Помоги проекту - поделись книгой:
На рис. 3 показана оценка потребления калорий на основе данных всех трех методов, которые имеют расхождения. Но все три графика схожи в одном. Потребление калорий существенно увеличилось, когда население Америки быстро набрало избыточный вес (218–367 дополнительных килокалорий в день в период с 1978 по 2006 гг.) Исследование, проведенное по третьему способу Кевином Холлом из Национального института здравоохранения США (черный график), пожалуй, наиболее точно отражает количество лишних калорий, которые люди стали потреблять в период эпидемии ожирения: 218 ккал. Примечательно, что этот скачок сам по себе объясняет причину эпидемии в обозначенный период времени без необходимости дополнительно просчитывать уровень физической активности и другие показатели.
Прямо сейчас я чувствую, как вы превращаетесь в скептиков. В одном фунте жира (0,4 кг) содержится 3500 килокалорий. Следовательно, если мы действительно переедали на 218 Ккал ежедневно, то должны были бы набирать фунт жира (0,4 кг) каждые 16 дней, а значит, 23 фунта (10 кг) каждый год. В итоге через 10 лет мы, по идее, смогли бы перемещаться только при помощи автопогрузчика! Несмотря на то что подобными грубыми расчетами пользуются средства массовой информации, представители органов здравоохранения, врачи и даже некоторые крупные исследователи, они не иллюстрируют работу адипозной (жировой) ткани. Холл и его коллеги доказали, что такая оценка изменений в адипозной ткани ошибочна, и серьезные последствия этой ошибки вылились в неправильное отношение к набору и потере веса.
В рамках ошибочного восприятия адипозности мы не принимаем в расчет тот факт, что в связи с изменением объемов тела энергообмен тоже претерпевает изменения. Чтобы лучше это понять, давайте вместо адипозной ткани поговорим о счете в банке. Вы открываете счет, и сумма ваших сбережений составляет 10 000 долл. При ежемесячном доходе в 1000 долл. и ежемесячных затратах в 1000 долл. через год сумма сбережений останется неизменной – 10 000 долл. Теперь представьте, что ваша зарплата увеличилась до 2000 долларов. Поначалу ваш стиль жизнь оставался неизменным, вы по-прежнему тратили 1000 в месяц, а 1000 откладывали. Но постепенно вас начали посещать мысли о покупке нового компьютера или дорогой пары сапог. Вы переезжаете в квартиру с лучшими условиями. Ваш уровень жизни повышается, а значит, увеличиваются и затраты. Через шесть месяцев после повышения вы тратите 1500 долл. в месяц, а через год – все 2000. В течение этого года сумма сбережений на счете росла с постепенно снижающимся темпом до тех пор, пока рост полностью не прекратился. Это случилось, когда доходы сравнялись с расходами. Сумма сбережений на счете достигла плато примерно на отметке 16 000 долларов. Эта цифра будет стабильной до тех пор, пока ваши доходы или расходы не изменятся.
Тот же самый принцип можно применить к адипозности. Когда увеличивается потребление калорий, увеличивается масса тела, которая сжигает калории.[14] По мере того как размеры тела увеличиваются, расход калорий уравнивается с количеством дополнительно потребляемых калорий. Вы достигаете плато. Вы отныне не потребляете больше калорий, чем сжигаете, а значит, ваш вес и степень адипозности стабилизируются на более высокой отметке. Тот же самый эффект плато происходит и в обратном направлении, когда человек снижает количество потребляемых калорий.
Как можно воспользоваться этой информацией на практике? Прежде всего становится понятно, что набрать или сбросить вес можно только через значительные изменения в потреблении калорий.
Если незначительно изменять свою диету, например съедать на один тост меньше обычного, то в адипозной ткани также произойдут некоторые изменения, и жир перестанет бесконтрольно накапливаться. Так возникло новое правило похудения, основанное на научных данных: человеку необходимо потреблять на 10 ккал меньше из расчета на каждый килограмм, которые человек хочет потерять. Пользуясь этим эмпирическим правилом, человек добирается до нужного стабильного веса только через несколько лет, однако большинству такие сроки не подходят. Люди стремятся сильнее урезать калории, чтобы быстрее добраться до желаемого веса, а затем переходят на правило десяти ккал, чтобы поддерживать свою новую форму.
