Супермозг

Ученые обнаружили кратеры на луне за десятилетия до того, как узнали, что мозг подразделяется на участки. Исследование этой хорошо спрятанной «контрольной башни» – структуры головного мозга – было сложным по нескольким причинам. Первые исследователи структуры головного мозга должны были давать названия тому, что находили, не зная, что выполняет каждый участок головного мозга. Пионеры каждой области цеплялись за те сходства, которые могли найти. Участкам головного мозга давали имена в честь того, на что они были похожи, или по их позиции в структуре головного мозга и облагораживали эти названия латинским (греческим, французским или английским) переводом. Таким образом, мы имеем:

• Гиппокамп – в переводе с греческого означает морской монстр – из-за его закругленной формы.

• Кора головного мозга – выглядит, как сморщенная кора дерева.

• Дендрит – в переводе с греческого означает дерево – так названо из-за всех его ответвлений.

• Мозжечковая миндалина – так названа из-за своей формы.

• Глиальные клетки – в переводе с греческого означает клей – так названы из-за роли, которую сначала им приписывали.

Внешний вид головного мозга не дает нам никакого представления о том, на какую поразительную работу он способен и какой это на самом деле удивительный источник мощи. Мы можем оценить сложное извилистое строение головного мозга только рассматривая живого, функционирующего человека, и это стало возможным только в последние десять лет, когда улучшились технологии по построению изображения головного мозга. Электрические микроскопы дают ученым возможность взглянуть на мельчайшие клетки головного мозга, и замысловатая техника окрашивания позволяет проследить сложную связь, формируемую между клетками и их длинными соединениями. Нам уже не нужно думать о головном мозге как о черном ящике, в который мы не можем заглянуть.

Предпринималось несколько попыток, для того чтобы измерить объем информации, которую он может сохранять. По одному из таких методов предполагалось, что головной мозг может обрабатывать один бит информации в секунду при чтении, так что если мы умножим количество секунд в человеческой жизни на количество нейронов в головном мозге, мы придем к результату, который будет составлять невообразимо огромную сумму! В настоящее время считается, что объем информации, которую мозг способен выучить, ограничивается только вниманием, усталостью, настроением и стрессом.

У нас бы не было хорошей памяти, или вообще какой-либо памяти без головного мозга. Как может такая голова, наполненная белками, липидами и углеводами, зажечься искрой мысли и планов и послать исследовательскую беспилотную космическую станцию к Юпитеру, написать Декларацию Прав Человека или посмеяться с друзьями? В этой главе мы быстро пробежимся по некоторым аспектам, которые открыла наука о головном мозге, и проследим, как наш поразительный головной мозг организует и распределяет воспоминания.

Физические характеристики

Головной мозг обычного взрослого человека весит примерно 1,25 килограммов. Он мягкий и гибкий под своей костяной оболочкой черепа. Различие в размере головного мозга не влияет на то, насколько умен человек. (Эйнштейн – один из величайших мыслителей 20 века – не отличался большой головой.) Сила памяти основана на сложных соединениях между нервными клетками, а не только на том, сколько их.

Головной мозг по форме напоминает лесной орех, разделен на два полушария, соединенных посередине толстым пучком нервных волокон, которые называются «мозолистое тело». Под полушариями находиться мозжечок и ствол мозга, который продолжается до основания черепа и переходит в спинной мозг. Мозжечок и ствол мозга – это составные части того, что называется «старым мозгом» (старым в эволюционном смысле), который отвечает за основные функции тела, такие, как контроль над дыханием, сном и передвижением.

Как кора деревьев, поверхность головного мозга покрыта морщинами и извилинами, ему как бы мало места там, где он находится. Если его растянуть, он был бы размером с чайное полотенце. (Полотенце для протирки чайной посуды, обычный размер 20 на 30 дюймов.) Эта поверхность называется корой головного мозга, она составляет всего лишь 2 миллиметра в толщину и плотно покрыта микроскопическими клетками, которые придают розово-серый цвет поверхности головного мозга. Под корой головного мозга находится плотно расположенное белое вещество, которое служит для связи коры с другими клетками.

Виды клеток

Головной мозг состоит из сотни видов различных клеток. Сотни биллионов этих клеток – это нейроны, которые являются эпицентром обработки информации мозгом. Они бывают различных форм и размеров, но обычно представляют собой клеточное тело с ядром, множеством ответвлений, которые называются дендритами, последние получают сигналы от других клеток, и длинное ответвление, которое называется «аксон», передающий сигналы к другим нейронам.

В головном мозге находятся также менее известные, чем нейроны, но более многочисленные клетки. Их тысяча биллионов, т. е. в десять раз больше, чем нейронов! Это так называемые глиальные клетки, меньшие по размеру, чем нейроны, которые несут важную функцию защиты и ухода за нейронами, поднося им питательные вещества и убирая продукты жизнедеятельности и мертвые клетки. Они вырабатывают важное вещество, называемое «миелин», которое изолирует нейроны и облегчает их работу. Процесс покрытия клеток оболочкой в основном оканчивается к восьми годам и полностью завершается к двадцати пяти годам.

