мире. Между любыми двумя участками мозга среднее число ступеней столь же мало, а незначительные вариации объясняют уровнем интеллекта.

Похоже, структуры «тесного мира» делают коммуникацию между участками сети быстрее и эффективнее. В них относительно немного протяженных связей – всего одно из 25 нервных волокон соединяет отдаленные участки мозга, остальные связаны с близлежащими нейронами. Мартейн ван ден Хёвель из Университетского медицинского центра в Утрехте, Нидерланды, говорит, что длинные нервные волокна дорого выстраивать и содержать, поэтому организация по принципу сетей «тесного мира» может быть лучшим компромиссом между расходом ресурса и эффективностью передачи сигнала.

Однако протяженные соединения распределяются по мозгу неравномерно. Ван ден Хёвель и Олаф Спорнс из Индианского университета в Блумингтоне недавно открыли, что скопления таких соединений формируют прочный «каркас», по которому осуществляется коммуникация между дюжиной основных участков мозга (см. рис. 1.5). Каркас и эти участки мозга вместе называют «элитарным клубом», подчеркивая обилие связей.

Как говорит ван ден Хёвель, никто не знает, зачем мозгу «элитарный клуб», но, очевидно, он очень важен, раз проводит такой большой трафик. Поэтому нарушения в его работе грозят серьезными последствиями. «Развивается теория, что причиной шизофрении может быть проблема с интеграцией информации внутри узлов "клуба"», – говорит он. Улучшение трафика «элитарного клуба» может оказаться лучшим лечением, хотя сложно сказать, как этого добиться.

Схема соединений мозга позволяет быстро передавать информацию через несколько особенно хорошо связанных узлов (т. н. «элитарный клуб»), распределяя значительную часть трафика между участками

Возможно, эти участки очень важны для объединения всех мыслей и чувств в наш сознательный опыт

Рис. 1.5. 12 узлов «элитарного клуба» мозга

Сегодня совершенно понятно, что эта плотно переплетенная сеть – идеальная платформа для нашей умственной гимнастики, и она формирует фон для многих других математических принципов, стоящих за нашими мыслями и поведением.

Грань хаоса

Высокая степень соединений в мозге полезна, но есть и потенциально слабые стороны. Так как каждый нейрон связан с сетью «тесного мира», электрические сигналы могут быстро и широко распространяться, запуская каскад реакций других клеток. Теоретически такие реакции способны породить хаотичную лавину, вызвать приступ и временно вывести мозг из строя.

К счастью, вероятность этого невелика – за всю жизнь подобный приступ переживает лишь около 1 % населения. Мозг поддерживает здоровое равновесие – притормаживает сигналы нейронов, чтобы не допустить хаотичного переполнения, но при этом не останавливает весь поток.

Понимание того, как мозг достигает золотой середины, пришло в 1970-е годы, когда Джек Коуэн из Чикагского университета предположил, что равновесие представляет собой состояние, хорошо известное физикам-теоретикам как критическая точка или «грань хаоса». Он считает, что каскады разряжающихся нейронов, или «нейронные лавины» – это моменты, когда клетки мозга временно проходят критическую точку и затем возвращаются в состояние покоя.

Лавины, лесные пожары и землетрясения также подчиняются правилам систем, оказавшихся в критической точке, и все они имеют некоторые общие математические характеристики. Главная из них – степенной закон распределения, согласно которому серьезные землетрясения или лесные пожары происходят реже, чем мелкие, в соответствии со строгим математическим соотношением; например, вероятность землетрясения, которое в 10 раз сильнее, обратная – одна десятая.

В 2003 году Джон Беггз и Дитмар Пленз из Национального института психического здоровья, США, проверили, работает ли этот закон для мозга. И действительно, они обнаружили, что в мозге крыс разряжающийся нейрон передает сигнал в среднем только одному соседу, как в системе на грани хаоса. Происходят и крупные нейронные лавины, но чем крупнее их масштаб, тем реже вероятность, – в соответствии со степенным законом распределения.

Сравнение изображений фМРТ с учетом такой теории позволяет предположить, что подобный тип активности на грани хаоса существует и в гораздо более крупном масштабе – по всему мозгу человека. Более того, судя по компьютерным моделям, это может быть следствием структуры «тесного мира».

Балансирование на грани хаоса возможно и рискованно, но считается, что критическое состояние дает мозгу максимальную гибкость – ускоряет передачу сигнала и позволяет быстро корректировать деятельность при изменении ситуации. Исследователи начинают задумываться, не являются ли некоторые расстройства, например эпилепсия, результатом нарушения этого тонкого равновесия. «Возможно, именно это нужно для здоровья мозга, как есть здоровый ритм сердца и здоровое кровяное давление», – сказал Беггз.

Идеи: борьба за выживание

Когда ваш разум перескакивает с одной мысли на другую, кажется, что за ваше внимание постоянно борются десятки чувств и идей. И это на удивление близко к истине: сражение нейронных сетей действительно похоже на борьбу за выживание между хищными видами и их добычей. Возможно, ваш отвлекающийся разум – побочный продукт этого процесса.

Михаил Рабинович и Жиль Лоран, работая в Институте исследований головного мозга им. Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, Германия, первыми заметили, что нейронная активность колеблется наподобие волны. Они изучали нейроны органа насекомых, который по функциям соответствует обонятельной луковице, обрабатывающей запах. Ученые предполагали увидеть так называемое привыкание – спад активности после обнаружения нейроном запаха. Но время шло, а показатели колебались вверх и вниз.

Приглядевшись повнимательнее, Рабинович заметил, что график активности подозрительно похож на схему взаимодействия хищников и добычи, описанную математиками Альфредом Лоткой и Вито Вольтеррой в начале ХХ в. Согласно этой схеме, когда хищники практически исчерпывают запас добычи, они голодают и частично вымирают, что позволяет добыче восстановиться. Как только добычи вновь становится достаточно, цикл начинается сначала.

Рабинович говорит, что нечто похожее происходит и в мозге. Однако здесь борьба идет не между соперниками, а между когнитивными сочетаниями, формирующими мысль. Каждое из них получает лишь ускользающее превосходство, и это может объяснить знакомый опыт блуждания мыслей.