Мозг. Как он работает?

«Из всех частей тела мозг труднее всего поддается изучению,— замечает Фуллер Торри, психиатр из Национального института психического здоровья США.— Мы носим его вот в этой коробке на плечах, которую крайне трудно исследовать».

ТЕМ не менее ученые говорят, что о способах обработки мозгом информации, поступающей от пяти органов чувств, они узнали уже немало. Вот, например, как он перерабатывает зрительные ощущения.

Мысленный взор

Свет достигает глаза и попадает на сетчатку в задней части глазного яблока, состоящую из трех слоев клеток. Свет проникает до третьего слоя. В этом слое содержатся клетки, известные как палочки, чувствительные к яркости, и колбочки, реагирующие на длину световой волны, соответствующую красному, зеленому и синему цветам. В этих клетках под действием света выцветает пигмент. Они посылают сигнал клеткам во втором слое, а оттуда он идет к клеткам верхнего слоя. Аксоны этих клеток соединяются, образуя зрительный нерв.

Миллионы нейронов зрительного нерва сходятся в так называемом зрительном перекресте, находящемся в глубине мозга. Здесь нейроны, несущие сигналы с левой части сетчатки каждого глаза, встречаются и по параллельным путям следуют в левую половину мозга. А сигналы с правой части каждой сетчатки, объединившись, направляются в правую половину. Затем эти импульсы прибывают на новый этап эстафеты — в таламус, откуда уже следующие нейроны передают сигналы в тыльную часть мозга, известную как зрительная зона коры головного мозга.

Зрительная информация расчленяется и направляется по параллельным путям. Как теперь известно исследователям, главная зрительная зона коры головного мозга вместе с прилегающей областью действуют подобно почтовому отделению, где сортируется, направляется по нужным маршрутам и собирается в единое целое самая разная информация, доставляемая нейронами. Третья область воспринимает форму,— например, «видит» край предмета — и движение. Четвертая узнает как очертания, так и цвет, а пятая постоянно «наносит на карты» новые зрительные данные, следя за движением. По сведениям текущих исследований, зрительной информацией, собираемой глазом, занимаются ни много ни мало 30 участков мозга! Но каким образом они взаимодействуют друг с другом, создавая образ? Каким образом разум «видит»?

«Видеть» мозгом

Информацию для мозга собирает глаз, но получаемая мозгом информация, очевидно, обрабатывается в коре. Когда мы фотографируем, на пленке запечатлеваются все детали картины. Но когда тот же вид предстает непосредственно перед нашими глазами, мы осознанно наблюдаем лишь ту часть картины, на которой сосредоточиваем внимание. Каким образом мозг это делает — остается тайной. По мнению некоторых, это происходит благодаря поэтапному сбору воедино зрительной информации в зонах конвергенции, помогающих сравнивать видимое с уже нам знакомым. Другие считают, что когда мы не видим предмет, находящийся прямо перед нами, это происходит просто из-за невозбуждения нейронов, отвечающих за зрительное внимание.

Как бы там ни было, трудности, связанные с научным объяснением зрения, это еще полбеды: куда сложнее определить, что именно входит в понятия «сознание» и «разум». Техника сканирования, как например ядерно-магнитный резонанс и позитрон-эмиссионная томография, открывает ученым новое окно в человеческий мозг. Наблюдая за притоком крови к определенным областям мозга во время мыслительных процессов, они смогли более или менее точно установить, какие именно участки коры помогают слышать слова, видеть слова и произносить слова. Однако, как заключает один автор, «феномен разума, сознания, оказался гораздо сложнее... чем кто-либо себе представлял». Да, тайна мозга еще во многом остается неразгаданной.

Мозг — всего лишь замечательный компьютер?

Понять наш непростой мозг помогают сравнения. На заре промышленной революции, в середине XVIII столетия, стало модным уподоблять мозг машине. Позднее, когда символом прогресса стал телефонный коммутатор, мозг сравнивали с загруженным коммутатором, за которым сидит телефонистка, принимающая решения. Теперь же, когда компьютеры выполняют сложные задачи, мозг сравнивают с компьютером. Можно ли сказать, что этот пример исчерпывающе объясняет работу мозга?