Гематоэнцефалический барьер: клеточная стенка

Головной мозг входит в сосудистую систему организма с мельчайшими капиллярами вокруг нейронов. Каждый нейрон хорошо защищен маслянистой двойной мембраной, состоящей из жиров холестерина и лецитина. Внутри стенки находятся различные белки, которые переносят питательные вещества и кислород из капилляров через стенку к ядру клетки. Эта стена называет «гематоэнцефалический барьер». Он очень избирателен в том, какое вещество можно пропустить, включая и потенциально полезные медикаменты. Как пошутил один комментатор, принимать добавки, чтобы помочь клеткам головного мозга, – это все равно что пытаться помочь стране с недостатком горючего, летая над землей и сбрасывая на нее баночки с бензином.

Белки

Слово «белок» знакомо нам в значении «вид пищевых продуктов», но это именно то вещество, которое составляет нашу жизнь. Белки составляют аминокислоты (которые представляют собой 20 основных форм) в различных конфигурациях. Существует бесчисленное количество белков, каждый из которых имеет свою функцию. Они составляют стенки клеток; они действуют как ферменты (фермент – это катализатор, который вызывает изменения в других веществах); они также являются нейротрансмиттерами, химическими посредниками головного мозга.

Белки бывают различных размеров. Например, пептиды – это очень маленькие белки, и некоторые из них действуют как нейромодуляторы, химические датчики, которые прикрепляют сенситивность клеток к другим нейротрансмиттерам, как, например, при управлении болью. Другие протеины – очень большие, такие, как гликопротеины, – располагаются на внешней поверхности мембраны клетки в синаптической щели между двумя нейронами и принимают поступающую информацию от соседних клеток. Считается, что гликопротеины оказывают помощь в процессе превращения кратковременных воспоминаний в долговременные.

Гены и хромосомы

Каждый нейрон несет с собой полный набор инструкций, для того чтобы делать белки, которые ему нужны (как и все другие клетки). Новый белок делается из соединения аминокислот, которые присоединяются одна к другой, как бусинки в ожерелье. Таким образом, инструкции по составлению белка представляют собой нужную последовательность аминокислот. Гены – и есть эти самые инструкции.

Фабрика Лего

Представьте себе фабрику, которая берет конструктор Лего и строит из него машины, домашние принадлежности, компоненты для фабрики, строительные материалы и все остальное необходимое для общества Лего. На этой фабрике есть сто тысяч планов, один для каждого приспособления, которое она строит, включая планы для своих собственных станков и роботов-рабочих, так что она может починить свои станки и построить новые, когда возникнет необходимость. Фабрика лего даже может сделать полную репродукцию самой себя. Что поразительно, так это то, что фабрика Лего почти полностью построена из деталей Лего и некоторых простых компонентов, которые доставляются к ее дверям.

Клетки похожи на фабрики, которые вырабатывают белки. Детали Лего – это аминокислоты (составляющие, из которых строятся белки), планы – это гены, а собранные приспособления – это белки, которые нужны, чтобы организм функционировал.

Гены кодируются в длинных нитевидных молекулах, которые называются ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). У людей 23 пары молекул ДНК (хромосом), которые образуют две спирали. Хромосомы в свернутом виде находятся в ядре клетки.

Воспроизводить протеины очень важно для жизни клетки, молекула ДНК раскручивается, подключается определенный ген (это означает, что его инструкции копируются), и ДНК снова сворачивается. Копия инструкций выносится за ядро к структурам, которые соединяют соответствующую последовательность аминокислот, и образует из аминокислот белок.

Каждая клетка содержит полный набор генов для своего организма, но активизирует лишь небольшое количество из этого набора. Таким образом, есть гены, которые могут никогда не использоваться или использоваться только в некоторых клетках, при определенных обстоятельствах. Гены дают наследственность из возможных белков, но только сама клетка определяет, какой ген подключить, а какой отключить в определенный момент, при определенных обстоятельствах, в которых она находится. Эти обстоятельства – результат окружающей среды, которую выбирает человек, – его питание, физические упражнения и образ жизни.

За годы своей службы гены могут испортиться по разным причинам, например, в процессе сворачивания и разворачивания хромосом или из-за вирусов и свободных радикалов (побочный продукт при окислении). Результатом поврежденных генов может быть вырабатывание анормальных протеинов, которые могут повредить клетку, привести к ее смерти или к бесконтрольному клеточному воспроизведению, формирующему рак. В клетке происходит множество процессов, которые могут исправить или ограничить ущерб, наносимый поврежденными генами. Одна из причин, по которой антиоксиданты так важны для здоровья, – это их роль защитников, не дающих свободным радикалам повредить ДНК.

Клетки и сети из клеток в работе

Если бы мы могли увидеть головной мозг в работе, перед нами предстала бы разветвленная система кровеносных сосудов, где кровь качается через артерии в маленькие капилляры, которые питают каждую клетку головного мозга. Живой мозг – это также постоянная смесь из электрических импульсов и химических сигналов, каждый нейрон – это крошечный огонек в организованном хаосе мыслей. Технологии по изображению головного мозга пользуются этой непрекращающейся деятельностью, используя различные методы записи, для того чтобы измерить, какие нейроны и участки головного мозга наиболее активны при реакции человека на определенную умственную задачу.

