ГЛАВА 3. Мыслящее мясо: нейроны и синапсы
ГЛАВА 3. Мыслящее мясо: нейроны и синапсы
В коротком рассказе «Они сделаны из мяса» Терри Биссон описывает инопланетян с электронными мозгами, обнаруживших планету под названием Земля, на которой самые разумные организмы осуществляют процесс мышления с помощью живой материи. Инопланетяне назвали такой мозг «мыслящим мясом». (Грубо, мы знаем это.) Трудно поверить, что наш мозг — это и есть наши мечты, память, вдохновение и дыхание — все мыслительные процессы, однако это правда.
Особенно это впечатляет, когда видишь, насколько ничтожны размеры мозга. Миллиарды нейронов и дополнительных вспомогательных клеток взаимодействуют друг с другом посредством бесчисленного количества синоптических соединений, но все эти операции требуют органа, напоминающего небольшую дыню трех фунтов весом.
Подобно дыне — и всему остальному телу — наш мозг состоит из клеток. Клетки мозга бывают двух типов: нейроны взаимодействуют друг с другом и с остальными органами тела, а глиальные клетки обеспечивают работу мозга. В нашем мозгу находится около сотни миллиардов имеющих сложную продолговатую форму нейронов, глиальных же клеток гораздо больше. На первый взгляд мозг разных животных выглядит по-разному. (Сравните мозг землеройки и кита, представленные на рисунке.) Однако принципы его работы одинаковы.
В нейроне сигналы переносятся с помощью электричества. Внутренняя часть нейрона заряжена отрицательно относительно наружной стороны, что создает разность потенциалов в мембране. Точно так же из-за разности потенциалов мы ощущаем удар тока 9-вольтовой батарейки, прикоснувшись к ее контактам языком. (Активно движущимся через мембрану ионам для поддержания распределения зарядов требуется больше энергии, чем для любой другой области мозга.)
Чтобы послать электрический импульс из одной части в другую, нейрон открывает каналы, позволяющие ионам пересечь мембрану, и создает течение, которое несет электрический сигнал к мембране. Нейроны получают импульс через дендриты — разветвленные древовидные структуры, собирающие информацию из разных источников. Затем нейрон посылает электрический сигнал дальше по длинному, подобному проволоке аксону, передающему химический сигнал другому нейрону, и так далее. Аксоны способны отправлять сигналы на довольно большое расстояние; самые протяженные аксоны в организме человека тянутся от позвоночника до пальцев ног. Самые длинные аксоны у китов достигают 60 футов в длину (около 20 м). Самые длинные аксоны, найденные у землеройки, чей мозг изображен на рисунке на монетке, — не более двух дюймов (около 5 см). Во всех случаях электрические сигналы распространяются при помощи схожих молекул и по одним и тем же биологическим правилам.
Знаете ли вы? Вашему мозгу требуется меньше электричества, чем лампочке в холодильнике
Нейроны и синапсы настолько эффективны, что мозг потребляет всего 12 ватт мощности, хотя он делает много больше, чем тусклая лампочка на задней стенке вашего холодильника. В течение дня вашему мозгу требуется такое количество энергии, которое содержится в двух крупных бананах. Любопытно, но хотя мозг чрезвычайно экономен по сравнению с механическими средствами, в биологических терминах это ненасытный потребитель энергии. Вес мозга составляет лишь около 3% от общего веса тела, но он потребляет одну шестую (17%) всей энергии тела. К сожалению, это не означает, что вам следует чаще перекусывать, дабы снабдить мозг энергией во время занятий. Большая часть энергии идет на поддержание состояния готовности к мышлению. Для этого мозгу необходимо обеспечивать электрическое поле в мембране каждого нейрона, позволяя ему общаться с другими нейронами. Дополнительные расходы на мышление практически несущественны. Попробуйте посмотреть на это по-другому: вы все время платите зато, чтобы поддерживать свой мозг, поэтому используйте его!