Благодаря этой информации мы можем понять причину горя многих добросовестных людей, которые тщательно соблюдают свою диету: высокое плато потери веса. Человек старательно сокращает количество потребляемых калорий и успешно теряет избыточный вес, но процесс его потери останавливается прежде, чем человек достигает желаемой цели. Даже несмотря на то, что человек продолжает сидеть на той же самой диете, которая до сих пор давала положительные результаты. Эта проблема вполне реальна, и Холл предлагает две возможные причины ее возникновения. В первом случае размер тела уменьшается и ему требуется меньше топлива для поддержания своих функций. Со временем организм перестает страдать от недостатка калорий, и процесс снижения веса останавливается. В другом случае снижение веса приводит к увеличению аппетита, а при таких условиях крайне тяжело придерживаться сниженного количества калорий. Позже я объясню, почему это происходит. Чтобы возобновить потерю веса после выхода на плато, человеку необходимо снова сократить потребление калорий, хотя это весьма непросто осуществить.
Согласно трем независимым методам подсчета мы начали потреблять существенно большее количество калорий в период эпидемии ожирения. Этот фактор можно рассматривать как главную причину появления лишнего веса. Проще говоря, мы прибавили в весе, потому что начали есть больше.
Теперь давайте на минутку отвлечемся. Мы рассматривали недавнее прошлое, потому что оно дает наиболее обширную информацию по адипозности. А что же первая половина XX века? Посмотрите на рис. 4. Я составил график потребления калорий в течение прошлого века на основе предоставленных министерством сельского хозяйства США (второй метод подсчета потребляемых калорий) данных о расходовании продуктов питания. Эти данные не отличаются высокой точностью, зато они хорошо демонстрируют общую тенденцию на протяжении обозначенного времени.[15]
Рис. 4. Количество потребляемых калорий на человека в день в США с 1909 по 2009 год. График составлен на основе данных министерства сельского хозяйства США и службы оценки доступности пищевых продуктов. Мы составили схему, сложив вместе калории, полученные из протеинов, жиров и углеводов, отняли общий процент пищевых отходов 28,8 % с учетом изменения метода оценки жидких масел с 1999 по 2000 годы
Как вы видите, в 1909 году калорий потребляли больше, чем в 1960-м. Хотя, как мы уже выяснили, в 1909 году не было эпидемии ожирения. Но почему?
Сжигаемые калории: как изменилась наша физическая активность
Чтобы ответить на это вопрос, мы должны рассмотреть второй фактор, влияющий на состояние адипозной, то есть жировой ткани: количество затрачиваемой человеком энергии. Энергия нужна организму, чтобы осуществлять функции метаболизма, обеспечивать кровообращение и газообмен. Кроме того, энергия необходима для сокращения мышц, чтобы мы могли ходить, пропалывать огороды, стоговать сено, доить коров, месить тесто, стирать руками грязную одежду и налаживать дела на фабрике. Очевидно, что сотню лет назад люди больше были заняты трудом такого рода, чем сегодня. Получается, что они больше ели, чтобы вести жизнь со сравнительно высоким уровнем физической активности.
Вот критический момент. В 1909 году высокая степень потреблении калорий соответствовала нуждам организма. Так как в последующие 50 лет наш стиль жизни постепенно изменился в связи с появлением бытовой техники, то уровень физической активности значительно снизился. Очень немногие продолжали работать в поле с плугом и мотыгой, все больше людей садились за руль автомобиля. Вы можете убедиться по графику на рис. 5, как сильно возросло число зарегистрированных машин в тот период. До 1913 года автомобиль мог себе позволить только каждый сотый американец. Сегодня на 10 американцев приходится восемь автомобилей.
Рис. 5. Количество зарегистрированных автомобилей на 1000 человек в США с 1900 по 2010 год. Данные министерства энергетики США.
Поскольку Америка стала «сидячей» нацией, к 1960 году снизился показатель потребляемых калорий. Люди меньше трудились, у них снизился аппетит, и поэтому они стали меньше есть.
Затем, примерно в 1978 году, что-то изменилось: мы стали потреблять очень много калорий.
