Текст книги "Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной"

Как работает ваш мозг
Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Над книгой работали

Главный редактор – Элисон Джордж, редактор серии «Специалисты комментируют» для журнала New Scientist.

Редактор – Кэролайн Уильямс, научный журналист и редактор, живет в Великобритании. Автор книги «Мой продуктивный мозг» (М., 2018).

Статьи этой книги основаны на беседах, которые проводились в 2016 году во время мастер-класса New Scientist «Как работает ваш мозг», и статьях, ранее опубликованных в журнале.

Авторы научно-популярных статей

Дэниел Бор – писатель и нейроученый-когнитивист в Центре изучения человеческого сознания им. Саклера в Сассекском университете (Великобритания).

Дерк-Ян Дейк – профессор, специалист по сну и психолог в Университете Суррея в Гилфорде, Великобритания, директор Суррейского центра исследования сна.

Джонатан К. Фостер – профессор клинической нейропсихологии и поведенческой нейробиологии при Университете Кёртин в Перте, Австралия, подразделении нейронаук Департамента здравоохранения штата Западная Австралия и Университете Западной Австралии.

Линда Готтфредсон – почетный профессор педагогики в Университете Делавэра в Ньюарке, специализируется на социальной значимости интеллекта.

Эндрю Джексон – нейробиолог из Института нейронауки в Университете Ньюкасла, работает над нейропротезами для восстановления движений рук после травм спины и над имплантами мозга для лечения эпилепсии.

Джордж Мэтер – профессор Университета Линкольна, Великобритания, специализируется на восприятии движения и изобразительного искусства.

Майкл О’Ши – профессор нейробиологии и один из директоров Центра компьютерной нейробиологии и робототехники в Сассекском университете, Великобритания.

Тиффани Уотт Смит – стипендиат Центра истории эмоций в Колледже Квин Мэри Лондонского университета.

Рафаэлла Вински-Соммерер – исследователь суточных биоритмов и сна в Университете Суррея в Гилфорде, Великобритания.

Также благодарим следующих авторов:

Салли Ади, Анил Анантасвами, Колин Баррас, Энди Кохлан, Катерина де Ланге, Линда Геддес, Элисон Джордж, Джессика Григгз, Анна Гослин, Джессика Хамзелу, Боб Холмс, Кортни Хамфрис, Кристиан Джаррет, Грейам Лоутон, Джессика Маршалл, Элисон Мотлук, Хелен Филлипс, Майкл Рейлли, Дэвид Робсон, Лаура Спинни, Кайт Сукел, Хелен Томсон, Соня ван Гилдер Кук, Кирстен Вейр, Кэролайн Уилльямс, Клэр Уилсон, Эмма Янг.

Введение

Раз вы читаете эти строки, значит вы – гордый владелец одного из сложнейших предметов в известной Вселенной – человеческого мозга.

На первый взгляд так и не скажешь: розоватый морщинистый 1,4-килограммовый сгусток, по плотности напоминающий тофу. Внешне он настолько невпечатляющий, что примерно 2500 лет назад считалось, что охлаждать кровь – самое сложное, на что он способен.

Сегодня мы, конечно же, знаем, что мозг – это ценное переплетение 86 млрд нейронов, и с помощью сложно устроенной электрической и химической активности он позволяет нам познавать мир, чувствовать, пробовать и помнить. Именно поэтому наш вид строил цивилизации, создавал великое искусство и долетел до Луны.

Вопрос «Как мозгу удаются такие фокусы?» веками занимал великие умы. Но в последние десятилетия нейроученые получили серьезное подспорье для его изучения – современные инструменты построения изображений мозга, позволяющие наблюдать в режиме реального времени, как узоры электрической активности и потоки крови намекают на происходящие внутри процессы.

По мере того, как новые методы открывают процессы работы мозга, нейробиология постепенно осваивает новые территории и пытается составить его полную «монтажную» схему. Пожалуй, сейчас проходит самое волнующее время в истории науки о мозге.

В этой книге рассказано все, что нужно знать о человеческом мозге. Тут собраны вместе мысли ведущих нейробиологов и лучшие статьи из журнала New Scientist, и этот путеводитель познакомит вас с тем, что известно лучшим умам науки. Если вы когда-нибудь интересовались, как мозг чувствует, помнит, как он приходит в сознание и чем занимается, пока мы спим – читайте дальше.

Кэролайн Уилльямс, редактор

1
Знакомьтесь, это ваш мозг

Мозг – самый потрясающий, сложный и, по мнению некоторых, самый уродливый орган нашего тела, но, по сути, это группа нервных клеток, для упрощения связи собранных в одном месте. Иногда мозг состоит из относительно небольшого числа клеток, как у некоторых простых беспозвоночных, а иногда – из миллиардов, как у людей. Мозг позволяет животному приспосабливаться к изменениям окружающей среды гораздо быстрее, чем эволюционные механизмы. Благодаря развитию нейробиологии мы теперь прекрасно разбираемся в базовой архитектуре мозга. Но как развивался мозг человека, и чем он отличается от мозга других животных? Что с философской точки зрения означает быть «всего лишь мозгом»? Начнем путешествие со всеми остановками по вашему серому веществу.

Рождение нейронауки

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.

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.

Как наш мозг стал таким сложным?