Давайте рассмотрим этот процесс подробнее. Нейроны передают информацию дальше через аксоны, создавая слабые электрические сигналы, которые длятся не более одной тысячной секунды. Эти импульсы, или спайки, представляют собой резкие подъемы в электрической активности нейрона (см. график). Спайки, известные разбирающимся в мозге людям как потенциал действия, выглядят одинаково у кальмара, крысы и у дяди Васи, обеспечивая успех в эволюции живых существ. Проносясь по аксону на скорости до нескольких сотен футов в секунду, спайки несут сигналы от мозга к руке достаточно быстро, чтобы успеть ее отдернуть и избежать укуса собаки или ожога раскаленной сковороды. Они позволяют любому животному избежать угрозы надвигающейся опасности и делают это очень быстро.
Импульс выполняет свою миссию, когда прибывает на конец аксона, где он видоизменяется. Каждый нейрон мозга получает химические сигналы от нескольких нейронов и в свою очередь посылает их другим. Взаимосвязь между нейронами работает на основе химических веществ — нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров), выделение которых из небольшого пузырька на конце нейрона вызывается появлением спайка. Каждый нейрон производит и получает до нескольких сотен тысяч химических соединений (синапсов) с другими нейронами. Нейромедиаторы попадают на синаптический рецептор на теле клетки другого нейрона, вызывая, в свою очередь, дальнейшие химические и электрические сигналы. Все эти этапы от выделения медиатора до его попадания в другой нейрон — занимают около тысячной доли секунды.
Синапсы — необходимые компоненты передачи информации в нашем мозгу. Наши мысли, способности, функции и даже наша индивидуальность — все это определяется тем, насколько крепки наши синаптические соединения, каково их количество и где они расположены. Так же, как соединения в компьютере связывают между собой отдельные внутренние части этого механизма, так и нейроны в основном пользуются синапсами для взаимного общения в мозге. Лишь у небольшой части аксонов синапсы располагаются вне мозга или позвоночника и посылают свои сигналы в другие органы тела, в том числе и в мускулы.
Помимо высокой скорости, синапсы отличаются еще и крошечным размером. Типичный дендрит нейрона в диаметре имеет около двух десятых миллиметра и способен при этом получать до 200 000 синаптических сигналов от других нейронов. Вы только представьте — один кубический миллиметр вашего мозга содержит миллиард синапсов! Отдельные синапсы настолько малы и ненадежны, что у них едва хватает мощности функционировать, и прибывающие импульсы часто даже не вызывают выделения нейротрансмиттера.
Конечно, странно, что синапсы настолько малы, что иногда не работают должным образом, но это не редкость. Синапсы достигают приблизительно одинакового минимального размера у различных видов животных, включая мышей и человека. Никто точно не знает, почему отдельные синапсы эволюционировали до столь маленьких размеров и стали настолько ненадежными, но одной из вероятных причин может быть то, что мозг станет работать лучше при условии нахождения в нем бесчисленного их количества. И крохотный размер синапсов оказывается оптимальным вариантом, при котором наибольшее количество функций способно разместиться в ограниченном пространстве.
Знаете ли вы? Сон Леви о нейромедиаторе
В 1921 году, когда еще не было известно, как взаимодействуют нейроны или даже клетки, немецкий ученый Отто Леви заметил, как именно сердце получает сигналы о том, что надо ускорить или замедлить частоту сокращений. Он был убежден в том, что блуждающий нера — длинный нерв, идущий от ствола головного мозга и соединяющийся прямо с сердцем, — выделяет субстанцию для замедления сердцебиения. В своей лаборатории Леви тщательно исследовал сердца лягушек с присоединенным блуждающим нервом. Когда он стимулировал нерв электрическим сигналом, сердце начинало сокращаться медленнее. Как это происходило? Гипотеза Леви заключалась в том, что из нерва выделялось нечто, что и производило этот эффект, но он не знал, как проверить эту идею экспериментально.
