Здоровье

Как в мозге зарождаются мысли и эмоции. Что происходит в мозгу медитирующего? О процессе обучения с точки зрения нейробиологии

Экология сознания: Жизнь. Совершенно точно доказано, что наш мозг - дико пластичная штука, и индивидуальное обучение серьезно на него влияет - в значительно большей степени, чем врожденные предрасположенности.

Если сравнивать с детенышами других животных, можно сказать, что человек рождается с недоразвитым мозгом: его масса у новорожденного составляет всего 30% массы мозга взрослого. Эволюционные биологи предполагают, что мы должны рождаться недоношенными, чтобы наш мозг развивался, взаимодействуя с внешней средой. Научный журналист Ася Казанцева в лекции «Зачем мозгу учиться?» в рамках программы «Арт-образование 17/18» рассказала

О процессе обучения с точки зрения нейробиологии

и объяснила, как мозг меняется под влиянием опыта, а также чем во время учебы полезны сон и лень.

Кто изучает феномен обучения

Вопросом, зачем мозгу учиться, занимаются как минимум две важные науки - нейробиология и экспериментальная психология. Нейробиология, изучающая нервную систему и происходящее в мозге на уровне нейронов в момент обучения, работает чаще всего не с людьми, а с крысами, улиточками и червячками. Специалисты по экспериментальной психологии пытаются понять, какие вещи влияют на обучаемость человека: например, дают ему важное задание, проверяющее его память или обучаемость, и смотрят, как он с ним справляется. Эти науки интенсивно развивались в последние годы.

Если смотреть на обучение с точки зрения экспериментальной психологии, то полезно вспомнить, что эта наука - наследница бихевиоризма, а бихевиористы считали, что мозг - черный ящик, и их принципиально не интересовало, что в нем происходит. Они воспринимали мозг как систему, на которую можно воздействовать стимулами, после чего в ней случается какая-то магия, и она определенным образом на эти стимулы реагирует. Бихевиористов интересовало, как может выглядеть эта реакция и что на нее способно влиять. Они считали, что обучение - это изменение поведения в результате освоения новой информации

Это определение до сих пор широко применяется в когнитивных науках. Скажем, если студенту дали почитать Канта и он запомнил, что есть «звездное небо над головой и моральный закон во мне», озвучил это на экзамене и ему поставили пятерку, значит, произошло обучение.

С другой стороны, такое же определение применимо и к поведению морского зайца (аплизии). Нейробиологи часто ставят опыты с этим моллюском. Если бить аплизию током в хвостик, она начинает бояться окружающей реальности и втягивать жабры в ответ на слабые стимулы, которых она раньше не боялась. Таким образом, у нее тоже происходит изменение поведения, обучение. Это определение можно применять и к еще более простым биологическим системам. Представим себе систему из двух нейронов, соединенных одним контактом. Если мы подадим на нее два слабых импульса тока, то в ней временно изменится проводимость и одному нейрону станет легче подавать сигналы другому. Это тоже обучение на уровне этой маленькой биологической системы. Таким образом, от обучения, которое мы наблюдаем во внешней реальности, можно построить мостик к тому, что происходит в мозге. В нем есть нейроны, изменения в которых влияют на нашу реакцию на среду, т. е. на произошедшее обучение.

Как работает мозг

Но чтобы говорить о мозге, нужно иметь базовое представление о его работе. В конце концов, у каждого из нас в голове есть эти полтора килограмма нервной ткани. Мозг состоит из 86 миллиардов нервных клеток, или нейронов. У типичного нейрона есть тело клетки со множеством отростков. Часть отростков - дендриты, которые собирают информацию и передают ее на нейрон. А один длинный отросток, аксон, передает ее следующим клеткам. Под передачей информации в рамках одной нервной клетки подразумевается электрический импульс, который идет по отростку, как по проводу. Один нейрон взаимодействует с другим через место контакта, которое называется «синапс», сигнал идет с помощью химических веществ. Электрический импульс приводит к высвобождению молекул - нейромедиаторов: серотонина, дофамина, эндорфинов. Они просачиваются через синаптическую щель, воздействуют на рецепторы следующего нейрона, и он изменяет свое функциональное состояние - например, у него на мембране открываются каналы, через которые начинают проходить ионы натрия, хлора, кальция, калия и т. д. Это приводит к тому, что на нем, в свою очередь, тоже формируется разность потенциалов, и электрический сигнал идет дальше, на следующую клетку.

Но когда клетка передает сигнал другой клетке, этого чаще всего недостаточно для каких-то заметных изменений в поведении, ведь один сигнал может получиться и случайно из-за каких-то возмущений в системе. Для обмена информацией клетки передают друг другу много сигналов. Главный кодирующий параметр в мозге - это частота импульсов: когда одна клетка хочет что-то передать другой клетке, она начинает посылать сотни сигналов в секунду. Кстати, ранние исследовательские механизмы 1960–70-х годов формировали звуковой сигнал. В мозг экспериментальному животному вживляли электрод, и по скорости треска пулемета, который слышался в лаборатории, можно было понять, насколько активен нейрон.

Система кодирования с помощью частоты импульсов работает на разных уровнях передачи информации - даже на уровне простых зрительных сигналов. У нас на сетчатке есть колбочки, которые реагируют на разные длины волн: короткие (в школьном учебнике они называются синие), средние (зеленые) и длинные (красные). Когда на сетчатку поступает волна света определенной длины, разные колбочки возбуждаются в разной степени. И если волна длинная, то красная колбочка начинает интенсивно подавать сигнал в мозг, чтобы вы поняли, что цвет красный. Впрочем, тут все не так просто: у колбочек перекрывается спектр чувствительности, и зеленая тоже делает вид, что она что-то такое увидела. Дальше мозг самостоятельно это анализирует.

Как мозг принимает решения

Принципы, аналогичные тем, что используются в современных механических исследованиях и опытах на животных с вживленными электродами, можно применять и к гораздо более сложным поведенческим актам. Например, в мозге есть так называемый центр удовольствия - прилежащее ядро. Чем более активна эта область, тем сильнее испытуемому нравится то, что он видит, и выше вероятность, что он захочет это купить или, например, съесть. Эксперименты с томографом показывают, что по определенной активности прилежащего ядра можно еще до того, как человек озвучит свое решение, допустим, относительно покупки кофточки, сказать, будет он ее покупать или нет. Как говорит прекрасный нейробиолог Василий Ключарев, мы делаем все, чтобы понравиться нашим нейронам в прилежащем ядре.

Сложность в том, что у нас в мозге нет единства суждений, каждый отдел может иметь свое мнение о происходящем. История, похожая на спор колбочек в сетчатке, повторяется и с более сложными вещами. Допустим, вы увидели кофточку, она вам понравилась, и ваше прилежащее ядро издает сигналы. С другой стороны, эта кофточка стоит 9 тысяч рублей, а зарплата еще через неделю - и тогда ваша амигдала, или миндалевидное тело (центр, связанный в первую очередь с негативными эмоциями), начинает издавать свои электрические импульсы: «Слушай, остается мало денег. Если мы сейчас купим эту кофточку, у нас будут проблемы». Лобная кора принимает решение в зависимости от того, кто громче орет - прилежащее ядро или амигдала. И тут еще важно, что каждый раз впоследствии мы способны проанализировать последствия, к которым это решение привело. Дело в том, что лобная кора общается и с амигдалой, и с прилежащим ядром, и с отделами мозга, связанными с памятью: они ей рассказывают, что произошло после того, как в прошлый раз мы принимали такое решение. В зависимости от этого лобная кора может более внимательно отнестись к тому, что говорят ей амигдала и прилежащее ядро. Так мозг способен меняться под влиянием опыта.

Почему мы рождаемся с маленьким мозгом

Все человеческие дети рождаются недоразвитыми, буквально недоношенными в сравнении с детенышами любого другого вида. Ни у одного животного нет настолько длинного детства, как у человека, и у них не бывает потомства, которое рождалось бы с настолько маленьким мозгом относительно массы мозга взрослого: у человеческого новорожденного она составляет лишь 30%.