Между компьютером и мозгом есть коренные отличия. Мозг представляет собой в первую очередь химическую, а не электрическую систему. В каждой клетке происходят многочисленные химические реакции, а в работе компьютера ничего подобного не наблюдается. Кроме того, по замечанию д-ра Сузан Гринфилд, «мозг никто не программирует: это вполне „самостоятельный“ орган, действующий самопроизвольно», тогда как компьютер нужно программировать.

Нейроны сообщаются друг с другом весьма замысловатым образом. Многие из них реагируют на 1 000 и более поступающих через синапсы сигналов. Чтобы представить себе, что это означает, обратим внимание на исследование одного нейробиолога. Он изучал один участок в нижней части мозга, расположенный сразу над носом, с целью выяснить, как мы узнаем запахи. Исследователь замечает: «Даже эта простая задача, которая представляется пустячной в сравнении с доказательством геометрической теоремы или эстетической оценкой струнного квартета Бетховена, требует участия примерно 6 миллионов нейронов, каждый из которых получает от своих соседей, возможно, до 10 000 сигналов».

Но мозг — это не просто совокупность нейронов. На каждый нейрон приходится по несколько клеток нейроглии, которые сохраняют целостность мозга. Кроме того, они обеспечивают нейронам электрическую изоляцию, отбиваются от инфекций и объединяются для создания защитного гематоэнцефалического барьера. По предположению исследователей, нейроглия может выполнять и другие функции, открыть которые еще предстоит. «Очевидная аналогия с созданными человеком компьютерами, обрабатывающими электронную информацию в цифровом виде, похоже, настолько хромает, что дает о мозге неправильное представление»,— заключается в журнале «Экономист».

Ввиду этого возникает необходимость поговорить еще об одной тайне.

Из чего «сделаны» воспоминания?

С памятью,— «возможно, самым необычным явлением в природе», как выразился профессор Ричард Томпсон,— связан целый ряд функций мозга. Изучающие мозг выделяют два вида памяти: декларативную и процедурную. Процедурная отвечает за навыки и привычки. Декларативная — за хранение фактов. Согласно книге «The Brain—A Neuroscience Primer», память делится на виды в зависимости от того, сколько времени в ней удерживается информация: очень кратковременная память продолжается около 100 миллисекунд, длительность кратковременной памяти составляет несколько секунд, рабочая память хранит недавно пережитое, и долговременная память содержит словарный материал, закрепленный повторением, и отработанные двигательные навыки.

Одно из возможных объяснений долговременной памяти состоит в том, что она начинается с деятельности в передней части мозга. Информация, отобранная для долговременной памяти, в виде электрического импульса поступает в отдел мозга, известный как гиппокамп. Здесь начинается долговременная потенциация, повышающая способность нейронов проводить сообщения. (Смотрите рамку «Через щель».)

В основе другой теории памяти лежит идея о ведущей роли мозговых волн. По мнению ее сторонников, регулярные колебания в электрической деятельности мозга, чем-то напоминающие удары барабана, помогают связывать воспоминания вместе и определять момент активизации различных мозговых клеток.

По предположению исследователей, мозг хранит различные грани воспоминаний в разных местах, причем каждое понятие связано с областью мозга, которая «специализируется» на его восприятии. Безусловно, с памятью связан целый ряд мозговых центров. Так, миндалина — небольшой комок нервных клеток, расположенный недалеко от ствола мозга,— обрабатывает воспоминания о чем-то страшном. Область базальных ядер сосредоточивается на привычках и физических навыках, а мозжечок, относящийся к задней части мозга, концентрируется на выработке навыков путем тренировки и на рефлексах. Здесь, как предполагают, содержатся навыки сохранения равновесия, как например те, что необходимы при езде на велосипеде.

В нашем кратком обзоре деятельности мозга невозможно коснуться других удивительных его функций, как-то: чувство времени, склонность к усвоению языка, сложные двигательные навыки, регулировка нервной системы и жизненно важных органов, а также способность переносить боль. Кроме того, ученые продолжают открывать химические вещества-посредники, служащие для сообщения мозга с иммунной системой. «Сложность мозга настолько поразительна,— замечает невролог Дейвид Фелтен,— что неизвестно, сможем ли мы вообще когда-нибудь постичь его строение».