Тенденция к потреблению большего числа калорий продлилась еще в течение последующих 20 лет. В итоге этот показатель достиг своего исторического максимума. Хотя мы по-прежнему ведем сидячий образ жизни. Ожирение подобно настоящей эпидемии распространялось настолько быстро, что власти смогли осознать масштабы бедствия только тогда, когда уже было слишком поздно.
Нация в дисбалансе
Когда человек потребляет больше калорий, чем сжигает, это приводит к нарушению энергетического баланса. Итог этой ситуации может быть только один: накапливание жира. Люди начали страдать ожирением потому, что стали потреблять больше калорий, чем им было необходимо и уже не могли оставаться стройными при существующих условиях физической активности. Проще говоря, они стали переедать.
В течение всей истории человечества, включая большую часть XX века, в США почти каждый индивид мог потреблять приблизительно столько калорий, сколько ему требовалось для поддержания жизнедеятельности, совершенно об этом не задумываясь. Но все же каким-то мистическим образом в определенный момент что-то заставило нас начать потреблять вдвое больше калорий, чем организму действительно необходимо. Какая-то сила подтолкнула людей к перееданию.
Что заставляет человека переедать? Ответив на этот вопрос, мы сможем справиться с данной проблемой. Давайте начнем искать ответ, несколько перефразировав вопрос: каким образом можно эффективно заставить нас переедать?
Хитрый способ заставить крысу переедать
Летопись изучения проблем ожирения хранит множество записей о грызунах, которые пожертвовали своей фигурой ради науки. В семидесятых годах ученые начали искать более эффективный способ откармливания крыс, чтобы всесторонне изучить проблему развития ожирения и его последствий. Раньше ученые просто добавляли жир в обычный корм для грызунов. Этот метод работал, но медленно – уходили целые месяцы на то, чтобы крыса растолстела. Изучение ожирения у грызунов превратилось в долгосрочный и дорогостоящий проект.
Однажды студент Энтони Склафани, нынешний директор Института питания и пищевого поведения в Бруклинском колледже, посадил свою подопытную крысу на лабораторный стол, где стояла кем-то оставленная миска с хлопьями «Froot Loops». Крыса подбежала к миске и от всей души ими полакомилась. Это было весьма удивительно, поскольку обычно крысы с осторожностью относятся к незнакомым продуктам. Наблюдая за тем, как крыса жадно поглощала человеческую еду, Склафани подумал, что она может быстрее приводить к ожирению, чем корм для грызунов с повышенным содержанием жира.
С целью найти быстрый и эффективный способ довести крысу до ожирения, Склафани отправился в супермаркет и купил разных магазинных «вкусностей»: конечно же, колечки «FrootLoops», сгущенное молоке с сахаром, печенья с шоколадной крошкой, салями, сыр, бананы, зефир, молочный шоколад и арахисовое масло. Склафани разложил это изобилие перед крысами, в том числе поставил привычные для них мисочки с гранулированным кормом и водой. Крысы тут же начали пожирать человеческую еду, потеряв всякий интерес к скучному грануляту. На таком рационе крысы начали прибавлять в весе с небывалой скоростью. За несколько недель у крыс развилось ожирение, при этом ни физические упражнения, ни изменения в окружающей среде не могли остановить этот процесс (хотя физические упражнения немного ослабляли темп набора веса). Склафани назвал составленный им рацион «диета из супермаркета», а сегодня большинство исследователей пользуются термином «ресторанная диета».
Склафани опубликовал свою работу в 1976 году. С тех пор ресторанная диета была и остается самым эффективным способом заставить крысу или мышь систематически переедать. С продуктами из супермаркета в этом отношении не может сравниться ни одна диета с повышенным содержанием жира или сахара.
На основании этого исследования можно сделать странный вывод. Человеческие «вкусности» из супермаркета способны заставить здоровую крысу активно переедать и накапливать лишний жир. Эффект рекордного набора веса при этом зависит не только от содержания жира или сахара в потребляемых продуктах. Если это заключение верно, то как воздействует эта пища на человеческий организм?
Хитрый способ заставить человека переедать
Эрик Равуссин сегодня руководит Научно-исследовательским центром питания и ожирения при Центре биомедицинских исследований Пеннингтона в городе Батон Руж. В начале девяностых он со своими коллегами занимались выявлением нового, более точного метода подсчета калорий и питательных веществ, потребляемых человеком. Как оказалось, они поставили перед собой нелегкую задачу. В то время по результатам ряда исследований ученые определили, что страдающие ожирением люди потребляют примерно столько же калорий, сколько и люди со здоровым весом. Исследователи поставили под вопрос роль калорий в развитии ожирения. Дело в том, что ученых ловко провели, ведь они пользовались данными, которые люди им предоставляли самостоятельно.
То есть исследователи просили людей рассказывать, что и в каких количествах они съедали и затем подсчитывали калории. У этого метода было неоспоримое достоинство: таким путем ученые могли получить реальную информацию о пищевых предпочтениях населения.
Но у метода также был и серьезный недостаток, который проявился несколько позже, когда ученые решили прибегнуть к более точному подсчету потребляемых калорий. На этот раз эксперименты показали, что люди с избыточным весом съедают больше калорий, чем люди со стройной фигурой. В своих расчетах ученые принимали во внимание рост, пол и уровень физической активности. (Как я говорил ранее, люди, страдающие ожирением, вынуждены потреблять больше калорий, чтобы поддерживать в стабильном состоянии массу своего тела). Из этого следует, что данные о количестве потребляемой пищи, полученные непосредственно от испытуемых, вводили экспериментаторов в заблуждение. Сегодня, имея многочисленные доказательства, мы можем объяснить причину этого несоответствия: люди не в состоянии правдиво описать что, а главное, сколько ими было съедено. Равуссин знал, что не сможет положиться на этот метод, так как его интересовали только проверенные данные.
В то время существовал более строгий подход к проведению подобного эксперимента. Людей закрывали в специальном лабораторном помещении, метаболической палате, и кормили по тщательно разработанной диете. Исследователи имели возможность оценивать и описывать каждую крошечку пищи. Таким образом, результаты эксперимента были предельно точными, однако сам подход был совершенно неестественным. Людям нельзя было самостоятельно выбирать еду, поэтому их реальное пищевое поведение невозможно было пронаблюдать. Этот метод расчета был очень надежным, но оторванным от действительности.
Равуссин и его коллеги стремились разработать некий средний подход. Он должен был сочетать в себе точность метаболической палаты и при этом давать людям возможность самостоятельно выбирать себе пищу, к которой привыкли в реальной жизни. Исследователи нашли решение: они установили в метаболической палате огромные продуктовые автоматы.
Автоматы предлагали большой выбор основных блюд, закусок и напитков. Набор продуктов в автоматах был не случайным. «После наблюдений за людьми мы выяснили, что они любят, а что – нет, – объяснил Равуссин, – поэтому мы загрузили в автоматы только заманчивые и аппетитные продукты». В меню были французские тосты, колбаски в сиропе, пирог с курятиной и овощами, шоколадно-ванильный пудинг, чизкейк, чипсы начос, шоколадные конфеты, газировка и яблоки в роли «здоровой» пищи (к сожалению, колечек FrootLoops не было), то есть людям предлагали в основном магазинную «вкуснятину». Ранее Склафани то же самое предлагал своим подопытным грызунам. Исследователи закрыли 10 добровольцев мужского пола в помещении с продуктовыми автоматами на семь дней и разрешили им брать из них любую пищу в любое время. Чтобы ученые могли фиксировать данные, испытуемый должен был вводить личный номер прежде чем получить пищу и сдавать все недоеденные остатки персоналу.
Эксперимент прошел успешно. Равуссин и его коллеги провели точный подсчет потребляемой пищи, получили необходимую информацию о ходе метаболических процессов, при этом испытуемые составляли свой рацион самостоятельно. В ходе эксперимента Равуссин сразу же подметил одну важную деталь: испытуемые усиленно переедали. «В среднем люди съедали в два раза больше, чем им на самом деле требовалось», – вспоминает ученый. Если быть точным, то добровольцы потребляли 173 процента калорий от суточной нормы. Они начали переедать в первый же день и продолжали в том же духе до конца эксперимента. За семь дней все мужчины поправились на два с половиной килограмма.