Все исследователи сходятся во мнении, что мы вынуждены рождать человека незрелым из-за внушительного размера его мозга. Классическое объяснение - это акушерская дилемма, то есть история конфликта между прямохождением и большой головой. Чтобы родить детеныша с такой головой и крупным мозгом, нужно иметь широкие бедра, но невозможно их бесконечно расширять, потому что это будет мешать ходить. По подсчетам антрополога Холли Дансуорт, чтобы рожать более зрелых детей, достаточно было бы увеличить ширину родового канала всего на три сантиметра, но эволюция все равно в какой-то момент остановила расширение бедер. Эволюционные биологи предположили: вероятно, мы и должны рождаться недоношенными, чтобы наш мозг развивался во взаимодействии с внешней средой, ведь в матке в целом довольно мало стимулов.

Есть знаменитое исследование Блэкмора и Купера. Они в 70-е годы проводили опыты с котятами: большую часть времени держали их в темноте и на пять часов в день сажали в освещенный цилиндр, где они получали не совсем обычную картину мира. Одна группа котят в течение нескольких месяцев видела только горизонтальные полосы, а другая - только вертикальные. В итоге у котят возникли большие проблемы с восприятием реальности. Одни врезались в ножки стульев, потому что не видели вертикальных линий, другие таким же образом игнорировали горизонтальные - например, не понимали, что у стола есть край. С ними проводили тесты, играли с помощью палочки. Если котенок рос среди горизонтальных линий, то горизонтальную палочку он видит и ловит, а вертикальную просто не замечает. Затем вживляли электроды в кору головного мозга котят и смотрели, каким должен быть наклон палочки, чтобы нейроны начали издавать сигналы. Важно, что со взрослым котом во время такого эксперимента ничего бы не случилось, а вот мир маленького котенка, чей мозг только учится воспринимать информацию, вследствие подобного опыта может быть навсегда искажен. Нейроны, которые никогда не подвергались воздействию, перестают функционировать.

Мы привыкли считать, что чем больше связей между разными нейронами, отделами человеческого мозга, тем лучше. Это так, но с определенными оговорками. Нужно не просто чтобы связей было много, а чтобы они имели какое-то отношение к реальной жизни. У полуторагодовалого ребенка синапсов, то есть контактов между нейронами в мозге, гораздо больше, чем у профессора Гарварда или Оксфорда. Проблема в том, что эти нейроны связаны хаотично. В раннем возрасте мозг быстро созревает, и его клетки формируют десятки тысяч синапсов между всем и всем. Каждый нейрон раскидывает отростки во все стороны, и они цепляются за все, до чего смогли дотянуться. Но дальше начинает работать принцип «Используй, или потеряешь». Мозг живет в окружающей среде и пытается справляться с разными задачами: ребенка учат координировать движения, хватать погремушку и т. д. Когда ему показывают, как есть ложкой, у него в коре остаются связи, полезные, чтобы есть ложкой, так как именно через них он гонял нервные импульсы. А связи, которые отвечают за то, чтобы расшвыривать кашу по всей комнате, становятся менее выраженными, потому что родители такие действия не поощряют.

Процессы роста синапсов довольно хорошо изучены на молекулярном уровне. Эрику Канделу дали Нобелевскую премию за то, что он догадался изучать память не на людях. У человека 86 миллиардов нейронов, и, пока ученый разобрался бы в этих нейронах, ему пришлось бы извести сотни испытуемых. А поскольку никто не позволяет вскрывать мозги стольким людям ради того, чтобы посмотреть, как они научились держать ложку, Кандел придумал работать с улиточками. Аплизия - суперудобная система: с ней можно работать, изучив всего четыре нейрона. На самом деле у этого моллюска больше нейронов, но на его примере гораздо проще выявить системы, связанные с обучением и памятью. В ходе экспериментов Кандел понял, что кратковременная память - это временное усиление проводимости уже существующих синапсов, а долговременная заключается в росте новых синаптических связей.

Это оказалось применимо и к человеку - похоже на то, как мы ходим по траве . Сначала нам все равно, куда идти на поле, но постепенно мы протаптываем тропинку, которая потом превращается в грунтовую дорогу, а затем в асфальтированную улицу и трехполосное шоссе с фонарями. Похожим образом нервные импульсы протаптывают себе дорожки в мозге.

Как формируются ассоциации

Наш мозг так устроен: он формирует связи между событиями, происходящими одновременно. Обычно при передаче нервного импульса выделяются нейромедиаторы, которые воздействуют на рецептор, и электрический импульс идет на следующий нейрон. Но есть один рецептор, который работает не так, он называется NMDA. Это один из ключевых рецепторов для формирования памяти на молекулярном уровне. Его особенность в том, что он работает в том случае, если сигнал пришел с обеих сторон одновременно.

Все нейроны куда-то ведут. Один может привести в большую нейронную сеть, которая связана со звучанием модной песенки в кафе. А другие - в другую сеть, связанную с тем, что вы пошли на свидание. Мозг заточен на то, чтобы связывать причину и следствие, он на анатомическом уровне способен запомнить, что между песней и свиданием есть связь. Рецептор активируется и пропускает через себя кальций. Он начинает вступать в огромное количество молекулярных каскадов, которые приводят к работе некоторых до этого не работавших генов. Эти гены проводят синтез новых белков, и вырастает еще один синапс. Так связь между нейронной сетью, отвечающей за песенку, и сетью, отвечающей за свидание, становится более прочной. Теперь даже слабого сигнала достаточно, чтобы пошел нервный импульс и у вас сформировалась ассоциация.

Как обучение влияет на мозг

Есть знаменитая история о лондонских таксистах. Не знаю, как сейчас, но буквально несколько лет назад для того, чтобы стать настоящим таксистом в Лондоне, нужно было сдать экзамен по ориентации в городе без навигатора - то есть знать как минимум две с половиной тысячи улиц, одностороннее движение, дорожные знаки, запреты на остановку, а также уметь выстроить оптимальный маршрут. Поэтому, чтобы стать лондонским таксистом, люди несколько месяцев ходили на курсы. Исследователи набрали три группы людей. Одна группа - поступившие на курсы, чтобы стать таксистами. Вторая группа - те, кто тоже ходил на курсы, но бросил обучение. А люди из третьей группы вообще не думали становиться таксистами. Всем трем группам ученые сделали томограмму, чтобы посмотреть плотность серого вещества в гиппокампе. Это важная зона мозга, связанная с формированием памяти и пространственным мышлением. Обнаружилось, что если человек не хотел становиться таксистом или хотел, но не стал, то плотность серого вещества в его гиппокампе оставалась прежней. А вот если он хотел стать таксистом, прошел тренинг и действительно овладел новой профессией, то плотность серого вещества увеличилась на треть - это очень много.

И хотя до конца не ясно, где причина, а где следствие (то ли люди действительно овладели новым навыком, то ли у них изначально была хорошо развита эта область мозга и поэтому им было легко научиться), совершенно точно наш мозг - дико пластичная штука, и индивидуальное обучение серьезно на него влияет - в значительно большей степени, чем врожденные предрасположенности. Важно, что и в 60 лет обучение оказывает воздействие на мозг. Конечно, не так эффективно и быстро, как в 20, но целом мозг в течение всей жизни сохраняет некоторую способность к пластичности.

Зачем мозгу лениться и спать

Когда мозг чему-то учится, он выращивает новые связи между нейронами. А это процесс медленный и дорогостоящий, на него нужно тратить много калорий, сахара, кислорода, энергии. Вообще, человеческий мозг, притом что его вес составляет всего 2% от веса всего тела, потребляет около 20% всей энергии, которую мы получаем. Поэтому при любой возможности он старается ничему не учиться, не тратить энергию. На самом деле это очень мило с его стороны, ведь если бы мы запоминали все, что видим каждый день, то мы довольно быстро сошли бы с ума.