Во всем этом невообразимом рое какие части нашего мозга отвечают за наши мысли, чувства и воспоминания?

Импульс – действие – мысль

Головной мозг управляет тем, что мы делаем и о чем думаем, посылая и принимая электрические импульсы и химические сигналы между отдельными нейронами и группами нейронов. Мысли кодируются возбуждением нейрона, которое состоит в испускании небольшого электрического сигнала. Импульсы передвигаются по нейронам со скоростью 100 метров в секунду (360 километров в час) – в шесть раз быстрее, чем скорость, с которой разрешается ездить в черте города.

Постоянное хранение воспоминаний осуществляется в нейронах, образующих определенные модели, и зависит от того, как они физически связаны друг с другом, а также от силы их связи друг с другом. Нейроны с короткими аксонами связываются с соседними клетками, а те, у которых более длинные аксоны, связываются с нейронами в других участках.

Синапс

Аксоны одного нейрона связываются с дендритами другого на небольших промежутках, называемых синапсами, которые играют роль как в передаче мыслей, так и в хранении долговременных воспоминаний. Для плавного течения мысли импульс должен перейти от одного нейрона к другому, но через синапсы не могут пройти электрические сигналы. Длина синапса составляет всего лишь 20 нанометров (нанометр – это миллионная часть метра), но, как и в лампочке с порванной нитью накаливания, небольшие электрические сигналы, вырабатываемые нейронами, не могут пересечь это пространство, несмотря на то что оно очень мало. Нейроны преодолевают эту трудность, превращая электрические сигналы в химические импульсы. Посылающая сигнал клетка высвобождает нейротрансмиттер, одну из очень многих химических молекул, которая переходит через синаптическую щель и прикрепляется к рецептору молекулы принимающего нейрона. Этот процесс напоминает передачу палочки в эстафетном беге.

Синапсы – это локализация памяти, именно они отвечают за то, как быстро и легко нейроны передают друг другу информацию. Процесс похож на строительство брода через реку. Если каждый человек, который успешно переходит через реку, оставляет после себя камень, то с течением времени переход становится быстрее и легче. Для того чтобы сделать изменения в синапсе постоянными, вырабатываются новые протеины, и физическая структура совершенствуется. В конечном итоге, гены – это инструкции по образованию белков, которые фиксируют воспоминание в головном мозге. Когда мы вспоминаем событие из прошлого, создаются новые белки – это означает, что воспоминание с течением времени постоянно слегка изменяется.

Удивительно, но электрические импульсы, которые вырабатывают нейроны, необыкновенно стереотипны. Вся система напоминает электричество в доме. На кухне оно включает тостер, в зале оно включает телевизор. Электричество одно и то же независимо от того, в какой части дома его используют. Подобным образом импульс нейрона важен только из-за модели соединений, которые нейрон образует с другими нейронами и с частями тела. Соедините нейрон с мышцей руки, и рука получит сигнал. Если бы тот же самый нейрон был соединен со ступней, его получила бы ступня.

Нейротрансмиттеры

Мы описали нейротрансмиттеры как химические молекулы, функция которых – переносить электрические импульсы через синаптическую щель. Они также распространяются по всему головному мозгу, перенося сигналы к рецепторам в различные участки. Многочисленные скопления синапсов, так же как и классические синапсы, описанные выше, могут принимать сигналы, которые распространяются в любом направлении или использовать рассеянное распределение нейротрансмиттеров.

Было открыто около 80 нейротрансмиттеров, которые доставляют разную информацию к клеткам. Например:

• Ацетилхолин играет ключевую роль в состояниях сна, пробуждения и бодрствования, важен для внимания, обучения и памяти. Его дефицит вызывает нарушение работы памяти.

• Серотонин известен как химическое вещество «хорошего расположения духа». Он влияет на настроение, и высокий уровень содержания серотонина считается причиной безмятежности и оптимизма. Он связан со многими различными умственными процессами, включая боль, аппетит, сон и кровяное давление.

• Глутамат – главный возбудительный нейротрансмиттер. Он важен для долгосрочной памяти и, возможно, также для организации нейронов в большие соединения.

• Допамин конролирует уровень пробуждения, а также задействован в воспроизведении физических движений, эмоций и внимания. Когда его уровень низкий, люди не могут совершать произвольные движения, а когда он высокий, человек испытывает эйфорию.

• Норадреналин повышает уровень физической и ментальной активности, и активизируется посредством стресса. Он повышает сердечный ритм и кровяное давление и замедляет кишечную деятельность, готовясь к немедленным действиям. Когда стресс проходит, вместо него высвобождается ацетилхолин.

Как ясно из этих нескольких примеров, ни один из нейротрансмиттеров не ограничивается единичной функцией. Скорее, каждый из них принимает участие в осуществлении нескольких функций и любая из этих функций, как, например сон, зависит от нескольких нейротрансмиттеров. Каждый нейротрансмиттер вырабатывается определенной разновидностью клеток, однако у каждой из клеток имеются разные виды рецепторов, которые позволяют им образовывать определенные связи по всему головному мозгу.