В течение трех последующих лет Равуссин опубликовал еще две исследовательские работы на тему «ресторанной диеты». Он и его коллеги закрывали в палате с продуктовыми автоматами мужчин и женщин, стройных и полных, людей европейской наружности и коренных американцев. Во всех случаях наличие бесплатной и вкусной пищи действовало на испытуемых одинаково – они основательно переедали, хотя экспериментаторы не ставили добровольцам такого условия. Равуссин назвал этот феномен «оппортунистическая прожорливость».
Результаты его исследований примечательны также тем, что в обычных условиях человека тяжело заставить систематически переедать несколько дней подряд (представьте, что за каждый прием пищи вам нужно было бы съедать в два раза больше!) В ходе других экспериментов ученые дополнительно стимулировали у испытуемых желание переедать, предлагая им деньги, но и при таком условии добровольцы еле-еле заставляли себя принимать дополнительную пищу. Они превозмогали растущее чувство тошноты, опасаясь разрыва желудка. А испытуемые Равуссина радостно и с удовольствием переедали, хотя их об этом никто не просил. Создается впечатление, что ученому удалось создать особую атмосферу, при которой естественные границы сытости оказались разрушены.
Добро пожаловать в мозг
Ютала набрал лишний вес, когда покинул родной остров Китава, изменив свой традиционный рацион и образ жизни. Точно так же располнели и американцы после того, как их стиль жизни претерпел изменения. Наша привычная пищевая среда сегодня очень напоминает меню из экспериментов Склафани и Равуссина. Чтобы понять, почему мы переедаем, находясь в подобной среде, и почему объедаемся, не имея на то сознательного намерения, мы должны изучить орган, который контролирует наше поведение, в том числе пищевое, – головной мозг.
2
Проблема выбора
Стен Гриллнер, исследователь из Каролинского института в Стокгольме, в помещении под своей лабораторией завел аквариум с целой стаей нетривиальных обитателей. Это были длинные, похожие на полуметровых червей создания с жадными круглыми ртами-присосками, внутри которых видны острые как бритва зубы – миноги. Они являются нашими очень далекими родственниками (рис. 6). Миноги и родственные им миксины считаются самыми примитивными представителями ныне живущих позвоночных, животных, которые в ходе эволюции развили у себя позвоночный столб, спинной и головной мозг.[16] Предки миног отделились от нашего общего предка примерно 560 миллионов лет назад. Это произошло до эволюции млекопитающих, динозавров, рептилий, амфибий и рыб. И задолго то того момента, когда наши предки впервые ступили плавником на твердую почву.
Рис. 6. Речная минога, Lampetrafluviatilis, и ее мозг.
Миноги являются нашими самыми дальними родственниками. Если сравнить мозг миноги и млекопитающих, то можно обнаружить общие для всех позвоночных животных принципы строения и элементы – ключевые нервные соединения, которые также лежат в основе человеческого мозга. Исследования Гриллнера доказывают, что внутри крошечного, размером с горошину, мозга примитивных животных находится зачаток человеческого аналитического аппарата.[17]
Если мы хотим постичь собственное пищевое поведение, то нам придется изучить функции мозга, которые участвуют в процессе принятия решений. И лучше всего начать с мозга миноги.
Проблема выбора: как осуществляется принятие решений в сложных условиях
Представьте себе двух роботов, которые стоят на сборочном автомобильном конвейере. Как только мимо робота 1 проезжает дверь, он окрашивает ее в зеленый цвет. За этой дверью следует другая, а робот 1 все продолжает делать одну и ту же работу. Он может выполнять только одно-единственное действие. Робот 1 не потребляет большого количества энергии, потому что выполняет одну задачу, обладает всего одной функцией и ему не нужно принимать решений. Теперь представьте робота 2, который может выполнять два действия: может окрашивать дверь в зеленый цвет или в красный. У робота 2 есть только одна форсунка для краски, и он не может пользоваться двумя цветами одновременно. Поэтому он должен решать, какой краской воспользоваться. Но как робот 2 принимает решение? Эта фундаментальная задача называется проблемой выбора. Она возникает всякий раз, когда несколько опций (зеленая и красная краска) претендуют на один и тот же общий ресурс, иначе говоря, средство выражения (одна форсунка). Чтобы разрешить проблему выбора, роботу 2 нужен селектор – некая функция, которая помогает определить, какой цвет краски выбрать для конкретной двери.
Наши самые древние предки были скорее похожи на робота 1 – простые существа, которым не нужно было решать, что делать. Но так продолжалось недолго. Как только они развили у себя способность выполнять более чем одну функцию, сохранив тот же набор ресурсов и средств выражения, им пришлось начать принимать решения. Те особи, которые принимали наилучшие решения, могли передать свои гены следующим поколениям.[18] Например, миноги могут исполнять несколько разных действий: закрепляться на камне, преследовать добычу, скрываться от хищников, спариваться, давать потомство и плавать в различных направлениях. Многие из этих действий являются взаимоисключающими, потому что для их осуществления требуются одни и те же мышцы. Поэтому минога подобно роботу 2 сталкивается с проблемой выбора и, чтобы ее решить, ей нужен сортирующий аппарат, или селектор.
Согласно мнению специалистов в области вычислительной неврологии и развития искусственного интеллекта эффективный селектор, находящийся в компьютере или в головном мозге, должен обладать определенным набором ключевых параметров.
1. Селектор должен выбирать только одну опцию. При наличии несовместимых опций, таких как «скрыться от преследователя» и «спариваться» селектор должен выбрать одну функцию и позволить соответствующим ресурсам (органам) выполнить заданную программу.
2. Селектор должен выбирать ту опцию, которая подходит для текущей ситуации наилучшим образом. Например, если минога видит опасного хищника, она должна скрыться от него.[19] Минога, которая попытается начать спаривание с опасным хищником, не сможет передать свои гены следующему поколению миног.
3. Селектор должен окончательно выбирать одну из опций. Если одна опция только немного лучше, чем другая, она все равно должна быть выбрана с полной определенностью.
Остальные несовместимые опции должны быть полностью исключены. Минога, которая одновременно пытается спариться и скрыться от преследователя, скорее всего, не оставит после себя многочисленного потомства.
В 1999 году исследователи из Шеффилдского университета опубликовали фундаментальную научную работу. На основе заключений специалистов и данных компьютерного моделирования ученые доказали, что функция осуществления выбора зависит от группы древних структур – базальных ганглиев, расположенных глубоко в человеческом мозге. Сегодня эту идею разделяют большинство неврологов. Чтобы разобраться в работе человеческого селектора, начнем с его упрощенной версии и рассмотрим селектор миноги.
Как миноги решают проблему выбора
Как минога решает, что ей делать? В глубине базальных ганглиев находится стриатум (полосатое тело) – структура, которая отвечает за прием входящих сигналов из других частей мозга.[20] Стриатум получает «заявки» от других участков мозга, каждая из которых представляет собой запрос на определенное действие. Так, например, один участок мозга миноги нашептывает стриатуму: «Спариваться», а другой кричит: «Скрываться от хищника!» и тому подобное. Было бы очень нехорошо, если бы все это происходило одновременно, потому что минога не в состоянии выполнять несколько функций сразу. Чтобы воспрепятствовать одновременной активации всех функций, сигналы от разных участков мозга контролируются мощными ингибиторными связями в базальных ганглиях.[21] Это означает, что базальные ганглии по умолчанию держат все поведенческие функции в отключенном состоянии. Только когда выбор осуществляется в пользу определенной «заявки», базальные ганглии снимают свой строгий ингибиторный контроль и позволяют действию осуществиться (рис. 7), т. е. работают как вышибалы, которые решают, какие функции получат доступ к мышечному аппарату, а какие будут отброшены.
Таким образом себя проявляет первый ключевой параметр селектора: он должен выбрать одну опцию и дать ей доступ к мышечному аппарату.
Большинство заявок на действие поступает из определенного участка мозга миноги, который носит название паллиум, или мантия мозга, и отвечает за планирование. Каждый маленький участок паллиума руководит конкретным вариантом поведения: преследование добычи, прикрепление к камню или бегство от хищника.
Рис. 7. Типовая модель работы базальных ганглиев при осуществлении выбора. (Тенденции развития неврологии. МакХафии и соавт. 28 (2005). – 401).
Участки паллиума выполняют две основные функции. Первая заключается в получении разрешения от базальных ганглиев и исполнении того варианта поведения, на котором специализируется конкретный участок. Например, участок «преследовать добычу» активирует информационный канал, который приводит в действие мускулатуру в таком порядке, какой необходим животному для поимки добычи.