В обучении, с точки зрения мозга, есть два принципиально важных момента. Первый заключается в том, что, когда мы осваиваем любой навык, нам становится легче действовать правильно, чем неправильно. Например, вы учитесь водить машину с механической коробкой передач, и вам сначала все равно, переключать передачу с первой на вторую или с первой на четвертую. Для вашей руки и мозга все эти движения равновероятны; вам неважно, в какую сторону гнать нервные импульсы. А когда вы уже более опытный водитель, то вам физически проще переключать передачи правильно. Если вы попадете в машину с принципиально другой конструкцией, вам снова придется задумываться и контролировать усилием воли, чтобы импульс не пошел по проторенной дорожке.

Второй важный момент:

главное в обучении - это сон

У него много функций: поддержание здоровья, иммунитета, обмена веществ и разных сторон работы мозга. Но все нейробиологи сходятся в том, что самая главная функция сна - это работа с информацией и обучением. Когда мы освоили какой-то навык, то хотим сформировать долговременную память. Новые синапсы растут несколько часов, это долгий процесс, и мозгу удобнее всего это делать именно тогда, когда вы ничем не заняты. Во время сна мозг обрабатывает информацию, полученную за день, и стирает то, что из этого надо забыть.

Есть эксперимент с крысами, где их учили ходить по лабиринту с вживленными в мозг электродами и обнаружили, что во сне они повторяли свой путь по лабиринту, а на следующий день ходили по нему лучше. Во многих тестах на людях показано, что то, что мы выучили перед сном, вспомнится лучше, чем выученное с утра. Выходит, что студенты, которые принимаются за подготовку к экзамену где-то ближе к полуночи, все делают правильно. По той же причине важно думать о проблемах перед сном. Конечно, заснуть будет сложнее, но мы загрузим вопрос в мозг, и, может быть, наутро придет какое-то решение. Кстати, сновидения - это, скорее всего, просто побочный эффект обработки информации.

Как обучение зависит от эмоций

Обучение в большой степени зависит от внимания , потому что оно направлено на то, чтобы снова и снова прогонять импульсы по конкретным путям нейронной сети. Из огромного количества информации мы на чем-то фокусируемся, берем это в рабочую память. Дальше то, на чем мы удерживаем внимание, попадает уже в память долговременную. Вы могли понять всю мою лекцию, но это не означает, что вам будет легко ее пересказать. А если вы прямо сейчас на листке бумаги нарисуете велосипед, то это не значит, что он будет хорошо ездить. Люди склонны забывать важные детали, особенно если они не специалисты по велосипедам.

У детей всегда были проблемы с вниманием. Но сейчас в этом смысле все становится проще. В современном обществе уже не так нужны конкретные фактические знания - просто их стало невероятно много. Гораздо важнее оказывается способность быстро ориентироваться в информации, отличать достоверные источники от недостоверных. Нам уже почти и не нужно долго концентрироваться на одном и том же и запоминать большие объемы информации - важнее быстро переключаться. Кроме того, сейчас появляется все больше профессий как раз для людей, которым сложнее концентрироваться.

Есть еще один важный фактор, влияющий на обучение, - эмоции. На самом деле это вообще главное, что у нас было на протяжении многих миллионов лет эволюции, еще до того, как мы нарастили всю эту огромную лобную кору. Ценность овладения тем или иным навыком мы оцениваем с точки зрения того, радует он нас или нет. Поэтому здорово, если удается наши базовые биологические эмоциональные механизмы вовлекать в обучение. Например, выстраивать такую систему мотивации, в которой лобная кора не думает о том, что мы должны выучить что-то с помощью усидчивости и целенаправленности, а в которой прилежащее ядро говорит, что ему просто чертовски нравится это занятие.

Несмотря на то что исследователи изучают мозг уже более ста лет, они до сих нор не понимают, как этот полуторакилограммовый орган обеспечивает всю сознательную активность человека. Многие пытались решать эту проблему, изучая нервную систему простых организмов. Прошло уже 30 лет с тех пор. как были описаны вес соединения всех 302 нейронов у нематоды Caenorhabditls elegans. Тем не менее сама по себе та схема пока еще не позволила понять, как данные нейроны обеспечивают даже такое элементарное поведение, как питание и размножение. Чтобы выяснить, как активность нервных клеток формирует определенный тип поведения, не хватало данных.

У человека проблема выявления связи между нейроном и поведением стоит значительно более остро. Средства массовой информации регулярно сообщают о томографических исследованиях, показывающих, что. когда мы чувствeем себя отвергнутыми или говорим на иностранном языке, у нас активируются определенные области мозга. Эти новости создают впечатление, что современные научные технологии обеспечивают глубокое фундаментальное понимание принципов работы нервной системы. Однако это впечатление ошибочно.

Примечательный пример такого несоответствия - получившее широкое освещение в прессе исследование отдельных нейронов, которые возбуждались в ответ на предъявление изображения актрисы Дженнифер Энистон. На самом деле, несмотря на возникший ажиотаж, открытие нейронов Дженнифер Энистон было чем-то вроде сообщения от инопланетян: знак наличия разумной жизни по Вселенной, по без всякого намека на смысл этого послания. Мы до сих пор не понимаем, как активность данного нейрона влияет на способность не только узнавать лицо Энистон, но и соотносить его с фрагментом из сериала «Друзья». По-видимому, для того, чтобы мозг смог распознать лицо телезвезды, требуется работа большого нейронного ансамбля, все члены которого общаются с помощью какого-то нейронного кода, который нам еще только предстоит расшифровать.

Кроме того, открытие нейрона Дженнифер Энистон иллюстрирует уровень, которого достигла современная нейробиология. У нас уже есть методы для регистрации отдельных нейронов в мозге живого человека. Но для дальнейшего продвижения необходимы новые технологии, позволяющие исследователям наблюдать и управлять электрической активностью тысяч или даже миллионов нейронов и способные расшифровать те «непроходимые джунгли», в которых, по словам одного из основоположников современной нейробиологии испанского гистолога Сантьяго Рамона-и-Кахаля (Santiago Ramon у Cajal), -заблудились многие ученые.

Теоретически такой методический прорыв поможет преодолеть пропасть между электрической активностью нейрона и пониманием механизмов когнитивных функций мозга, таких как восприятие, эмоции, принятие решений, и в конечном счете сознание. Расшифровка активности мозга, обеспечивающей мышление и поведение, приведет и к пониманию того, что происходит, когда нейронные цепи начинают работать неправильно при психиатрических и неврологических нарушениях, например при шизофрении, аутизме, болезнях Альцгеймера и Паркинсона.

Наконец требования технологического скачка в изучении мозга были услышаны за пределами лабораторий. В прошлом году администрация президента США Барака Обамы объявила о создании крупномасштабного проекта по изучению мозга BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) Initiative. Это стало наиболее заметной научной инициативой президента за второй срок.

Этот проект, начальное финансирование которого в 2014 г. составило более S100 млн. направлен в первую очередь на разработку технологий, позволяющих регистрировать сигналы сразу от очень большого числа нейронов и даже от целых областей мозга. Американский проект BRAIN дополняет другие научные проекты за пределами США. Так, Европейский союз выделил $1.6 млрд на разработку компьютерной модели мозга человека (The Human Brain Project). Масштабные проекты в области нейронаук начаты в Китае. Израиле и Японии. Вложение средств в развитие наук о мозге по всему миру напоминает о других послевоенных научных и технических проектах, ориентированных на актуальные национальные приоритеты, такие как атомная энергетика, ядерное оружие, исследования космоса, создание компьютеров, альтернативные источники энергии и расшифровка генома. Наступила эра исследования мозга.