Неправильное функционирование в этой сфере случается, когда присутствует слишком много или слишком мало нейротрансмиттеров. Например, слишком маленькое количество допамина считается причиной болезни Паркинсона, а слишком большое его количество приводит в шизофрении. Низкий уровень ацетилхолина – характерная черта болезни Альцгеймера.

Такие наркотики, как ЛСД и морфий, имеют структуру, подобную передающему датчику. Они прикрепляются к постсинаптическому рецептору и мешают нормальному функционированию нейротрансмиттеров.

Системы

К тому времени как мы становимся взрослыми, наш умственный ландшафт становится настолько индивидуальным, что ни одна пара людей не воспринимает ни одной вещи одинаково.

В предыдущих разделах я рассказал, что нейроны – это основные аппараты мышления, а воспоминания в конечном итоге сохраняются в виде белков в синапсах между нейронами. Однако отдельный синапс или даже отдельная клетка сама по себе не несет смысла точно так же, как не несет смысла единственная цветовая точка на экране телевизора или компьютера. Только совокупность этих точек образует картинку, которая имеет для нас смысл. Подобным образом определенная модель нейронов создает мысль. Когда у нас возникает другая мысль, активизируется другой набор нейронов. Постоянная изменчивость головного мозга означает, что одна и та же модель никогда не повторяется.

Нейроны с подобными функциями группируются в колонны, которые выступают на два миллиметра сквозь толщину коры головного мозга. Один нейрон сам по себе не имеет практически никакого влияния, не сможет даже заставить нас глазом моргнуть!29 Для того чтобы осуществить какое-нибудь действие, нейрон должен активизироваться вместе с сотней своих коллег. «Каждая из 100 биллионов нервных клеток может таким образом соединиться со 100 000 других нервных клеток. Невообразимое количество!»

Нейроны соединяются с огромной системой взаимосвязанных клеток. Эти системы имеют замысловатые соединения, как телефонная система, которая может выглядеть запутанной и не подчиняющейся никакому порядку, но на самом деле их связь осуществляет четко определенные функции. Нейроны могут связываться с другими нейронами в том же самом участке или с нейронами в других участках.

Эдна

Новые невральные соединения образуются при поступлении каждого отрезка информации, головной мозг на них реагирует, и старые модели перестраиваются в более новые. Этот процесс напоминает постоянный, неугомонный, многоаспектный разговор между различными участками головного мозга. Именно эти соединения возникают, когда изучается что-то новое или упрочняются старые воспоминания.

Формирование нейронов в головном мозге оканчивается перед рождением. Есть большая потребность в нейронах, и те нейроны, которые не начинают активный процесс образования систем, выталкиваются теми, которые энергично разрастаются.

В раннем детстве происходят стремительный рост ответвлений и образование связей и соединений, отчасти диктуемые генетическим кодом каждой клетки, но также и зависящие от индивидуального опыта каждого ребенка. Система продолжает развиваться на протяжении всей нашей жизни.

Различные участки для различных воспоминаний

Где в головном мозге хранятся наши воспоминания? Мы знаем, что в конечном итоге синапсы между нейронами записывают события нашей жизни, но какие нейроны? Являются ли они все одинаковыми и может ли любая информация храниться в любом месте?

Оказывается, что в головном мозге имеется много участков, у каждого из которых своя роль, но все они делают свой вклад в то, как мы воспринимаем и запоминаем события, информацию и умения.

Не существует одного участка головного мозга, который бы отвечал за память, а в представлении каждого отдельного события принимают участие многие участки головного мозга… Современная точка зрения на память состоит в том, что различные области хранят различные аспекты целого. В этих участках практически не бывает дублирования функций. Определенные отделы головного мозга имеют определенные функции, и …каждый делает свой вклад в хранение целых воспоминаний.

Каков в точности баланс между специализацией и взаимосвязью, ученые узнают постепенно, а мы можем лишь сравнить головной мозг с оркестром, а память – с симфонией. Ни один инструмент и даже несколько подобных инструментов не могут сыграть симфонию самостоятельно. Каждый музыкальный инструмент играет свою партию, а все вместе они создают объединенное целое.

Левое и правое полушария

Как тело практически симметрично, так же и два полушария головного мозга представляют собой практически зеркальное отображение друг друга. Правая часть полушария контролирует левую сторону тела, а левая часть полушария – правую сторону тела. Полушария соединены толстым сплетением нервных волокон, называемых мозолистым телом, которое проходит в средней части головного мозга. Человек не может полноценно функционировать, если любое из полушарий сильно повреждено (если только травма не была нанесена в раннем детстве, когда все еще существует гибкость в невральных сплетениях).

Полушария имеют небольшие различия в ментальных функциях: так левое полушарие специализируется на языках, а правое – на пространственном воображении. У левшей латерализация может быть обратной. Согласно современной точке зрения, головной мозг был изначально практически полностью симметричным и использование орудий труда и языка были основными силами в латерализации головного мозга древнего человека.