Хотя многие тайны мозга остаются неразгаданными, этот удивительный орган наделяет нас способностью думать, размышлять и вспоминать узнанное. Но как можно использовать его наилучшим образом? Заключительная статья нашей серии отвечает на этот вопрос.

[Рамка/Иллюстрации, страница 8]

ЧЕРЕЗ ЩЕЛЬ

Когда нейрон возбуждается, нервный импульс движется по его аксону. Достигнув выпуклости на конце синапса, импульс заставляет небольшие находящиеся в ней синаптические пузырьки, в каждом из которых содержатся тысячи молекул нейротрансмиттера, соединяться с поверхностью выпуклости и выбрасывать через синапс свое содержимое.

С помощью сложной системы ключей и замков нейротрансмиттер открывает и закрывает сигнальные каналы следующего нейрона. В результате поток электрически заряженных частиц направляется к нужному нейрону и вызывает новые химические изменения, которые либо рождают электрический импульс, либо тормозят электрическую деятельность.

Долговременная потенциация происходит, когда нейроны регулярно возбуждаются и выбрасывают через синапс нейротрансмиттеры. По предположению некоторых исследователей, от этого нейроны ближе притягиваются друг к другу. По убеждению других, есть доказательства, что сигнал отсылается принимающим нейроном обратно к нейрону-проводнику. Это, в свою очередь, вызывает химические изменения, которые производят еще больше белков, служащих нейротрансмиттерами. А эти белки укрепляют связь между нейронами.

Изменчивые связи в мозге, его пластичность подтверждают стародавнюю истину: невостребованные знания пропадают. Чтобы удержать что-либо в голове, нужно почаще это вспоминать.

Аксон

Передающее сигнал волокно, связывающее нейроны.

Дендриты

Короткие, «ветвистые» соединения, связывающие нейроны.

Нейриты

Похожие на усики ответвления от нейронов. Делятся на два основных типа: аксоны и дендриты.

Нейроны

Нервные клетки. Мозг насчитывает примерно 10—100 миллиардов нейронов, «каждый из которых сообщается с сотнями, а то и тысячами других клеток».

Нейротрансмиттеры

Химические вещества, переносящие сигнал через так называемую синаптическую щель между пославшей его нервной клеткой (или нейроном) и принимающей.

Синапс

Щель между посылающим и принимающим нейроном или нервом.

[Сведения об источнике]

На основе книги профессора Сузан Гринфилд «The Human Mind Explained», 1996.

CNRI/Science Photo Library/PR

[Рамка/Иллюстрации, страница 9]

ОТЛИЧИТЕЛЬНАЯ ЧЕРТА ЛЮДЕЙ

Специализированные области мозга, известные как центры речи, делают возможными удивительные навыки общения. То, что мы хотим сказать, по-видимому, приводится в систему участком левого полушария, называемым центром Вернике (1). Он сообщается с центром Брока (2), который отвечает за грамматику. Далее импульсы поступают в близлежащие двигательные области, управляющие мышцами лица и помогающие нам произносить нужные слова. Кроме того, эти области соединяются со зрительной системой мозга, что позволяет нам читать; со слуховой системой, что позволяет нам слышать, понимать сказанные нам слова и отзываться на них; и, что не менее важно, с банком памяти, где мы храним достойные запоминания мысли. «Что поистине отделяет людей от других животных,— замечается в пособии «Путешествие в мозговые центры» («Journey to the Centres of the Brain»),— так это способность приобретать неимоверное число навыков, запоминать неимоверное число фактов и правил, причем не только о физических предметах в окружающем нас мире, но особенно о других людях и о том, почему они ведут себя именно так, а не иначе».

[Иллюстрации, страница 7]

Различные области мозга воспринимают цвет, форму и край предметов, а также следят за движениями.

[Сведения об источнике]

Parks Canada/J. N. Flynn