Проблема визуализации

Выясняя, как нейроны формируют представление о Дженнифер Энистон или о чем-то похожем в нашем субъективном опыте или в восприятии окружающего мира, мы сталкиваемся с непреодолимым препятствием. Оно заключается в переходе от измерения показателей одного нейрона к пониманию того, как группы нервных клеток могут участвовать в сложных взаимодействиях, из которых образуется большее единое целое. Такое свойство ученые называют эмерджентностью. Например, температура, прочность материала, намагниченность металла - все это возникает только вследствие взаимодействия множества атомов и молекул. Папример, для одних и тех же атомов углерода характерны и твердость алмаза, и мягкость графита, который так легко оставляет свои слои на бумаге. Твердость или мягкость - эмерджентное свойство, зависящее не от отдельных атомов, а от типа взаимодействий между ними.

По-видимому, мозг тоже проявляет эмерджентные свойства, которые остаются абсолютно непонятными ни входе наблюдения за отдельным нейроном, ни при оценке (с низкой разрешающей способностью) активности большой группы нейронов. Выявить в мозге восприятие цветка или детские воспоминания можно, только наблюдая за активностью нейронных сетей, которые проводят электрические сигналы по запутанным цепочкам из сотен и тысяч нервных клеток. Хотя эта проблема уже давно знакома нейрофизиологам, до сих пор нет возможности регистрировать активность отдельных нейронных цепочек, которые определяют восприятие, память, сложное поведение и другие когнитивные функции.

Одной из смелых попыток преодолеть это ограничение стала коннектомика- построение карты всех связей (синапсов) между нейронами. Недавно в США стартовал проект по построению схемы связей мозга человека (Human Connectome Project). Однако, как и при изучении нервной системы нематоды, такая схема- всего лишь начальный пункт. Она не отражает постоянно меняющиеся электрические сигналы, определяющие конкретные когнитивные процессы.

Для осуществления такой регистрации нам необходимы новые способы измерения электрической активности мозга. Те методы, которые используются сейчас, либо позволяют получить точную картину работы отдельных нейронов на очень небольшом участке мозга, либо охватить большой объем, но с разрешением, недостаточным дли наблюдения за включением или выключением отдельных нейронных цепочек. Сейчас для точной регистрации нейронной активности в мозг лабораторных животных вживляют игольчатые электроды, регистрирующие электрические импульсы от нервной клетки, которые она генерирует, получая химический сигнал от соседней клетки. Когда на нейрон приходит сигнал, потенциал на его мембране меняется. Изменение напряжения вызывает открытие ионных каналов в мембране клетки, через которые в нейрон поступают положительно заряженные ионы, например ионы натрия. Приток ионов приводит к генерации электрического импульса- потенциала действия, или спайка, который распространяется дальше по аксону (длинный отросток нейрона), запуская на его конце передачу химического сигнала следующей клетке, и тем самым осуществляет передачу сигнала по нервной цепочке. Регистрация одного нейрона похожа на попытку посмотреть фильм, наблюдая только за одним пикселем экрана. Кроме того, поскольку это инвазивный метод, введение электрода может повредить нервную ткань.

С другой стороны, методы, позволяющие оценивать общую активность нейронов в целом мозге, тоже не подходят. Самый известный из них-электроэнцефалография (ЭЭГ)- метод, предложенный Гансом Бергером (Hans Berger) в 1920 г. На голове размещают электроды, каждый из которых регистрирует суммарную активность 100 тыс. нейронов, расположенных под ним. Запись ЭЭГ представляет собой колебание «воли» электрической активности, меняющих свою амплитуду за несколько миллисекунд, определить при этом, какой именно нейрон активен, невозможно. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) можно определить, какие области работают интенсивнее, - они будут более яркими на изображении мозга (томограмме). Этот метод неинвазивный. т.е. не требует хирургических вмешательств, но имеет очень низкое временное и пространственное разрешение. На каждый элемент томограммы (воксель- трехмерный пиксель) приходится примерно 80 тыс. нейронов. Кроме этого. фМРТне регистрирует активность нейронов напрямую, а только по вторичным признакам - изменению кровотока в том или ином вокселе.

Чтобы получить представление об эмерджентной активности мозга, ученым требуются новые чувствительные датчики, которые позволяли бы одновременно регистрировать тысячи отдельных нейронов. Появлению таких приборов могут помочь нанотехнологии, создающие новые материалы, зачастую меньшего размера, чем некоторые молекулы. Уже создан прототип матрицы, содержащей более 100 тыс. электродов, расположенных на кремниевой подложке. Такое устройство может регистрировать тысячи нейронов па сетчатке. Дальнейшее развитие этой гехнологии предполагает сворачивание плоской матрицы в трехмерную структуру, укорочение электродов для уменьшения повреждений тканей мозга и удлинение соединительных элементов, позволяющих проникать в нижние слои коры головного мозга. У больных людей, например, такой прибор мог бы зарегистрировать активность десятков тысяч нейронов и вычленить в ней активность каждой клетки.

Использование электродов- лишь один из способов зарегистрировать активность нейронов. В лаборатории уже приходят технологии, оставившие далеко позади электрические датчики. Технологии, заимствованные из физики, химии и генетики, позволяют наблюдать за нейронами у бодрствующего животного в процессе его повседневной жизни.

Миша Арене из Медицинского института Говарда Хьюза в прошлом году приоткрыл завесу над технологиями будущего, сделав визуализацию под микроскопом целого мозга личинки рыбки данио. Данио- излюбленный объект нейробиологов. потому что в своей личиночной стадии эта рыбка совершенно прозрачна, что позволяет наблюдать ее внутренние органы, в том числе и мозг. В этом эксперименте нейроны личинки были генетически модифицированы так. что они флюоресцировали, когда в клетку входили ионы кальция при генерации нервного импульса. Иод микроскопом мозг освещали тонким пучком света, а камера шаг за шагом фотографировала светящиеся нейроны.

Один из нас (Рафаэль Юсте) с помощью такой технологии, получившей название «оптическая регистрация кальция», впервые зарегистрировал активность почти 80% нейронов данио (всего их порядка 100 тыс.). Оказалось, что даже когда личинка рыбки находится в состоянии покоя, многие области ее нервной системы включаются и выключаются, образуя загадочные светящиеся
узоры. О том. что нервная система всегда активна, исследователи знали еще со времен изобретения Бергером метода ЭЭГ. Эксперименты па данио внушают надежду, что новые технологии визуализации помогут понять стойкую спонтанную активность больших групп нейронов - один из важнейших вопросов нейробиологии.

Тем не менее необходимы еще более совершенные технологии, чтобы понять, как активность мозга порождает поведение, и эксперименты с данио только начало. Требуется разработка новых типов микроскопов для наблюдения за активностью нейронов в трехмерном пространстве. Кроме того, оптическая регистрация кальция- слишком медленный метод для наблюдения за высокочастотными разрядами нервных клеток и не позволяет выявить тормозные сигналы, которые снижают электрическую активность клеток.

Нейрофизиологи, работая вместе с генетиками, физиками и химиками, пытаются улучшить оптические методы, чтобы регистрировать не изменение уровня кальция в клетке, а непосредственно изменение потенциала на мембране. Можно ввести в нейрон или встроить с помощью генной инженерии в клеточную мембрану красители, которые меняют свои оптические свойства в зависимости от изменения потенциала: такой метод может оказаться более информативным, чем оптическая регистрация кальция. Этот альтернативный метод, получивший название оптической регистрации мембранного потенциала, в конечном счете позволит исследователям увидеть электрическую активность каждой клетки в целой сети нейронов.

Сейчас оптическая регистрация потенциала находится еще только на этане становления. Химики должны усовершенствовать способность красителей менять цвет или иные характеристики в ответ на генерацию нервного импульса. Красители должны быть безвредными для клетки. Молекулярные биологи уже сконструировали датчики напряжения, закодированные в геноме. Такие клетки считывают нуклеотидную последовательность и синтезируют флуоресцентный белок, который встраивается в наружную мембрану клетки. После этого он может менять степень своей флуоресценции в зависимости от потенциала нейрона.