Забуксовав, он поступил так, как многие в подобных случаях: отложил решение на потом. Однажды ночью его осенило: он понял, как провести эксперимент. Успокоенный, он уснул. Наутро... ничего. Он ничего не мог вспомнить об эксперименте. В следующий раз, увидев этот сон, Леви не поленился и записал идею на бумаге. Увы, на следующее утро он не смог прочитать написанное. К счастью, сон приснился ему еще раз, и Леви не стал ждать утра: он встал, пошел в лабораторию и провел эксперимент, который принес ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1936 году. Эксперимент был прост. Леви поместил два сердца лягушек в разные сосуды, соединенные узкой трубкой. К одному сердцу по-прежнему был присоединен блуждающий нерв. При электрической стимуляции это сердце начинало биться медленнее. Затем, спустя некоторое время, второе сердце тоже замедляло свой ритм. Этот эксперимент продемонстрировал существование того, что он прозаично назвал Vagusstoff — субстанция (stoff), выделяемая из блуждающего нерва (vagus) одного сердца лягушки для того, чтобы замедлить биение второго сердца. Vagusstoff теперь называется ацетилхолином, и это один из десятков нейромедиаторов, которыми пользуются нейроны для взаимодействия.
Нейронам приходится выполнять очень специализированные задания. Каждый нейрон отвечает за небольшое количество функций — например, различение конкретного звука, распознавание чьего-то лица, выполнение определенного движения или другой процесс, невидимый снаружи. В любой конкретный момент лишь небольшое количество нейронов, расположенных в разных частях вашего мозга, пребывает в состоянии активности. Их количество всегда колеблется, и процесс мышления зависит от того, какие нейроны активны и что они передают друг другу и окружающему миру.
Нейроны всех животных объединяются в похожие группы, отвечающие за одни и те же цели — например, распознавание движущихся объектов или регулирование движений глаз. В нашем мозге в каждой группе может быть несколько миллиардов нейронов и множество подгрупп. У крыс — миллионы нейронов и меньшее количество подгрупп, у осьминога или насекомого — тысячи нейронов (хотя в этом крохотном мозге различные части отдельных нейронов могут выполнять несколько видов деятельности одновременно). В каждой из этих групп находятся немного отличающиеся нейроны, определенные паттерны[1] связей и связи с другими мозговыми структурами.
Сначала ученые узнавали о функциях различных частей мозга, наблюдая за людьми с повреждениями психики. Как это ни печально, но Первая мировая война стала богатейшим источником подобной информации. Солдаты часто выживали после ранений, поскольку летящие на большой скорости пули прижигали их раны, предотвращая смерть от потери крови и заражения. Однако в результате травмы у солдат проявлялись самые разнообразные симптомы повреждения психики, зависевшие от той части головного мозга, которая была поражена. Современные неврологи до сих пор публикуют обследования пациентов с повреждением мозга, в основном после инсульта. Некоторые пациенты с редко встречающимися симптомами даже смогли обеспечить свое существование, принимая участие в оплачиваемых исследованиях.
Знаете ли вы? Похож ли наш мозг на компьютер?
Люди всегда описывают мозг, сравнивая его с новейшими технологиями — с паровым двигателем, телефонным коммутатором или даже с катапультой. В наше время люди обычно говорят о мозге так, как если бы он представлял собой определенный тип биологического компьютера с розовым мягким процессором и «программным обеспечением», которое создается жизненным опытом. Но компьютеры были созданы для того, чтобы работать как маленькие заводы, на которых действия происходят согласно общему плану и установленному логическому порядку. Мозг же по способу своей работы больше напоминает переполненный китайский ресторан: он набит битком и полон суеты, люди бегают по нему без особых причин, но каким-то образом в конце асе оказывается сделано. Компьютеры последовательно обрабатывают информацию, тогда как мозг справляется с разнообразной информацией, поступающей параллельно по многим каналам. Поскольку биологические системы создаются путем естественного отбора, в них имеются пласты систем, которые изначально были созданы для одной цели, а затем адаптированы под другую, даже если они и не работают идеально. Программист начал бы в таком случае писать новую программу, но в ходе эволюции проще адаптировать старую систему к новым целям, чем создать что-то абсолютно новое.
Ученые выявляли возможности нейронов, наблюдая их активность в различных условиях — стимулируя их или отслеживая их связи с другими частями головного мозга. Например, моторные нейроны в спинном мозге получают сигналы от нейронов коры, которые отвечают за основные движения. В свою очередь нейроны спинного мозга посылают сигналы мускулам, вызывая их сокращения. Если ученые начинают стимулировать с помощью электричества только нейроны спинного мозга, то сокращаются те же самые мускулы. Полученные результаты дают понять, что моторные нейроны спинного мозга отвечают за выполнение основных двигательных команд, которые создаются на более высоком уровне головного мозга. Однако до сих пор осталось немало противоречий в суждениях о том, какой именно аспект движений обусловливается этими командами.
Чтобы немного разобраться в собственном мозге, нам потребуется кратко описать его основные части и их функции.
Ствол мозга находится у самого основания — там, где он прикрепляется к спинному мозгу. Эта область контролирует базовые функции, необходимые для выживания организма, — к примеру, ответные движения головы и глаз, дыхание, частоту сердечных сокращений, сон, пробуждение и пищеварение. Все эти процессы невероятно важны, но обычно не осознаются. Расположенный немного выше гипоталамус также контролирует важные для жизни процессы. Однако он отвечает за более привлекательные функции, включающие в себя выделение гормонов стресса и сексуальных гормонов. Также он регулирует сексуальное поведение, голод, жажду, температуру тела и ежедневные циклы сна.
Эмоции, особенно страх и беспокойство, находятся под контролем миндалевидного тела. Этот орган головного мозга, напоминающий формой миндальный орех, расположен над каждым ухом и контролирует так называемый механизм «бей или беги», который заставляет животное убегать от опасности или атаковать ее источник. Расположенный неподалеку гиппокамп хранит информацию и размещает ее в долговременной памяти. Мозжечок, крупный орган в задней области мозга, собирает сенсорную информацию, чтобы лучше координировать движения.
Сенсорная информация попадает в организм через глаза, уши или кожу и передается в форме импульсов в самый центр головного мозга — таламус. Именно там она фильтруется и пропускается дальше, опять же в виде спай-ков, в кору. Это самая крупная часть человеческого мозга, она весит немного более трех четвертых его общей массы. Форма коры напоминает измятое ватное одеяло, которое укутывает вершину и боковые стороны головного мозга. Кора головного мозга появилась вместе с первыми млекопитающими приблизительно 130 миллионов лет назад, и при сравнении мозга мыши, собаки и человека она соответственно занимает все большую и большую долю мозга в каждом последующем случае.
Ученые разделили кору головного мозга на четыре части — доли. Затылочная доля в задней части головного мозга отвечает за визуальное восприятие. Височная доля как раз над ушами контролирует процесс слуха и содержит область, отвечающую за понимание смысла речи. Она также тесно взаимодействует с миндалевидным телом и гиппокампом, которые очень важны при обучении, запоминании и эмоциональном отклике. Теменная доля наверху и по бокам мозга получает информацию от рецепторов кожи. Она также собирает данные от всех органов чувств и определяет, на что вам следует обратить внимание. Лобная доля (догадались, где она находится?) определяет ваши движения; в ней также расположены области, производящие речь и ответственные за выбор адекватного поведения, которое зависит от ваших целей и ситуации.
Сочетание этих способностей в мозге и определяет наш собственный индивидуальный способ взаимодействия с окружающим миром. В оставшейся части книги мы будем по очереди рассматривать эти аспекты и рассказывать вам, как мозгу удается ежедневно справляться со своими обязанностями.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.