Каждое полушарие, по-видимому, имеет своеобразный способ обработки информации, и левое полушарие более аналитическое, а правое – более холистическое. Интересно заметить, что восприятие музыки часто осуществляется латерализацией для языка. Изображения мозга музыкантов записывались в течение нескольких лет их тренировок. В первое время не обучавшиеся любители музыки слушали ее более холистично, используя сенсорное восприятие и эмоции, наиболее активным было правое полушарие. По прошествии времени и по ходу их обучения, аналитические левые области головного мозга становились более доминантными, когда они слушали музыку. Язык глухонемых также интригует, так как он активизирует те же области мозга левого полушария, что и речь, хотя слова в языке для глухонемых визуально-пространственные, а не слуховые.

Некоторые авторы говорят о том, что полушария соперничают друг с другом, другие используют слово «кооперация». Они соперничают в том смысле, что то одно из них, то другое распоряжаются при определенных ситуациях. В противном случае возникла бы путаница, которая, как считается, происходит, когда мы запинаемся. Эту ситуацию можно представить себе так: каждая из двух половинок занимается своей любимой работой и информирует другую половинку о том, что происходит. Оба полушария используются в таких случаях как при использовании инструментов и в ходе другой физической деятельности.

1. Левое полушарие.

Контролирует правую часть тела, а также аналитическое мышление и символические процессы, например:

• Язык, язык глухонемых.

• Логика.

• Числа.

• Последовательность.

• Чтение.

• Письмо.

2. Правое полушарие.

Контролирует левую часть тела, а также холистическое мышление, например:

• Визуализация и кодирование увиденного.

• Воображение.

• Цвета.

• Жесты рук.

• Мелодия и ритм музыки.

• Звуки окружающей среды.

• Автобиографическая память.

• Узнавание лиц.

3. У каждого полушария есть своя работа, которой оно занимается, полушария делятся информацией друг с другом.

В целом оба полушария по-разному думают: левое полушарие строит планы, преследует их и имеет тенденцию игнорировать или отрицать противоречия, которые не вписываются в общие идеи, а правое ищет несоответствия и больше похоже на адвоката дьявола. Преобладание того или иного типа мышления меняется по нескольку раз за период в несколько часов.

Существует простой способ, истоки которого восходят к античности и посредством которого можно определить, какая сторона головного мозга в данный момент доминантна. Дыхание контролируется обоими полушариями, но обычно одно из них главенствует. Для того чтобы определить, какое из них активнее, закрывайте каждую ноздрю по очереди и определите, какая из них дышит свободнее. Если головной мозг слишком занят перед сном, обычно правая ноздря более широко открыта, и это означает, что левое полушарие, ориентированное на детали, осуществляет контроль. Некоторые сторонники отличий левой/правой части головного мозга, как, например, Анжела Бут, приписывают еще большие различия левому и правому полушарию:

«Если я нахожусь под контролем моего левого полушария, я не хочу писать. Я хочу отложить это занятие и почитать журнал или проверить свою почту. Если мне надо начать писать немедленно, я закрою правую ноздрю и сделаю десять вздохов, что переведет мое дыхание в режим доминирования левой ноздри, и, таким образом, контроль будет осуществлять мое правое полушарие».

Четыре доли головного мозга

Каждое полушарие головного мозга делится на четыре доли, которые играют определенную роль в осуществлении функций памяти и мышления в целом. Кора головного мозга – это внешний слой каждой доли, состоящей из выпуклостей и впадин (так называемых извилин и борозд), которые одинаковы у большинства людей, хотя нет двух людей с одинаковым головным мозгом.

• Зрительные доли находятся в задней части головного мозга. Они занимают 70 процентов сенсорных областей головного мозга, и в каждом из них 30 различных подразделов, которые используются для того, чтобы понять визуальный мир в отношении движений, цвета и формы.

• Теменные доли располагаются в передней части зрительных долей. Они отвечают за осязание, боль, температуру и проприоцепцию (где вы находитесь в пространстве), и в каждой доле имеется особая область, которая называется «соматосенсорная кора» и отвечает за все сенсоры организма. Во время операции на головном мозге, если нейроны на любом месте соматосенсорной коры стимулируются электрическим импульсом, человек чувствует, как будто кто-то дотронулся до соответствующей части его тела.

• Височные доли находятся под теменными долями. Они обрабатывают слуховую информацию (высоту и ритм), решая, является ли она речью, музыкой или шумом, а левая височная кора головного мозга помогает переводить слова в мысли. Глубоко в каждой височной доле находятся гиппокамп и связанные с ним структуры, отвечающие за эпизодическую память.

• Лобные доли находятся в передней части мозга и составляют одну треть от его общего размера. Большая извилина отделяет их от теменных долей. Они задействованы в реализации задуманного, включая планирование, суждение, принятие решений и контроль над моторикой. И на правой, и на левой лобной долях находятся двигательные области коры головного мозга, которые отвечают за все движения, подобно соматосенсорной области, за исключением того, что ей подчиняются мышцы, но ею не осуществляется восприятие всей информации, сообщаемой нам органами чувств. Если нейроны на любом месте этой области стимулировать электрическим сигналом, соответствующая мышца сократится. В самой передней части головы находится предлобная кора головного мозга, которая отвечает за сохранение концентрации во время выполнения задач, связанных с рабочей памятью, через петлю обратной связи с другими областями головного мозга. Предлобная кора головного мозга также считается ответственной за создание своей точки зрения через постоянный обмен с лимбической системой.

Исследования показали, что те части головного мозга, которые мы чаще всего используем, пополняют ряды нейронов и увеличиваются в размере. В одном эксперименте добровольцы совершали ряд движений пальцами, и после длительной тренировки они могли выполнять последовательность движений в два раза быстрее. Особый интерес представляет участок двигательной области коры головного мозга, который активизировался при выполнении задания. Он увеличился в размере и оставался таким же большим в течение нескольких недель. Подобным образом исследование, в которых участвовали водители такси, показало, что у них увеличен участок головного мозга, задействованный, как считается, в кодировании пространственного картирования. И более увеличена эта область была у тех водителей, которые дольше работали по этой профессии. Эти исследования показали, что когда мы тренируемся в выполнении какого-либо умения, головной мозг в буквальном смысле отдает больше сил решению этой задачи.

Когда используются технологии по получению изображения головного мозга, для того чтобы узнать, какие области активизируются, когда выполняется определенная умственная задача, тесты обычно показывают главную зону и, возможно, несколько других активных зон. Информация может распределяться через несколько различных областей.

Семантическая память

Семантическая память, по-видимому, следует общему принципу, по которому часть головного мозга, которая больше всего задействована в изучении некоторой информации, является, скорее всего, тем местом, где хранятся долговременные воспоминания. Таким образом, знания об объектах, которые мы получаем через их внешний вид, например, о животных или растениях, хранятся в областях, связанных с визуальным восприятием, в то время то, о чем мы узнаем через наши действия, например, умение владеть определенным инструментом, хранится в участках двигательной области коры лобной доли головного мозга.

То, как мозг запоминает слова, представляет интерес, потому что мы и слышим, и произносим их. Наиболее активны при обработке слов две зоны левого полушария, одна из которых находится в слуховой области (так называемая зона Вернике, связанная с значением слов), а другая – в лобной коре (так называемая зона Брока, связанная с грамматикой). Люди, которые хорошо говорят, но имеют трудности с пониманием устной речи, скорее всего, имеют проблемы с зоной Вернике. И наоборот: когда мы точно знаем, что хотим сказать, но не можем построить грамматическое предложение, чтобы выразить свои мысли, дело, скорее всего, в зоне Брока.

Центральной проблемой, о которой говорили респонденты в нашем опросе, была забывчивость на имена. Как уже рассматривалось выше, все доли головного мозга задействованы в семантической памяти (включая имена людей и все, что мы о них знаем). То, что различные области используются для извлечения семантических знаний, объясняет тот факт, что мы видим человека и знаем, кто он такой, но все же не можем припомнить звуки его имени. Имя хранится в отдельной от другой информации зоне, которая недостаточно сильно активизируется. Это также объясняет, почему имя может внезапно всплыть, когда мы начинаем вспоминать другую информацию об этом человеке. Области взаимосвязаны, и активность в одной области может вызвать возбуждение тех областей, в которых хранятся связанные с первой областью сведения.

Когда мы переходим в преклонный возраст, происходит потеря нейронов на различных участках головного мозга, индивидуальная для каждого человека. Трудность в том, чтобы выполнять несколько дел сразу, может возникнуть из-за невозможности синхронизации, которая необходима для того, чтобы каждая зона «разговаривала» с другими. Временами мы чувствуем, что немного не согласуемся сами с собой, возможно, становимся более неуклюжими или медлительными, чем обычно. Скорее всего, это сбои в синхронизации. Но через некоторое время мы становимся более оживленными и мозг начинает нормально работать (например, после того как выпьем первую чашечку чая или кофе или подвигаемся и улучшим циркуляцию крови).

Эпизодическая память

Эпизодическая память отличается от семантической, потому что описывает конкретные случаи и, таким образом, информацию об увиденном и услышанном, которое должно ассоциироваться с местом и временем.

Гиппокамп, лобная кора и миндалевидное тело головного мозга – все они участвуют в соединении компонентов эпизодического воспоминания в единое целое. Многое еще неизвестно о сложных деталях этого процесса, но вполне возможно, что используются специфические обороты обратной связи. Для того чтобы осознавать событие, должны быть активными височные доли. Из показаний оборудования, фиксирующего построение изображений головного мозга, мы знаем, что когда эпизод кодируется, левая лобная кора более активна, но когда мы вспоминаем событие позже, активной становится правая лобная кора.

Когда мы не можем вспомнить, кто рассказал нам что-то интересное, проблема, возможно, возникла из-за того, что лобная кора не может извлечь соответствующий контекст для этой информации, например, где и когда мы слышали эту историю. Фрагменты воспоминаний часто могут отсоединяться от своих истинных источников и присоединяться к другому событию или сливаться с другими событиями.

Правая предлобная кора также необходима для сохранения внимания и целенаправленных действий, особенно если вас что-то отвлекает. Если вас что-то отвлекло и вы потеряли ход мыслей, считается, что это произошло из-за медленной волны электрической активности, которая проходит через лобную область. Медленная волна длится долю секунды и нарушает работу внимания. Такое случается нередко и учащается с возрастом. Возможно, это происходит из-за помех в системе нейронов, которые отвечают за внимание.

Эмоциональное наполнение воспоминаний

События несут в себе эмоциональную значимость. Изучалась роль миндалевидного тела при обстоятельствах, вызывающих страх и навязчивые воспоминания, которые людям хотелось бы забыть. Оно состоит из многочисленных участков, которые координируют реакцию организма на страх, например, повышенное сердцебиение, скованность движений и замедление пищеварения. Некоторые из них могут быть связаны с общим уровнем тревожности, другие вызывают ответную реакцию («приведение в боевую готовность») на определенные ситуации. Миндалевидное тело влияет на выделение таких гормонов, как адреналин и кортизол.

Мы можем вздрогнуть при громком звуке, а затем быстро расслабиться, понимая, что ничто нам не угрожает. Это происходит потому, что информация о происходящем поступает к миндалевидному телу двумя путями. Один путь обеспечивает сравнительно прямой маршрут от органов чувств, занимающий примерно 12 миллисекунд. Другой путь проходит через кору головного мозга и доносит более точную информацию, но занимает в два раза больше времени.

Имплицитная память

Для имплицитной памяти используются все участки головного мозга. Та часть имплицитной памяти, которая называется праймингом, может рассматриваться как «разминка» сенсорной системы в определенных областях: зрительный прайминг в первичной и вторичной зрительных зонах, звуки в слуховых зонах и осязание в соматосенсорной зоне. Если невральная система области недавно находилась в возбужденном состоянии, она не сразу утрачивает активность, что помогает ей быстрее отреагировать позднее. Слова, которые вы недавно слышали, будут узнаны и названы быстрее, чем те, что не упоминались некоторое время.

Другие аспекты имплицитной памяти активизируют отдельные области. Когда мы впервые обучаемся новому умению, такому, как набирать текст на печатной машинке или компьютере, танцевать или играть в гольф, мозжечок («малый мозг», находящийся под зрительной долей) играет важную роль в координации движений и времени, которое требуется на то, чтобы их усовершенствовать. Мозжечок также связан с бессознательной связью стимула, с подкреплением условного рефлекса, навыка.

Концепции

Мы, человеческие существа, являемся гениями в извлечении сущности – мы автоматически берем данные нашего богатого опыта и находим удобные классификацию или свод правил для него.

Категории объектов, которые мы видим, слышим или осязаем, формируются из постепенного приобретения знаний о том, что определенные предметы имеют общего. Найти основные сходства между несколькими предметами можно бессознательно, и, по-видимому, это происходит в тех самых областях, где информация впервые была обработана – зрительных, слуховых и соматосенсорных зонах. Мы также можем сознательно разделить предметы по категориям (и делаем это постоянно): еда, домашние принадлежности, одежда и даже люди. При этом работает височная доля, в частности, гиппокампальная система. Существует много предположительных объяснений о том, как категории хранятся в головном мозге, но одно из них кажется нам наиболее убедительным в связи с тем, что мы знаем о памяти. По этой теории, они представлены в тех взаимоотношениях, в которых мы с ними находимся, а не по средствам их обличия.

Современные исследования в области регенерации головного мозга

Раньше считалось, что новые клетки мозга не формируются после рождения. Однако в последнее время ученые нашли доказательства того, что это не так. Ниже мы опишем, как в головном мозге формируются новые клетки.

Рождение клетки (нейрогенез)

Каждый человек начинает свое существование как одна клетка. Клетка делится, затем делятся ее дочерние клетки, что повторяется снова и снова, вырастая и развиваясь в младенца, затем в ребенка, а затем и во взрослого. Самые первые клетки в эмбрионе – это стволовые клетки, из которых появляются все остальные клетки. Они обладают простой формой и не выполняют никаких специальных функций. Но со временем эмбрион развивается и большинство клеток специализируются, некоторые становятся мышцами, другие кожей или клетками головного мозга. Эти клетки передвигаются к соответствующим частям тела, а затем связываются с окружающими клетками и формируют сложные структуры органов, кожи, мышц и головного мозга, далее видоизменяясь в данном процессе.

Процесс, в результате которого стволовые клетки делятся и видоизменяются для формирования нейронов, называется нейрогенез. Мозговые клетки формируются в несколько стадий. Сначала они появляются, как обычные стволовые клетки, которые могут видоизмениться в любой вид клеток в головном мозге или теле. Когда они делятся, некоторые из них становятся предшественниками особенных клеток головного мозга (включая нейроны и глиальные клетки). Эти стволовые клетки-предшественники могут снова разделиться, и потомство, которое впоследствии станет нейронами, называется нейробластами. Наконец, нейробласты передвигаются в соответствующее место, такое, как зона гиппокампа, где превращаются в нейроны с характерными для них формой и функциями.

Исследования, проведенные на различных живых существах (от канареек и крыс до людей), показали, что стволовые клетки, предшественники нейронов, можно найти в различных областях головного мозга. Большинство из этих клеток, по-видимому, не развивается, и предполагалось, что головной мозг не может восстановиться, используя эти стволовые клетки. Однако постепенно собирались доказательства того, что у многих животных были особые зоны головного мозга, в числе которых гиппокамп (важен для формирования новых воспоминаний), где стволовые клетки продолжают развиваться в функционирующие клетки головного мозга.

Решающим вопросом для человека является то, вырабатываются ли клетки головного мозга в достаточном количестве, чтобы быть полезными, и с помощью каких факторов они могут использоваться в восстановлении функций мозга, как при нормальном старении, так и при лечении заболеваний головного мозга. Нет ничего удивительного в том, что вокруг этих факторов ведутся активные исследования. Ясная картина того, как контролируется нейрогенез, еще не обрисована, но есть несколько многообещающих открытий.

Первое доказательство того, что нейрогенез возможен в человеке, было обнаружено только в конце 1990-х. Это открытие естественного и спонтанного рождения клетки случилось не без вмешательства медиков. Стало известно о таком случае при наблюдении за формированием новых клеток. Пять пациентов, одни из которых страдали от рака языка, другие – от рака гортани, принимали вещество, которое помогало проследить за делением клеток опухоли. Вещество также давало информацию о других делящихся клетках и таким образом могло показать, где формируются новые клетки. Сигнальное вещество было найдено в одной из разновидностей нейронов, называемой «лаброцит», в области гиппокампа, в так называемой зубчатой извилине. Так было обнаружено первое доказательство того, что у взрослого человека может происходить нейрогенез.

Почему если у головного мозга есть способность создавать новые нейроны, он, по всей видимости, не особенно склонен их формировать? Фактически стволовые клетки есть в различных областях головного мозга, но, по-видимому, они не делятся и не образуют новые нейроны.

Возможно, существуют причины, по которым головной мозг не хочет постоянно создавать новые нейроны. Головной мозг – это сложный орган, и его гладкая работа необходима для постоянного выживания. Добавление новых нейронов – это все равно что замена проводки компьютера, который контролирует Боинг-747. Любые ремонтные работы не должны производиться по середине критического маневра! И желательно, чтобы они вообще не совершались в течение полета.

Постоянно проводящиеся исследования показали, что нейрогенез не происходит при определенных обстоятельствах, включая ежедневный ввод информации и выработку некоторых возбудительных нейротрансмиттеров и гормонов, которые выделяются при стрессах.

Нейрогенез

Известно, что нейрогенез активизируется при особенном образе жизни, что было открыто в исследованиях, проведенных на мышах. И физические упражнения, и обучение новым умениям, по всей видимости, играют важные, но различные роли. В одном исследовании сравнивались мыши, которые бегали в беличьем колесе, и те, которые этого не делали. У мышей, которые занимались на беличьем колесе, было в два раза больше новых нейронов, чем у их оседлых соратников. Бег, по-видимому, способствовал делению стволовых клеток, в то время как изучение новых умений способствовало выживанию и видоизменению потомства стволовых клеток. Важно, что на старых мышек полезный образ жизни действовал так же, как и на молодых, только уровень нейрогенеза у них был намного ниже, чем у тех, которые были помоложе.

Без сомнения, многое еще нужно открыть, и эти результаты должны еще быть продемонстрированы на людях.

Другие современные исследования включают сравнение генов, которые активны в тех областях головного мозга, где происходит нейрогенез, с теми, где он не происходит. Если гены будут обнаружены, белки, которые они вырабатывают, будут важным открытием в разгадке головоломки нейрогенеза.

Терапевтические подходы могут в конечном счете привести к вмешательствам различных уровней, включая смену образа жизни в физическом и умственном плане, использование генной терапии и трансплантатов стволовых клеток. Конечная цель – проследить длинную цепь событий, которые случаются на всех стадиях нейрогенеза, и научиться вызывать нейронную регенерацию, когда это необходимо.

Выводы

Знания различного уровня позволяют нам понять, как работает память в головном мозге:

• Наша память – это уникальная комбинация биологического наследия и индивидуального жизненного опыта человека. Наши гены приводят к тому, что у нас «мозги человека», но синапсы у каждого свои.

• Гены определяют, какой будет выработан белок, но будет ли он сформирован или нет, зависит от окружающей среды.

• Синапсы – это места, в которых хранятся воспоминания, где создаются новые белки для формирования долговременных воспоминаний.

• Нейротрансмиттеры – это химические посредники между клетками головного мозга. Они важны в формировании памяти, так же как и в других аспектах, например, в настроении, бдении и состоянии сна.

• Нейроны – это высокотехнологичные процессоры головного мозга, и их электрические и химические сигналы – это основа всех мыслей. Они продолжают развивать ответвления и образовывать системы на протяжении всей жизни.

• Многие области головного мозга делают свой вклад в память о событии и содержат воспоминания, полученные от различных органов чувств (зрения, слуха и осязания), обработанные в разных областях головного мозга и собранные вместе в гиппокампе.

• Последние исследования показали, что нейрогенез возможен и может быть нормой в некоторых отделах головного мозга, однако многое еще нужно изучить, прежде чем это открытие будет применяться в терапии.