14 млн лет назад в Африке жила обезьянка. Она была очень умной, но мозг большинства ее потомков (орангутанов, горилл и шимпанзе), похоже, не сильно изменился по сравнению с той ветвью ее семейства, из которой вышли современные люди. Что сделало нас другими?

Мы можем только порассуждать на тему, почему около 2,5 млн лет назад наш мозг начал расти, но возможно, что дело в счастливой случайности.

У других приматов «кусающая» мышца оказывает сильное давление на весь череп и сдерживает его рост. У наших предков произошла мутация, ослабившая эту мышцу и, возможно, позволившая черепу расти. Мутация произошла примерно в то время, когда появились первые человекообразные с более слабыми челюстями и более крупными черепами и мозгом.

Вероятно, на развитие мозга оказало влияние совершенствование инструментов для охоты и разделывания животных около 2 млн лет назад, так как мясо очень богато питательными веществами. Более насыщенный рацион питания открывает возможности для дальнейшего роста мозга.

Приматолог Ричард Рэнгем из Гарвардского университета считает, что похожую роль сыграл огонь, позволивший получать из еды больше питательных веществ. Ученый предположил, что приготовленная еда постепенно привела к уменьшению нашего кишечника. Так как ткани кишечника дорого выращивать и содержать, их сокращение высвободило ценные ресурсы, что способствовало росту мозга.

Большой объем мозга может быть напрямую связан и с нашей сложной общественной жизнью. Вероятно, наши предки жили группами, как и современные приматы. Вырабатывание внутри группы светского поведения требует достаточной силы мозга. По мнению Робина Данбара из Оксфордского университета, это объясняет невероятное расширение лобных участков новой коры мозга приматов, особенно у высших обезьян. Данбар показал, что существует прочная взаимосвязь между численностью группы приматов, частотой их взаимодействия друг с другом и размером участков мозга, которые за это отвечают.

Видимо, к появлению современного человеческого мозга в Африке около 200 000 лет назад привело удачное сочетание рациона, культуры, технологий, общественных связей и генов.

Что дальше? Дело в том, что мы продолжаем развиваться. Согласно одному из последних исследований, у людей, мигрировавших из Африки в северные широты, увеличилась зрительная кора головного мозга – возможно, из-за необходимости компенсировать менее яркий свет в этих местах.

Что любопытно, не исключено, что дальнейшее увеличение нашего мозга даст нам преимущества. В нашем недавнем эволюционном прошлом мог случиться момент, когда опасность при родах детей с более крупными головами перевесила выгоды от роста мозга. А может быть, стало слишком сложно прокормить мозг. Он уже сжигает 20 % поступающей пищи, и не исключено, что мы просто не можем позволить себе выделять еще больше энергии на мыслительный процесс.

Более того, похоже, что мозг даже уменьшается. Примерно за последние 10 000 лет средний размер человеческого мозга относительно тела сократился на 3–4 %. Некоторые люди беспокоятся, не глупеет ли человечество (подробнее см. главу 3), другие выражают надежду, что улучшилось качество нейронных связей.

Карта разума

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.

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 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.

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.

Тело в мозге

Можно сказать, что тело отражено на коре головного мозга как множество карт, в том числе как карта чувств и карта координации движений. Карты в целом повторяют строение тела, чтобы нейроны, обрабатывающие сигналы от ваших стоп, находились поближе к тем, которые заняты переработкой информации от ног, а не от носа. Но пропорции искажены: рукам и губам отведено больше тканей мозга, чем туловищу или ногам. Если нарисовать тело так, чтобы оно соответствовало этим пропорциям, получится гротескная фигура – гомункул Пенфилда (см. рис. 1.4).

Рис. 1.4. Гомункул Пенфилда: как мозг видит тело

Две половинки и множество частей

Мозг состоит из двух полушарий, соединенных каналом из примерно миллиона аксонов, который называется мозолистое тело. Если этот кабель разрезать, а так иногда делают для снятия припадков эпилепсии, единое проявление «я» может разделиться – как если бы тело контролировали два независимых мозга. Один курильщик, перенесший подобную операцию, рассказывал, что когда правая рука брала сигарету, левая ее вырывала и выбрасывала!

Мозолистое тело позволяет объединить множество задач, которые выполняют разные участки коры головного мозга, в гладкое непрерывное переживание мира. Мы узнаем предметы, не замечая фрагментарности работы мозга. Как именно это происходит, мы пока не знаем. Так называемая «проблема связывания» – это один из многих вопросов, на которые предстоит ответить нейроученым будущего.

Чтение мыслей: как ученые измеряют мозг и его активность

Магнитно-резонансная томография (МРТ). Показывает детальные анатомические изображения, напоминает рентгеновские лучи для мягких тканей.

Функциональная МРТ (фМРТ). Отображает изменения в притоке крови к тому или иному участку мозга (приток крови считается показателем локальной активации нервов) при выполнении умственных задач, таких как арифметические действия или чтение.

Диффузионная МРТ (также называется диффузионно-взвешенной визуализацией, трактографией). Раскрывает протяженность связей мозга, отслеживает диффузию молекул воды, которые перемещаются вдоль аксонов, но не могут пройти сквозь их жирное покрытие.

Функциональная МРТ покоя (фМРТп). Также проливает свет на протяженные связи, измеряет спонтанные колебания активности в различных участках мозга, раскрывая степень их коммуникации.

Разум, построенный на математике

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.