Как и в случае с электродной регистрацией, современные нанобиологические технологии могут помочь и при оптической регистрации. Например, заменить органические красители или генетические датчики на квантовые точки- маленькие полупроводниковые частицы, демонстрирующие квантово-механические эффекты. Такие частицы могут очень точно регулировать свои оптические свойства, например цвет или яркость свечения. Другой современный материал- наноалмаз - пришел из квантовой оптики. Он высокочувствителен к колебаниям электрического поля вследствие изменения электрической активности клетки. Кроме того, можно создавать гибриды наночастиц и обычных органических или генно-инженерных красителей. В этом случае наночастица будет выступать в качестве антенны», усиливая флуоресцентные сигналы слабой интенсивности.

Проблема глубины

Другая техническая проблема, возникающая при визуализации нейронной активности, связана с тем что сложно регистрировать свет около нейронных цепочек, расположенных в глубине мозга. Для ее решения нейротехнологи тесно сотрудничают со специалистами в области вычислительной оптики, технологии материалов и медицины, которым также необходимо неинаазивно смотреть внутрь непрозрачных объектов, таких как кожа, череп или компьютерная микросхема. Ученым давно известно, что когда на твердое тело падает свет, какая-то часть его рассеивается и по рассеянным фотонам в принципе можно определить особенности отражающего объекта.

Например, свет от фонарика, проходящий сквозь руку, образует на другой ее стороне пятно диффузного света, в котором нет никаких намеков о месторасположении костей или сосудов под кожей. Однако информация о пути, которым свет прошел через препятствие, не утеряна окончательно. Волны света рассеиваются и затем могут интерферировать друг с другом. Если полученный световой рисунок снять на камеру, то с помощью новых вычислительных методов можно получить представление о структуре того, через что шел свет. Такая технология позволила Рафаэлю Пьеступу (Rafael Piestun) и его коллегам из Колорадского университета в Боулдере в прошлом году посмотреть сквозь непрозрачный объект. Эти методы можно объединить с другими оптическими технологиями, втом числе теми, которые используют астрономы для коррекции атмосферных искажений звездного света. Такая так называемая вычислительная оптика может помочь визуализировать флуоресцентные сигналы от потенциал-чувствительных красителей у нейронов, лежащих в глубине мозга.

Некоторые из таких новых оптических технологий были успешно использованы для наблюдения за процессами в мозге человека и животных: исследователи, сняв кусочек черепа, смогли увидеть процессы, протекающие на глубине более 1 мм от поверхности коры, Развитие данного метода позволит в будущем увидеть мозг сквозь кости черепа. Однако подобные оптические технологии не способны регистрировать структуры, лежащие глубоко в мозге. Эту проблему может решить еще одна новая разработка. В настоящее время нейрорадиологи используют микроэндоскопию, когда в бедренную артерию вводят тонкую и гибкую трубку с микроскопическим световодом, который по сосудам можно провести ко всем органам, в том числе и к мозгу. В 2010 г. группа ученых из Каролинского института в Стокгольме разработала устройство, позволяющее не нанося никакого вреда проникать через стенки артерий или иных сосудов, по которым идет эндоскоп, и таким образом создавать возможность для любой регистрации, в том числе и электрической активности, в любых участках мозга, не ограничиваясь только сосудистым руслом.

Несмотря на то что электроны и фотоны на первый взгляд - самые очевидные кандидаты на способы регистрации активности мозга, они не единственные. В ближайшем будущем важную роль могут сыграть генетические технологии. Один из нас (Джордж Черч) вдохновился идеями синтетической биологии, обращающемся с биологическим материалом как с деталями механизма. Недавние исследования показали, что с помощью генной инженерии можно так изменить лабораторных животных, что их нейроны начнут синтезировать молекулу-тикер, которая будет особым и заметным образом изменять что-то в клетке всякий раз. когда нейрон возбуждается. Например, тикер может создаваться ДНК-полимеразой которая считывает последовательность нуклеотидов в одной цепочке ДНК и собирает вторую, комплементарную первой. Приток ионов кальция после генерации импульса нейроном приведет к тому, что полимераза будет синтезировать другую последовательность нуклеотидов. т.е. совершать ошибки. Далее для каждого нейрона мозга экспериментального животного может быть определена полученная последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Современная инновационная технология, называющаяся флуоресцентным секвенированием in situ, позволяет выявить изменения и ошибки по сравнению с оригинальной последовательностью нуклеотидов. соответствующие интенсивности или временным характеристикам электрической активности нейрона. В 2012 г. лаборатория Черча сообщила о возможном практическом применении метода ДНК тикера для работы с ионами машин, марганца и кальция.

В будущем посредством методов синтетической биологии предполагается создание искусственных клеток, которые будут выступать в роли наблюдателей, патрулирующих тело человека. Генно-инженерные клетки могут служить и биологическими электродами размером тоньше волоса, которые могут размещаться рядом с нейроном и улавливать его разряды. Электрическая активность может быть зарегистрирована с помощью миниатюрнейших интегральных наносхем расположенных внутри синтетической клетки, способных передавать информацию по беспроводной связи на ближайший компьютер. Это гибридное наноустройство, состоящее из биологических и электронных частей, сможет получать энергию с помощью внешнего ультразвукового передатчика или даже из самой клетки, используя глюкозу. АТФ (аденозин-трифосфат) и другие молекулы.

Включать или выключать

Чтобы понять, что же происходит в огромной паутине мозга, исследователи должны уметь больше, чем просто делать снимки активности. Необходимо иметь возможность включить или выключить выбранную группу нейронов, чтобы узнать, за что она отвечает. В последние годы в нейробиологии получили широкое распространение методы оптогенетики при которых используют животных, генетически измененных так. что их нейроны способны синтезировать светочувствительные белки, взятые у водорослей и бактерий. Когда через оптоволокно приходит свет определенной длины волны, эти белки могут активировать или. наоборот, выключать нейрон. Исследователи используют такой метод для активации нейронных цепей для создания чувства удовольствия и других компонентов реакции па подкрепление или для улучшения моторных навыков при болезни Паркинсона. С помощью онтогенетических методов удалось даже создать ложные воспоминания мышам.

Прежде чем оптогенетические методы могут быть применены для лечения человека они. как и положено продуктам, полученным с помощью генной инженерии, должны пройти долгие процедуры согласования. Для ряда случаев существует более удобная альтернатива. Например, нейротрансмиттер (вещество, регулирующее активность нейрона) можно упаковать в светочувствительную молекулу, как в клетку. Как только на нейрон поступает свет, молекул а-клетка распадается, нейротрансмиттер высвобождается и начинает действовать. Стивен Ротман (Steven Rothman) из Миннесотского университета вместе с лабораторией Юсте в 2012 г. провел исследование, в котором вводил крысам ГЛМК (гамма-аминомасляная кислота - нейротрансмиттер. подавляющий нейронную активность), упакованную в клетку из рутения. У животных химическим образом вызывали эпилептический припадок. Включение импульсного освещения мозга синим светом приводило к высвобождению ГАМК и прекращению судорог. Подобные оптохимические технологии сейчас используются, чтобы определить функцию отдельных нейронных цепочек. В дальнейшем, если эти методы будут развиваться, их можно использовать для лечения некоторых неврологических и психических заболеваний.

От фундаментальных исследований доклинического использования лежит долгий путь. Каждую новую идею о том как можно измерить или изменить активность всей нервной системы, сначала проверяют на дрозофилах, нематодах, грызунах и только потом используют для людей. Предположительно через пять лет напряженной работы ученые получат возможность наблюдать и управлять большинством из 100 тыс. нейронов дрозофилы. Методы регистрации и модуляции нейронной активности мозга мышей вряд ли появятся в ближайшее десятилетие. Некоторые технологии, как, например, тонкие электроды, с помощью которых можно скорректировать нарушенные нервные цепочки, могут появиться в медицинской практике уже через несколько лет, в то время как для других методик понадобятся десятилетия.

По мере роста сложности нейротехнологий потребуются и более совершенные средства хранения и обработки огромного массива накопленных данных. Регистрация активности всех нейронов в коре больших полушарий у мыши может занимать 300 терабайт в час. Но не следует считать эту задачу невыполнимой. Развитые научно-исследовательские базы, такие как астрономические обсерватории, геномные центры, ускорители элементарных частиц, могут получать, объединять и распределять и такой тип данных. Новая научная дисциплина нейроинформатика сможет расшифровать работу нервных систем так же. как и в свое время биоинформатика помогла справиться сданными секвеннрования. полученными в результате проекта по изучению человеческого генома (Human Genome Project).

Умение анализировать петабайты информации поможет не только навести порядок в огромном потоке новых данных. Оно может заложить основы для новых объяснений того, как какофония нервных импульсов преобразуется в восприятие, обучение и память. Анализ огромного массива данных также поможет подтвердить или опровергнуть теории, которые нельзя было проверить раньше. Одна любопытная теория утверждает, что у многих нейронов, образующих нейронную сеть, возникают определенные последовательности разрядов, называемые аттракторами, которые могут отражать различные состояния мозга, такие как мышление, память или принятие решений. В недавнем исследовании мышь должна была принять решение, какой из отсеков виртуального лабиринта, проецируемого на экран, пересечь, В это действие вовлекались десятки нейронов, которые демонстрировали динамические изменения активности, схожие с аттрактором.

Более глубокое понимание работы нейронных цепочек поможет объяснить причины многих заболеваний мозга, от болезни Альцгеймера до аутизма, и улучшить их диагностику. Врачи, получив возможность наблюдать за изменениями в активности отдельных нейронных цепочек, смогут направить усилия на исправление именно этих отклонений, а не просто на борьбу с симптомами. И, естественно, знание о причинах заболеваний даст экономические преимущества медицине и биотехнологиям. Надо рассмотреть и этические и правовые вопросы, как это было и для проекта по расшифровке генома человека, особенно если исследователи получат возможность определять и изменять психические состояния человека. Такие результаты потребуют тщательной защиты личной информации пациента.

Для того чтобы различные программы по изучению мозга были успешны, ученые и их спонсоры должны сконцентрироваться именно на наблюдении и управлении нейронными цепочками. Идея программы DRAIN родилась из публикации в журнале Neuron в июне 2012 г. В ней мы и наши коллеги предложили проект долговременного сотрудничества физиков, химиков, нанотехнологов, молекулярных биологов и нейробиологов для разработки «карты активности мозга- с помощью новых методов регистрации и управления электрической активностью нейронных цепочек.

Мгновенные изменения в нейронах сопровождающие и обеспечивающие мысль.

Буквально фантастическая молекулярная трансформация охватывает весь объем мозга, все каскады нейронных связей. Обнаружить как морфология мысли реализуется на уровне всех этих связей чрезвычайно сложно.

Сравнительно недавно было замечено, что большинство ментальных событий не ограничено какой-либо небольшой областью или ядром в мозге. Наблюдение за мозгом с помощью очень медленного функционального магнито-резонансного сканирования (fMRI снимки мозга с интервалом в секунду) подталкивали к выводу: каждое ментальное событие в мозге имеет индивидуальную локализацию. Однако, как оказалось после более точных исследований большинство событий случаются во всем мозге сразу, во всей многосложной сети мозга в миллисекунды. В настоящее время их не так просто зафиксировать или измерить.

В эти генетические изменения вовлечены тысячи и возможно миллионы различных факторов, одновременно внося изменения в многочисленные структуры внутри клеток, клеточных сетей и межклеточное пространство.
Ниже представлен в очень упрощенном виде список некоторых наиболее важных изменений, которые происходят в головном мозге мгновенно. Каждое требует немедленного воспроизводства множества специфических белков, которые необходимы для описанных выше процессов, обеспечивающих возникновение мысли в нервных клетках головного мозга.

Воспроизводство и размещение на мембранах нервных клеток AMPA-рецептора глутамата (рецептор, который улавливает нейромедиатор, глутаминовую кислоту, из класса возбуждающих аминокислот, и передает быстрые возбуждающие сигналы в синапсах нервной системы. Эти рецепторы обнаружены практически во всех структурах головного мозга. Прим. пер.) Повышение доли АМПА-рецепторов совместно с кальцием вызывает увеличение длительности самого сигнала, то что еще называют длительный потенциал действия.
Дендриты меняют свою форму, особенно размеры и количество т.н. головок шипиков, которые образуют синапсы, тем самым повышая способность получать информацию.
Концентрация из более чем 1000 крупных протеиновых комплексов (различных по составу, в разных местах головного мозга и разных типов нейронов) повышает постсинаптическую плотность, видоизменяя эти мельчайшие отростки (головки шипиков) на дендритах.
Трансформация молекул, которые выступают из мембран наружу, в просвет синапса. Нейролигины (постсинаптический белок) как бы «пожимают руку» Нейрексинам (белок на пресинаптической поверхности).
Всплеск концентрации ионов кальция (Ca) дает толчок синтезу «белков памяти» нового типа.
Передающий (пресинаптический) нейрон изменяет нейромедиаторы (химические вещества, передающие сигнал через синаптическую щель на другой нейрон. Прим. пер.) , получающий сигнал нейрон (постсинаптический) согласованно трансформирует рецепторы на постсинаптической мембране.
По пути от мембраны нервной клетки к ее ядру в каскады сигналов тоже вносятся изменения.
Также вносятся изменения в ионные каналы аксона (отросток нейрона, который передает сигнал на другой нейрон. Прим. пер.), видоизменяется передаваемый дальше электрический сигнал.
Баланс изменений между ингибированием (подавлением) и стимуляцией.
Видоизменение новых микро-РНК (короткие цепочки РНК не принимающие непосредственного участия в кодировании и синтезе белка, но способные вносить изменения в экспрессию генов. Обнаружены в т.ч. у некоторых вирусов. Прим. пер.).
Видоизменения т.н. «вставочных» нейронов. (промежуточные нейроны посредники в передаче сигналов между клетками нервной сети. Прим. пер.)
Митохондрии в дендритах (дендриты — это отростки нейрона, которые принимают сигнал, митохондрии — энергетические центры клетки — на видео располагаются вдоль элементов клеточного скелета. Прим. пер.) изменяют силу сигнала.
Концентрация внимания изменяет структуру синапса.
Множественные изменения в восходящих волокнах мозжечка.
НМДА рецепторы (рецептор к нейромедиатору — глутамату, видоизменение и перестройка которого играет ключевую роль в синаптической пластичности. Прим. пер.) замещают свои структурные субъединицы.
Видоизменение транспортных белков.
Белки цитоскелета актин и микротрубочки осуществляют множественную, структурную трансформацию (собираются в одних местах и распадаются в других).
Экзосомы (выделяемые клеткой особые микропузырьки, диаметром 30-100 нанометров, содержащие активные биохимические вещества и осуществляющие межклеточную коммуникацию. Прим. Пер.) передают информацию от астроцитов (клетки, окружающие сами нейроны, но не участвующие в передачи нервного сигнала. Прим. пер.) нейронам, включая различные белки и кусочки ДНК.

Многоуровневый пусковой механизм от молекул к обществу

Каким-то образом ментальное событие (мысль) мгновенно запускает чрезвычайно сложный комплекс клеточной активности на всех упомянутых выше генетических и биохимических уровнях, во всех механизмах внутримозгового взаимодействия в различных областях головного мозга одновременно в какие-то миллисекунды, за это время меняется морфологическая структура мозга.
Побуждения и стимулы к ментальному событию приходят из источников широкого спектра — сенсорная стимуляция со стороны окружающей среды, чтение, наблюдение, взаимодействие с другими людьми и различными культурами. Эти стимулы являются совершенно разными по своим качествам, и они охватывают 12 условных порядков. Каждый различный тип ментального события оказывает различное воздействие с различным результатом на все эти уровни.
Фактически невозможно разделить эти уровни между собой в человеческом существовании. События квантового уровня и большое число соединений внутри различных зон головного мозга вовлечены в формирование ментального события. Квантовые эффекты обнаружены в живых организмах: кальциевая сигнальная система в мозге, химические реакции внутри клетки, навигация у птиц, эффективный механизм фотосинтеза. Похоже на то, что молекулы, формирующие клеточный скелет, такие как актин, миозин и микротрубочки функционируют подобно обладающему собственным разумом конструктору ЛЕГО (почти трансформеры, обладающие интеллектом…) . Структуры цитоскелета, представляющие собой чрезвычайно сложные молекулы, становятся как бы языком ментального события в клетке. Насколько реально это имеет отношение к квантовым событиям внутри клеточных органелл и структур цитоскелета еще предстоит раскрыть. Как эти изменения могут вызываться просто мыслью, остается совершенно неизвестным.

Микротрубочки с прикрепленными к ним транспортными белками внутри аксона нервной клетки. Аксональный транспорт.

Автор тут деликатно касается считающейся маргинальной в научной среде темы «квантовой природы сознания». Роджер Пенроуз, который написал об этом книгу, в чем-то разочаровался, отрицая саму возможность математического познания мысли и сознания. По прошествии ряда лет он признался, что как математик не имел полного представления о морфологии и природе микробиологических процессов внутри нервных клеток мозга, поэтому сегодня, на основании новых открытий, вероятно, пересмотрел бы ряд своих выводов. Особенно после знакомства и совместной работы с нейробиологом из Аризонского университета Hameroff S . Большая пропасть между законами квантовой механики и пониманием биологической природы мысли наверно стала меньше. Все таки речь идет о движении масс (молекулярные структуры, обладающие известными свойствами и предсказуемым поведением). Большой масштаб для квантовых экспериментов, но очень маленький для биологии. В какой-то глубокий момент попытка «вычислить» полностью все изменения порождаемые мыслью во множестве структур рассыпается.

Существование каждой мысли в мозге включает в себя гигантское число порядков за одно мгновение. В этом множестве уровней нет другого пути, кроме как попытаться составить условный список из 12 порядков, 12 уровней, которые вместе каждый раз обеспечивают мысль, формируя отдельное ментальное событие.

Квантовые эффекты
Молекулы, малые и большие
Клеточные транспортные белки, «моторы»
Структуры цитоскелета
Органеллы
Нейроны и глиальные клетки
Сеть нейронов с глиальными клетками
Мозговые ядра (концентраторы)
Зоны мозга
Собственно весь мозг
Взаимодействие с Другими
Наука, Общество и Культура

Жизнь мысли в мозге.

Несмотря на гигантские усилия почти полумиллиона нейробиологов всего мира в течении многих лет все еще нет ясности или какой-либо убедительной теории существования сознания и субъективного опыта в головном мозге. Так и не обнаружены зоны мозга отвечающие и представляющие субъективный опыт.
Число одновременно и подробно изученных фактов делает очень трудно достижимой задачу даже построения теории того, как все это может случаться за один раз в мгновение мысли. В качестве одного примера чрезвычайности масштаба включаемых событий, может послужить факт того, что каждую секунду в последний месяц беременности у плода возникает 250.000(!) новых нейронов, они распределяются в различные зоны мозга и тут же интегрируются в сети.
Нет возможности объяснить эти грандиозные в масштабах биологии эффекты мыслей никакой из существующих молекулярных теорий, теорией нейронных сетей, или теорией специфических зон мозга. Квантовую теорию все еще нельзя считать адекватной в этом плане, хотя некоторые данные вселяют надежду. (Еще одна отсылка автора к квантовой теории мысли.) Другая теория кальциевых волн, имея в процессе много важных аргументов, также все еще не убедительна.
Где тот общий вектор для всех перечисленных выше 12 факторов? Каким-то образом мысль, как нам известно, учитывает и взаимодействует с каждым за раз. Как именно ментальное событие запускает такой неисчислимо сложный порядок событий, все еще предстоит раскрыть. Конечно подразумевая, что новая теория природы сознания даст намного лучший способ понять феномен мысли, чем представления, существующие на сегодня.

Смирнова Ольга Леонидовна

Невропатолог, образование: Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова. Стаж работы 20 лет.

Написано статей

Какая часть мозга отвечает за память и что влияет на этот процесс, важно знать всем. Каждый день мы получаем массу информации, часть из которой запоминается. Почему одни воспоминания остаются в памяти, а другие нет, какой механизм действия памяти?

Памятью называют способность к запоминанию, накоплению и извлечению полученных сведений. Сколько может запомнить человек, зависит от его внимания.

Память формируется несколькими участками головного мозга: корой мозга, мозжечком, лимбической системой. Но в большей степени на нее влияют височные доли мозга. Процесс запоминания происходит в гиппокампе. Если повреждена височная область с одной стороны, то память становится хуже, но при нарушениях в обеих височных долях процесс запоминания полностью прекращается.

Функционирование памяти зависит от состояния нейронов и нейромедиаторов, обеспечивающих связь между нервными клетками. Они концентрируются в области гиппокампа. К нейромедиаторам относят и ацетилхолин. Если этих веществ не хватает, то память значительно ухудшается.

Уровень ацетилхолина зависит от количества энергии, производимой в процессе окисления жиров и глюкозы. Нейромедиаторы концентрируются в органе в меньших количествах, если человек переживает стресс или страдает от депрессивных состояний.

Механизм запоминания

Мозг человека работает, как компьютер. Чтобы сохранить текущую информацию он использует оперативную память, а для длительного хранения не обойтись без жесткого диска. В зависимости от того насколько долго часть мозга отвечающая за память хранит информацию, выделяют:

непосредственную память;
кратковременную;
долговременную.

Интересно, что в зависимости от вида, память хранится в разных участках мозга. Кратковременные воспоминания концентрируются в , а долговременные – в гиппокампе.

Способность к запоминанию считается важной частью интеллекта. Поэтому от ее развития зависит и объем информации, которой владеет человек.

Работа памяти состоит из запоминания, сохранения и воспроизведения. Когда люди получают информацию, она поступает от одной нервной клетки к другой. Эти процессы происходят в области коры головного мозга. Данные нервные импульсы приводят к созданию нейронных связей. По этим путям в дальнейшем человек извлекает, то есть, вспоминает полученные сведения.

На то, как успешно и надолго запомнится информация, влияет то, с каким вниманием человек относится к объекту. Если это ему интересно, то он сильнее концентрируется на интересующем его предмете и процесс запоминания происходит на высоком уровне.

Вниманием и концентрацией называют такую функцию психики, которая позволяет сфокусировать все мысли на определенном объекте.

Не менее важным, чем запоминание, является забывание информации. Благодаря этому нервная система разгружается и освобождается место для новых сведений, начинают образовываться новые нейронные связи.

Какое полушарие отвечает за память, точно сказать нельзя, так как оба эти участка играют важную роль в процессе обработки и запоминания информации.

Объем памяти

Согласно недавним результатам исследований, ученым удалось выяснить, что объем памяти человеческого мозга составляет около миллиона гигабайт.

Если способности к запоминанию хорошо развиты, то творческим личностям это может доставлять много проблем.

В составе головного мозга около сотни миллиардов нервных клеток, между каждой из которых существуют тысячи нейронных связей. Информация передается в синапсе. Так называют точку, в которой контактируют нейроны. Во время взаимодействия двух нейронов, происходит формирование прочных синапсов. На ветвящихся отростках нервных клеток есть дендриты, которые увеличиваются в размерах во время получения новой информации. Эти отростки позволяют контактировать с другими клетками, во время увеличения он может воспринимать большее количество сигналов, поступающих в мозг.

Некоторые ученые сравнивают дендриты с битами компьютерного кода, но вместо цифр применяют описательные характеристики их размеров.

Но раньше не знали и том, каких размеров способны достигать эти отростки. Ограничивались только определением маленьких, средних и больших дендритов.

Ученые из Калифорнии столкнулись с интересной особенностью, которая заставила их пересмотреть известную информацию о размерах отростков. Это произошло во время изучения гиппокампа крысы. Это отдел мозга отвечающий за память по отношению к зрительным образам.

Исследователи заметили, что один, из отростков нервной клетки, отвечающий за передачу сигналов способен взаимодействовать с двумя дендритами, принимающими информацию.

Ученые выдвинули предположение о способности дендритов принимать одинаковую информацию, если она происходит от одного аксона. Поэтому размер и прочность их должны быть идентичными.

Было произведено измерение объектов, отвечающих за формирование синаптических связей. В ходе исследования удалось выяснить, что разница между дендритами, получающими информацию от одного аксона составляет около восьми процентов. Всего удалось выявить 26 возможных размеров отростков.

Основываясь на результатах исследований, была выдвинута гипотеза о способности человеческой памяти сохранять квадриллион байт информации. Чтобы сравнить мозг с компьютером достаточно знать, что размер средней оперативной памяти устройства не больше восьми гигабайт. Тогда как мозг может сохранить миллион гигабайт.

Каждый человек знает, что полностью использовать весь объем памяти нельзя. Многие хоть раз забывали о днях рождениях друзей и родственников, испытывали трудности с изучением стихотворений или запоминанием параграфов по истории. Это явление считается нормальным. Но, если человек помнит абсолютно все, то это считается феноменом. Миру известны лишь единицы людей, которые помнили большую часть полученных сведений.

Для того чтобы достичь полного понимания биологических основ сознания, понадобится, возможно, еще несколько столетий. Но если всего лишь пару десятков лет назад к решению этой задачи приступать даже не решались, сегодня появились научные методы исследований в данной области.

Если отвечать вкратце, то ответ будет таков: наука пока не имеет удовлетворительного объяснения этого процесса. Удовлетворительного в том смысле, который имел в виду Ричард Фейнман, когда говорил: «То, что я не могу построить, я не могу понять». Мы не можем пока создать устройство, которое мыслит, и это в значительной степени связано не с техническими сложностями, а с тем, что мы не способны пока понять, как устроен мозг.

Что известно сейчас? Мы не можем сказать, как рождается мысль, но мы уже очень много знаем о том, что происходит в мозге при ее рождении, какие уникальные условия работы мозга создаются, когда возникает мысль. Исследуется это в специальных экспериментах, когда сравнивают предъявление мозгу каких-то осознаваемых ситуаций (рождающих мысль) и тех же ситуаций, которые он осознать не может. Например, если событие слишком коротко: зрительные и слуховые компоненты происходящего поступают в мозг, но до уровня сознания не доходят. Когда ученые сравнивают, что происходит в мозге при сознательной и неосознаваемой переработке информации, оказывается, что осознание связано с несколькими вещами.
Что происходит при осознании:

📎 во-первых, когда мы осознаем что-то, в коре головного мозга работает значительно больше нейронов в тех зонах, которые уже участвовали в обработке неосознанной информации.

📎 во-вторых, в момент осознания активируются те зоны, которые раньше не участвовали в неосознаваемой обработке сенсорных данных. Это зоны, связанные с передними областями мозга.

📎 в-третьих, между зонами, которые активируются в момент появления сознания (мысли), и зонами, которые связаны с нашим восприятием окружающего мира, начинают устанавливаться быстрые циклические взаимодействия - реверберации.

📎 в-четвертых, только после того как начинается циркуляция возбуждений по этой сети, появляется момент осознания. Мы не всегда понимаем это, но наше сознание очень сильно отстает от момента реакции мозга на какие-то события. Если точно известно, в какую миллисекунду предъявлена на экране фотография или слово, можно убедиться, что осознание появляется примерно через полсекунды (200–400 миллисекунд) после показа. А реакция областей мозга, которые воспринимают информацию неосознанно (ранняя реакция), возникает заметно раньше, то есть через 60–100 миллисекунд. Все эти четыре компонента складываются в общую картину. Когда у нас появляется вспышка сознания, это происходит из-за того, что разные области мозга - и те, которые связаны с умственным напряжением, вниманием (передние), и те, которые связаны с восприятием внешнего мира - синхронизуются вместе в специальных циклах циркуляции информации. Синхронизация устанавливается на поздних фазах действия внешнего сигнала (через полсекунды), и в этот момент появляется сознание.

Тайны нервного кода
Мы также знаем, что воздействие на разные этапы этих четырех компонентов (иногда они наблюдаются в медицине, при травмах, кроме того, их можно вызывать искусственно при магнитной симуляции) способно разрушить сознание, и человек окажется в области подсознательного либо попросту в коме.

Мозг часто сравнивают с компьютером, но это очень грубая и неточная аналогия. Нервный код устроен совсем по-другому, нежели коды Тьюринговской машины. Мозг не работает на бинарной логике, он не работает как тактовый процессор, он функционирует как массивная параллельная сеть, где основным элементом кода является момент синхронизации разных клеток с их опытом, в результате чего и возникает то субъективное ощущение, мысль или действие, которые занимают в этот миг театр сознания, поле нашего внимания. Это код синхронизации многих элементов, а не ход пошаговых вычислений.

Нейроны и образы
В момент образования связей между клетками не передается что-то похожее на психическую информацию. Между ними передаются химические вещества, которые позволяют нейронам объединиться в ту или иную систему. Каждая из этих систем уникальна, потому что клетки специализированы. Например, это клетки, воспринимающие образ синего неба, белой оконной рамы, лица и т. д. Все вместе они дают на какое-то короткое время тот осознаваемый образ, который и занимает наше внимание. Такие «кадры» могут очень быстро меняться, и следующие несколько десятков миллисекунд в мозгу появится другая конфигурация клеток, которая связана с другим набором нейронов. И это постоянный поток, лишь небольшая часть которого осознается посредством возникающих синхронизаций. Есть масса вещей, которые работают при этом параллельно центральному звену. Они не осознаются и построены на автоматизированных процессах. Я сижу, балансирую, поддерживаю температуру тела, давление, дыхание. Это всё управляется массой функциональных систем, которые не должны идти в широковещание на весь мозг.

Мозг под управлением ОС
Однако при всей несхожести нервного и бинарного кодов некие параллели между мозгом и компьютером все же можно провести.

Мозг обладает подобием операционной системы, и на этот счет существует несколько гипотез. В одной из них - теории функциональных систем - существует понятие операционной архитектоники системы. Это некий синтез сенсорных и мотивационных сигналов, извлечений из памяти, который вовлекает все эти компоненты в единое рабочее пространство - то, где ставится цель и принимается решение. Есть также теория сознания как глобального рабочего пространства. Согласно ей существует определенная операциональная архитектура, которая как операционная система способна вовлекать разные клетки в процессы осознания. Она вовлекает нейроны передних областей коры, которые имеют длинные проекции во все остальные области коры, и когда происходит «зажигание» этих нейронов, они начинают «крутить» информацию по всем остальным областям. Это некий центральный процессор, и он включается, только когда есть сознание. Во всем остальном мозг может работать автоматически. Вы можете вести машину, а ваше сознание будет занято некими внутренними вопросами, и «процессор» будет работать для них. И лишь в тот момент, когда происходит что-то неожиданное (кто-то перебегает дорогу, например), операционная система начинает работать на режим внешнего мира.

Константин Владимирович Анохин, российский ученый, нейробиолог, профессор, член-корреспондент РАН и РАМН. Лауреат премий Ленинского комсомола, имени Де Вида Нидерландской академии наук, Президиума Российской академии медицинских наук и Национальной премии «Человек года» в номинации «Потенциал и перспектива в науке»