Вторая функция паллиума позволяет собирать необходимую информацию об окружающей обстановке и внутреннем состоянии миноги. На основе полученных данных участок паллиума определяет интенсивность сигнала, который он собирается направить в стриатум[22] (см. рис. 7). Например, если рядом с миногой возникнет хищник, то участок «скрыться от хищника» направит настойчивый запрос в стриатум, в то время как область «вывести потомство» будет посылать слабый сигнал. Если минога голодна и видит добычу, то сигнал «преследовать добычу» будет ярче, чем сигнал «закрепиться на камне».
Каждый маленький участок паллиума стремится реализовать то поведение, за которое он отвечает, и они как бы соревнуются между собой за первенство, так как одновременное выполнение действий не представляется возможным. Интенсивность запроса, исходящего от паллиума, говорит о релевантности какого-то одного типа поведения на текущий момент времени. И в этой ситуации задача стриатума проста: удовлетворить самый настойчивый запрос. Таким образом реализовывается второй ключевой параметр селектора – выбор той опции поведения, которая подходит для текущей ситуации наилучшим образом.
В то же мгновение, когда стриатум отвечает на самый интенсивный сигнал, он отвергает остальные конкурирующие запросы. Таким образом, как только запрос «скрыться от хищника» получает одобрение, другие варианты поведения, например «закрепиться на камне» или «преследовать добычу», немедленно отвергаются. В этом заключается третий ключевой параметр селектора – окончательно принять решение в пользу одной опции, отвергнув все остальные.
Каждый участок паллиума связан с определенной частью стриатума. Паллиум посылает сигнал в стриатум, и затем сигнал из стриатума (через другие части базальных ганглиев) возвращается назад в тот же участок паллиума.
Иными словами, определенный участок паллиума и стриатум связаны замкнутой цепью, которая реализует запрос на конкретное действие (см. рис. 7). Например, существует цепь для преследования добычи, для ускользания от хищника, для прикрепления к камню и так далее. Каждый отдельный участок паллиума без конца нашептывает стриатуму, упрашивая дать добро на исполнение того или иного поведенческого шаблона. А стриатум по умолчанию отвечает на это «нет!» При особых обстоятельствах шепот паллиума превращается в крик, и тогда стриатум исполняет требования настойчивого паллиума и приводит в действие мышцы. Таким образом, минога способна адекватно реагировать на окружающую обстановку с учетом своего внутреннего состояния.[23]
Принимая во внимание все вышесказанное, нам стоит воспринимать отдельные участки паллиума как генераторы сигналов, которые предлагают разные варианты поведения. Каждый отдельный генератор сигналов все время находится в противостоянии с остальными, несовместимыми с ним генераторами. В одно и то же время они пытаются получить доступ к мышцам.
Побеждает тот генератор, чей сигнал на текущий момент является самым сильным. Базальные ганглии оценивают интенсивность сигналов от генераторов, выделяют самый настойчивый, дают генератору доступ к мышцам и отвергают запросы конкурирующих генераторов (см. рис. 7). Минога скрывается от хищника и спасает свою жизнь, чтобы передать свои гены следующему поколению.
Решение проблемы выбора у млекопитающих
Мозг человека, конечно, устроен намного сложнее, чем мозг миноги. Млекопитающих отличает от всех остальных земных созданий нервная система колоссальной сложности. Благодаря ей мы в состоянии принимать разумные решения. Чтобы оценить всю мощь этой системы, достаточно посмотреть на количество энергии, которое она поглощает. Человеческий мозг потребляет одну пятую часть от всего объема затрачиваемой организмом энергии, это особенно примечательно в связи с тем, что на мозг приходится всего 2 процента веса всего тела. Эволюция позволила нам влачить это энергоемкое бремя неспроста – все дело в его исключительной важности с позиции прогрессивного развития. Принятие разумных решений – это мощный эволюционный инструмент, которым человек владеет лучше всех остальных животных.
Так что же общего у мозга миноги и мозга человека разумного? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые из Каролинского университета Стен Гриллнер и Маркус Стефенсон-Джонс работали не покладая рук. На основе работ своих предшественников исследователи сравнили анатомию и физиологию базальных ганглиев миног и млекопитающих (на рис. 9 изображены базальные ганглии человеческого мозга). Результат был просто ошеломляющим. Несмотря на то что миногу и млекопитающее животное (в том числе и человека) разделяет пропасть в 560 миллионов лет эволюции, базальные ганглии обоих представителей фауны не отличаются друг от друга. Они состоят из одних и тех же компонентов, которые взаимодействуют между собой схожим образом. Нейронная структура ганглиев, электрические сигналы и их проводимость – все почти идентично. Эти факты позволили Гриллнеру и Стефенсон-Джонсу сделать поразительный вывод: «практически все компоненты базальных ганглиев и связи внутри них сформировались около 560 миллионов лет назад». «Фундаментальная часть головного мозга позвоночных животных использовалась на протяжении всего хода эволюции практически в неизменном виде. Механизм принятия решений является общим для миног, рыб, птиц, млекопитающих и человека», – добавил Стефенсон-Джонс. Наши предки выбили хоум-ран[24] еще 560 миллионов лет назад, и мы до сих пор пользуемся «технологиями», которые были в ходу в доисторические времена.
Рис. 8. Человеческий мозг.
Рис. 9. Базальные ганглии и их части. Стриатум состоит из двух компонентов – хвостатого ядра и путамена.
Минога способна решать разноплановые задачи, но, конечно, не столь многочисленные по сравнению с человеком. Нам необходимо разбираться с тем, что приготовить на ужин, как выплатить ипотеку и выразить свое отношение к Богу. Очевидно, что в нашем мозговом оборудовании есть существенные отличия, которые позволяют нам осознавать окружающий мир и делать свой выбор. Но если диапазон интересов человека настолько отличается от забот миноги, то почему базальные ганглии в обоих случаях так схожи? Гриллнер и Стефенсон-Джонс предлагают этому феномену свое объяснение. Существует эволюционный процесс, который носит название экзаптация. Его можно рассмотреть как противоположность адаптации. При адаптации происходит развитие новых структур, например возникают легкие для дыхания воздухом или развивается четырехкамерное сердце. При экзаптации существующие структуры приобретают новые функции. Например, увеличение влияния базальных ганглиев и расширение границ влияния на принятие решений для того, чтобы решать новые, более сложные задачи. Гриллнер и Стефенсон-Джонс предполагают, что базальные ганглии у ранних позвоночных работали и так достаточно эффективно, поэтому эволюции не нужно было их преобразовывать с целью устранения ошибок. Строительство можно было продолжать на этом надежном фундаменте.
Если говорить о человеческом мозге, то самые многочисленные сигналы в стриатум поступают из коры больших полушарий. Кора развилась из рудиментарного паллиума (такого же органа, который мы сегодня можем найти у миног). Развитие коры мозга позволило перейти на усложненный уровень принятия решений. Конечно, без коры больших полушарий доступно выполнение большинства базовых функций, которыми управляют другие, более древние образования головного мозга.[25] Но вот разобраться с ипотекой или думать о Боге без нее не получится. У людей по сравнению с другими животными кора мозга гипертрофирована. Именно она играет ключевую роль в работе нашего исключительного интеллекта. У миног мантия мозга находится в зачаточном состоянии (рис. 10).[26] Возможно, по этой причине они избавлены от необходимости выплачивать ипотеку.
Рис. 10. Мозг миноги, лягушки, крысы и человека. Темным выделены участки коры головного мозга (или паллиум).
У высших животных запросы в стриатум поступают из коры больших полушарий головного мозга. Это значит, что базальным ганглиям досталась более значительная роль, чем они выполняли в те незапамятные времена, когда мы и миноги отделились от общего предка. Как показали исследования, кора не только посылает запросы к базальным ганглиям, но и принимает обратный сигнал, в точности, как паллиум у миног.[27] Эта двусторонняя связь формирует нейронные цепи, которые исходят из определенных участков коры и снова возвращаются к ним. Каждый из этих участков является генератором сигналов. Нейронные цепи соединяют базальные ганглии с различными частями мозга млекопитающих. Разные участки мозга регулируют не только физическую активность, но и мотивацию, эмоции, мысли, ассоциации и другие многочисленные процессы.
Поделиться книгой: