Помоги проекту - поделись книгой:
Высокая степень соединений в мозге полезна, но есть и потенциально слабые стороны. Так как каждый нейрон связан с сетью «тесного мира», электрические сигналы могут быстро и широко распространяться, запуская каскад реакций других клеток. Теоретически такие реакции способны породить хаотичную лавину, вызвать приступ и временно вывести мозг из строя.
К счастью, вероятность этого невелика – за всю жизнь подобный приступ переживает лишь около 1 % населения. Мозг поддерживает здоровое равновесие – притормаживает сигналы нейронов, чтобы не допустить хаотичного переполнения, но при этом не останавливает весь поток.
Понимание того, как мозг достигает золотой середины, пришло в 1970-е годы, когда Джек Коуэн из Чикагского университета предположил, что равновесие представляет собой состояние, хорошо известное физикам-теоретикам как критическая точка или «грань хаоса». Он считает, что каскады разряжающихся нейронов, или «нейронные лавины» – это моменты, когда клетки мозга временно проходят критическую точку и затем возвращаются в состояние покоя.
Лавины, лесные пожары и землетрясения также подчиняются правилам систем, оказавшихся в критической точке, и все они имеют некоторые общие математические характеристики. Главная из них – степенной закон распределения, согласно которому серьезные землетрясения или лесные пожары происходят реже, чем мелкие, в соответствии со строгим математическим соотношением; например, вероятность землетрясения, которое в 10 раз сильнее, обратная – одна десятая.
В 2003 году Джон Беггз и Дитмар Пленз из Национального института психического здоровья, США, проверили, работает ли этот закон для мозга. И действительно, они обнаружили, что в мозге крыс разряжающийся нейрон передает сигнал в среднем только одному соседу, как в системе на грани хаоса. Происходят и крупные нейронные лавины, но чем крупнее их масштаб, тем реже вероятность, – в соответствии со степенным законом распределения.
Сравнение изображений фМРТ с учетом такой теории позволяет предположить, что подобный тип активности на грани хаоса существует и в гораздо более крупном масштабе – по всему мозгу человека. Более того, судя по компьютерным моделям, это может быть следствием структуры «тесного мира».
Балансирование на грани хаоса возможно и рискованно, но считается, что критическое состояние дает мозгу максимальную гибкость – ускоряет передачу сигнала и позволяет быстро корректировать деятельность при изменении ситуации. Исследователи начинают задумываться, не являются ли некоторые расстройства, например эпилепсия, результатом нарушения этого тонкого равновесия. «Возможно, именно это нужно для здоровья мозга, как есть здоровый ритм сердца и здоровое кровяное давление», – сказал Беггз.
Идеи: борьба за выживание
Когда ваш разум перескакивает с одной мысли на другую, кажется, что за ваше внимание постоянно борются десятки чувств и идей. И это на удивление близко к истине: сражение нейронных сетей действительно похоже на борьбу за выживание между хищными видами и их добычей. Возможно, ваш отвлекающийся разум – побочный продукт этого процесса.
Михаил Рабинович и Жиль Лоран, работая в Институте исследований головного мозга им. Макса Планка во Франкфурте-на-Майне, Германия, первыми заметили, что нейронная активность колеблется наподобие волны. Они изучали нейроны органа насекомых, который по функциям соответствует обонятельной луковице, обрабатывающей запах. Ученые предполагали увидеть так называемое привыкание – спад активности после обнаружения нейроном запаха. Но время шло, а показатели колебались вверх и вниз.
Приглядевшись повнимательнее, Рабинович заметил, что график активности подозрительно похож на схему взаимодействия хищников и добычи, описанную математиками Альфредом Лоткой и Вито Вольтеррой в начале ХХ в. Согласно этой схеме, когда хищники практически исчерпывают запас добычи, они голодают и частично вымирают, что позволяет добыче восстановиться. Как только добычи вновь становится достаточно, цикл начинается сначала.
Рабинович говорит, что нечто похожее происходит и в мозге. Однако здесь борьба идет не между соперниками, а между когнитивными сочетаниями, формирующими мысль. Каждое из них получает лишь ускользающее превосходство, и это может объяснить знакомый опыт блуждания мыслей.
Разобравшись, как эти состязания разворачиваются в здоровом мозге, при обсессивно-компульсивном расстройстве и при синдроме дефицита внимания и гиперактивности, мы можем научиться направлять потенциально разбалансированное состязание мыслей к здоровому состоянию.
Вычислить будущее
Еще одна из серьезнейших математических задач мозга – это прогнозирование в условиях шумного потока электрической активности. Какие слова с бóльшей вероятностью всплывут в разговоре? Или достаточно ли места между машинами, чтобы перебежать дорогу?
Одно из объяснений, как это происходит, находится в области математики и называется байесовский вывод, по имени математика XVIII века Томаса Байеса. Теория предлагает способ вычисления вероятности будущего события, основываясь на имеющемся опыте и поступающих новых данных. Нейробиологи десятилетиями рассуждали, как мозг использует этот принцип для построения прогнозов, но Карл Фристон из Университетского колледжа Лондона пошел другим путем.
Фристон исследовал механизм, с помощью которого мозг снижает вероятность ошибок, возможных при байесовских выводах, – другими словами, как мозг избегает сюрпризов. Ученый понял, что для математического описания этих процессов можно использовать математику термодинамических систем, таких как паровой двигатель, и предложил теорию, которую назвал «принципом свободной энергии». Так как прогноз занимает центральное место в работе мозга, Фристон считает, что принцип содержит общий закон для большей части (или для всей) нейронной активности – в плане описательности и простоты это нейрофизиологический эквивалент закона
С помощью принципа свободной энергии Фристон описал, как нейроны посылают сигналы назад и вперед в зрительной коре в ответ на поступающие картинки. Он считает, что теория объясняет и некоторые наши физические действия. Ученый симулировал движения глаз при выборе нами знакомых и незнакомых образов и предположил, что таким образом мозг выстраивает картинку с каждым движением, минимизируя ошибки первоначального восприятия. В другой работе Фристон рассмотрел тонкую координацию руки, когда мы тянемся к предмету, и с помощью принципа свободной энергии описал, как мы регулируем движения мышц, объединяя внутренние сигналы от движения сустава с визуальной информацией.
Другие ученые с помощью этой теории объясняют некоторые удивительные проявления мозга. Дирк Де Риддер из Медицинской школы Университета Отаго в Данидине, Новая Зеландия, с помощью этого принципа описал фантомные боли и звуки, которые возникают во время сенсорной депривации. Ученый предполагает, что это следствие нейронных процессов, когда мозг лихорадочно пытается предсказать будущие события в ситуации почти полного отсутствия информации для прогноза.
Все эти разговоры о нейронах, соединениях и математических законах несколько огорчают. Неужели наши надежды, любовь и само существование в действительности просто следствие прохождения электрического тока по массе серых тканей? «Да», – отвечает нейрофилософ Патриция Чёрчленд из Калифорнийского университета в Сан-Диего, но такая реальность должна вдохновлять нас, а не пугать.
– Вы считаете открытия в нейронауке равноценными таким открытиям, как вращение Земли вокруг Солнца, или что сердце – это насос. Что общего в этих идеях?
– Они подрывают устоявшуюся структуру предположений об устройстве мира. Для христиан было очень важно, что Земля – центр Вселенной. Точно так же многие верили, что именно сердце каким-то образом делает нас людьми, но оказалось, что оно – насос из мяса.
Я думаю, то же самое касается понимания, что наше бодрствование, сон, злость, страх – это просто функции физического мозга. Принять нашу нейронную суть очень непросто. Это назвали «нейроэкзистенциализмом», и это довольно точное определение. Мы не привыкли думать о себе подобным образом.
– Почему нам так сложно увидеть, чем мы являемся на самом деле?
– Отчасти это связано с эволюцией нервных систем. Нужно ли мозгу знать о себе? Мы можем прекрасно обойтись без этой информации, как обходимся без знаний о том, как печень отфильтровывает токсины. Но прекрасно, конечно, что наука позволяет нам знать.
– Огорчают ли Вас какие-либо результаты исследований нейронауки?
– Я бы сказала, что нет. К этому надо привыкнуть, но меня они не шокируют. Конечно же, я понимаю двойственное отношение людей. С одной стороны, их завораживает, что болезнь Альцгеймера у их матери объяснима, но, с другой стороны, они думают: «Как же так, моя любовь к моему ребенку – это всего лишь химия нейронов?» Да, так и есть. Но меня это не беспокоит.
– Похоже, Вы считаете естественным, что наука о мозге вызывает протест. Что привело Вас к этому заключению?
– Многие годы я преподавала философию нейронауки, и мои студенты часто спрашивали, не шокирует ли меня то, что мы – всего лишь мозг. Не беспокоит ли это меня? Мы обсуждали, почему это беспокоит их. Я знаю, некоторые люди испытывают опасения и противоречивые чувства.
– Вы согласны, что многим высшим функциям, в том числе сознанию, сну и сновидениям, пока нет удовлетворительных объяснений. Мы правда готовы утверждать, что мы – это наш мозг?
– Верно, у нас пока нет адекватных объяснений для явлений, и важно не переоценивать ситуацию. Но все новые данные, которые мы получаем, указывают именно на это.
– Вы говорите, что нейронаука оспаривает веру в такие вещи, как существование души и жизнь после смерти. Но такая вера все еще широко распространена?
– Думаю, в разных культурах по-разному. Возможно, в Британии меньше необходимость оспаривать такие идеи, но здесь, в Америке, это важно. У многих людей, не обязательно с сильными религиозными взглядами, есть чувство, что после смерти есть что-то еще.
– Даже тех людей, которые в целом приняли нейронауку, беспокоят некоторые идеи – например, свобода воли. Она у нас есть?
– Лучше задать вопрос, есть ли у нас самоконтроль – и эволюционное объяснение ему несложно разглядеть. Нам необходима способность держать цель, несмотря на отвлекающие моменты. Нам необходимо подавлять некоторые импульсы. Мы действительно кое-что знаем о нейробиологии самоконтроля, и нет сомнений, что мозг демонстрирует самоконтроль.
С моей точки зрения, лучше и быть не может. Когда нам необходимо принять решение о чем-то – например, купить новую машину – механизмы самоконтроля работают понятными для нас способами: мы решаем не тратить больше, чем можем себе позволить, выбираем более или менее практичную машину. Именно это и есть свобода воли. Но свобода воли – это вовсе не формирование решения без каких бы то ни было предпосылок.
– Может ли нейронаука предложить практически применимое мировоззрение?
– Нейронаука не дает сценария, как прожить жизнь. Но я думаю, что некоторое понимание природы мозга способствует здравомыслию.
– Кто-то может сказать, что теория «мы – это всего лишь мозг» делает жизнь унылой, безжалостной и, в конечном итоге, бесплодной. Что Вы ответите на это?
– Она совсем не унылая. Я не понимаю, как существование бога или души придает смысла моей жизни. Как именно это работает? Никто так и не дал адекватного ответа. Моя жизнь имеет смысл, потому что у меня есть семья, значимая работа, потому что я люблю играть, у меня есть собаки. Это наполняет мою жизнь смыслом, и я думаю, для большинства людей это тоже так.
И что произойдет в конце? Я умру – вот и все. Возможно, я сумасшедшая, но мне нравится эта идея.
Мозг человека крупнее и лучше развит, чем у других приматов. Особенно это касается полушарий головного мозга. Фронтальные и префронтальные области полушарий связаны со сложными видами мышления и социального взаимодействия: планированием, принятием решений, сочувствием, ложью, моральными суждениями и др. Но с поправкой на размеры тела различия довольно малы.
Судя по всему, различия между мозгом человека и шимпанзе или гориллы касаются в первую очередь связей между нейронами. У людей есть несколько уникальных генов, которые управляют миграцией нервных клеток во время развития мозга, и разные варианты проявления генов. Поэтому мозг не сильно отличается по строению, но работает по-другому.
У других млекопитающих мозг меньше, с менее развитыми лобными долями. У животных, более далеких от людей по эволюционному древу, вообще нет коры мозга – например, у рептилий весь мозг напоминает наш мозговой ствол. У простых животных мозг – это просто вздутие вверху нервной цепочки или вокруг области рта.
Не стоит судить о разуме, исходя только из размера мозга: соотношения сильно меняются в зависимости от метода измерения
Рис. 1.6. Размер – это еще не все
Как развивался ваш мозг
Появились первые животные. У них не было мозга, но в конечном итоге развились нервные клетки, которые сообщались друг с другом с помощью электрических импульсов и химических сигналов.
Нейроны развивались: у них появились аксоны – длинные отростки, с помощью которых можно передавать сигналы на бóльшие расстояния.
Примерно в это время сформировалась центральная нервная система. Это позволило не просто передавать, а обрабатывать информацию.
У примитивных рыб появилось нечто похожее на головной мозг. Позже развились многие центральные образования, которые есть и в нашем мозге.
Появились первые млекопитающие. У них была небольшая новая кора – слои нейронной ткани на поверхности мозга, которые отвечают за сложность и гибкость поведения.
Появились приматы. Возможно, стоявшая перед ними задача отслеживать свою социальную жизнь – причина сильного расширения лобной области новой коры.
В Африке жила обезьяна, от которой произошли мы. Мозг большинства ее потомков (орангутанов, горилл и шимпанзе) не сильно изменился по сравнению с ветвью, которая привела к нам.
Ветвь человека отделяется от его ближайших родственников: шимпанзе и бонобо.
Появился
Появился
В Африке и Европе жил
В Африке появились люди с современным мозгом, который более чем в два раза крупнее, чем у
Начал уменьшаться средний размер человеческого мозга. Сегодня он сократился на 3–4 % относительно размера тела.
2
Память
Что такое память?
Для начала, это не одна вещь, а много. В зависимости от того, как долго мозг сохраняет разную информацию, ученые выделяют три вида памяти: сенсорную, кратковременную и долговременную.
Сенсорная память
Каждое мгновение жизни организма глаза, уши и другие органы чувств получают информацию и передают ее нервной системе на обработку. Наше хранилище сенсорной памяти удерживает эти данные несколько мгновений. Поэтому, например, бенгальский огонь позволяет нам выписывать буквы и круги в воздухе благодаря мимолетному впечатлению о его пути.
Одним из первых этот феномен исследовал Иоганн Зегнер, венгерский ученый XVIII века. Говорят, он прикреплял тлеющий уголь к колесу, которое вращал все быстрее, пока не создавалось впечатление неразрывного круга. 200 лет спустя психолог из США Джордж Сперлинг провел системные исследования. Изучая способность людей воспроизводить набор букв, которые быстро мелькали на экране, он обнаружил, что наши мимолетные зрительные впечатления (так называемая
Считается, что сенсорные воспоминания хранятся в виде временных сочетаний электрической активности в сенсорном и воспринимающем участках мозга. Когда деятельность затихает, воспоминание также угасает. Но пока воспоминание держится, оно дает детальный образ всего сенсорного опыта, из которого соответствующие кусочки информации можно забрать в кратковременную память и далее обработать рабочей памятью.
Кратковременная и рабочая память
Когда вы звоните в ресторан и, набирая номер, держите его в уме, вы используете кратковременную память. Она может сохранять около семи элементов информации в течение 15–20 секунд, но это время увеличивается благодаря постоянным повторениям.
Казалось бы, семь элементов информации – это немного, но ограничение можно обойти, «нарезав» кусочки информации на значимые элементы. Например, номер телефона из десяти цифр легче запомнить, если поделить цифры на три группы: код региона (предположим, 021), блок из трех цифр (639) и блок из четырех цифр (4345).
Судя по всему, кратковременная память хранит речевую и зрительно-пространственную информацию в разных местах. Речевому хранилищу уделили больше всего внимания. Его существование логически вывели из экспериментов, в которых ученые просили испытуемых вспомнить списки слов. Обычно люди гораздо лучше помнят последние несколько элементов списка, но эффект исчезает, если проверку отложить на несколько секунд, особенно если в промежутке происходит речевая деятельность, мешающая процессу хранения, например, счет в обратном порядке.
Судя по всему, речевые краткосрочные воспоминания хранятся в акустической или фонологической форме. Последовательность звучащих похоже букв (например, П Д Б В С Т) сложнее вспомнить правильно, чем звучащих непохоже (например, У К Л И Р З), даже если информация изначально представлена визуально.
Кратковременная память тесно связана с рабочей памятью, и два термина часто используются как взаимозаменяемые. Но есть различия: кратковременная память – это пассивное хранение и воспроизведение информации из недавнего прошлого, а рабочая память – активный процесс, предполагающий обработку этой информации. Кратковременная память поможет вспомнить, что именно вам только что сказали, а рабочая память позволит пересказать в обратном порядке или назвать первые буквы каждого слова.
Рис. 2.1. Память: от ощущения к хранению
Долговременная память
Особенно важная информация передается в долговременное хранилище мозга, где может лежать годами и даже десятилетиями. Там хранятся ваша дата рождения, номер телефона, номер машины и девичья фамилия матери.
В отличие от кратковременной памяти c ее акустическими образами, долговременная память, похоже, сохраняет смысловое содержание сообщения. Если вы попробуете вспомнить информацию после перерыва, то вряд ли вы воспроизведете точные слова, но их значение или основной смысл придут относительно быстро. Тем не менее это приводит к ошибкам.
Долговременные воспоминания принимают много разных форм. В частности, семантическая память связана со знанием фактов (например, что Париж – столица Франции), хотя вы не обязательно вспомните обстоятельства, при которых получили эту информацию. Эпизодические воспоминания касаются конкретных событий вашей жизни (например, дня, когда вы сдали экзамен на водительские права).
Кроме того, долговременные воспоминания бывают разных видов в зависимости от их воздействия на ваше поведение. Эксплицитной памятью называют сознательно вспоминаемые события или кусочки информации, а имплицитной – опыт, влияющий на поведение, чувства или мысли, даже если сами события или факты неактивны в памяти. Предположим, утром по дороге на работу вы прошли мимо итальянского ресторана, а позже в этот день решили съесть итальянское блюдо, не осознавая, что на вас повлияло увиденное утром.
Благодаря исследованиям, начиная с первой важной работы канадского психолога Дональда Хебба в 1940-х годах и до недавних трудов нейропсихиатра Эрика Кандела из Колумбийского университета в Нью-Йорке, мы сегодня знаем, что долговременные воспоминания сохраняются благодаря стабильным и постоянным изменениям в нейронных связях. Исследования морских слизней (которые вырастают до 30 см и имеют такие же огромные нервные клетки) позволили посмотреть, что происходит при формировании нового воспоминания. Выяснилось, что когда морские слизни выучивали простую реакцию на стимул, некоторые их синапсы укреплялись. Значит, импульс в первом нейроне с бóльшей вероятностью «включал» второй нейрон. Судя по всему, это основа памяти у любого животного с нервной системой. Работа оказалась столь важной, что принесла Канделу Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2000 году.
В последние годы у нас появилась возможность изучать эти процессы неинвазивно, например с помощью фМРТ. Судя по всему, для «перевода» информации из кратковременной памяти в долговременную важны участки промежуточного мозга и гиппокампа.
Как память выглядит в мозге?
Ответы на удивление сложно найти, в том числе и потому что у мозаики памяти множество кусочков. Одни исследования концентрируются на мельчайших деталях происходящего и связях между клетками мозга. Другие пытаются разобраться с субъективным опытом – например, как у Марселя Пруста, когда вкус печенья «Мадлен» будил в памяти героя сцены из детства.
Точную картину изменений в мозге при формировании нового воспоминания гораздо сложнее раскрыть, но разрозненные данные постепенно объединяются в потрясающую картинку того, как воспоминания становятся клеем, связывающим нашу жизнь и нашу индивидуальность.
Работа Кандела с морскими слизнями раскрыла, как формируется память, но не ответила на вопрос, где именно происходит волшебство.
Странный случай Генри Молисона
Нейронаука многое узнала благодаря одному печальному случаю. В 1953 году Генри Молисону (долгое время известному только по своим инициалам Г. М.) была сделана неудачная операция. Хирург пытался убрать ткани мозга, вызывавшие эпилепсию. Приступы Молисона начинались в парной структуре в полушариях мозга, гиппокампе, и хирург его удалил.
Последствия для 27-летнего Молисона оказались колоссальными. Он не мог долго удерживать мысль в голове, и ему до конца жизни требовался уход. Но гигантской была и ценность для нейробиологии – мы узнали море информации из того, какие способности Молисона операция уничтожила, а какие пощадила.
Похоже, Молисон помнил почти все, что знал до операции. Это позволило предположить, что хотя структуры гиппокампа важны для формирования новых воспоминаний, они мало связаны с их хранением. Кратковременная память также не пострадала – Молисон удерживал информацию в течение 15–30 секунд, но не дольше. Кроме того, оказалось, что существуют важные подразделы долговременной памяти: Генри все еще мог приобрести физические навыки, например, научиться ездить на велосипеде, но у него не возникали новые воспоминания о собственной жизни, и он не запоминал новые факты.
Долго ли, коротко ли
Поделиться книгой: