Мозг. Как он работает

Хочу поделиться в блоге ЛАНИТ впечатлениями о книге нейробиолога, профессора Стенфордского университета Дэвида Иглмена «Живой мозг. Удивительные факты о нейропластичности и возможностях мозга» (Москва, «Манн, Иванов и Фербер», 2022). Книга читается легко, она не содержит «страшных» медицинских терминов, которые могли бы отпугнуть читателя, и в то же время достаточно убедительно разъясняет природу мышления и причину довольно сложных случаев отклонений от нормального развития мозга.

Наш мозг успешно познает самого себя, всю нашу цивилизацию и замахнулся даже на познание устройства и зарождения Вселенной, но при этом мозг все еще остается самым загадочным творением природы. Вселенная и то охотнее выдает свои тайны. 

Существование человеческого младенца начинается с микроскопической оплодотворенной яйцеклетки. За девять месяцев ее развитие проходит в ускоренном темпе все стадии эволюции, которые прошел животный мир за миллиарды лет от бактерии до homo sapiens с его развитым мозгом. 

Родившись, младенцы приступают к преобразованию себя во взрослых со всеми полагающимися им встроенными фоторецепторами, суставчатыми руками-ногами, датчиками давления, насосами для прокачки крови и сложнейшими механизмами для усвоения энергии из окружающей среды, с развитым мозгом, обеспечивающим способность говорить, читать, грустить, радоваться, любить, ненавидеть, разрушать и создавать. 

За два с небольшим года наш мозг из состояния, когда он может реагировать только на световые, звуковые и осязательные сигналы, проходит такие стадии развития, что может уже осмысленно управлять движениями тела, дает возможность ориентироваться в пространстве, говорить, помнить увиденное и услышанное. 

В то же время мы знаем, что и цыпленок, и олененок, только родившись, уже встают на ножки и пусть неуклюже, но уже бегут за матерью. Почему младенец человека от рождения умеет сосать и глотать (как и олененок), а начинает ходить почти через год? В чем разница между олененком и человеческим младенцем? Дело в том, что человек рождается с огромным потенциалом возможностей мозга, гораздо более высоким, чем у всех других представителей животного мира, и медленное развитие есть плата за то, что этот потенциал может реализоваться только после обучения, набора опыта. С одной стороны, это серьезный недостаток, но с другой – он награждает человека чрезвычайной пластичностью, дает ему возможность выживать в любых условиях. Он превратил человека в главного хищника планеты, не оставив шансов всем видам живых существ (кроме тараканов и вирусов!).

Как устроен мозг

Для начала неплохо получить (или вспомнить) элементарные сведения о строении мозга. Ниже (рисунок 1) показаны последовательные стадии эмбрионального развития мозга от нервной трубки через стадию мозговых пузырей к окончательной структуре человеческого мозга.

Рисунок 1. Стадии развития головного мозга человека. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf
Рисунок 1. Стадии развития головного мозга человека. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf

Строение мозга известно давно и почти во всех подробностях. В каких процессах участвует тот или иной его отдел, тоже более или менее известно. Специалисты могут судить о функции любой его структуры (даже о функциях некоторых нейронов), а также о том, что случится с нами, если эта структура выйдет из строя или что-то изменится в ее режиме (рисунок 2).

Рисунок 2. Зоны новой коры больших полушарий. 1 - затылочная доля - зрительная кора; 2 - височная доля - слуховая кора; 3 - передняя часть теменной доли - болевая, кожная и мышечная чувствительность; 4 - островковая доля - вестибулярная чувствительность и вкус; 5 - задняя часть лобной коры - двигательная кора; 6 - задняя часть теменной и височной долей, речевые центры, центры мышления; 7 - передняя часть лобной доли, центр управления поведением человека. 
Источник: Н.А. Дубынин «Мозг: как он устроен и работает». Биофак МГУ. Конспект лекций (https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf).
Рисунок 2. Зоны новой коры больших полушарий. 1 — затылочная доля — зрительная кора; 2 — височная доля — слуховая кора; 3 — передняя часть теменной доли — болевая, кожная и мышечная чувствительность; 4 — островковая доля — вестибулярная чувствительность и вкус; 5 — задняя часть лобной коры — двигательная кора; 6 — задняя часть теменной и височной долей, речевые центры, центры мышления; 7 — передняя часть лобной доли, центр управления поведением человека. 

Источник: Н.А. Дубынин «Мозг: как он устроен и работает». Биофак МГУ. Конспект лекций (https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf).

Хорошо изучено также строение мозговых клеток (нейронов) и то, что связи между клетками осуществляются через синапсы (рисунок 3). По клетке и по ее отростку (аксону) сигнал проходит благодаря электрическому импульсу длительностью 1 мс и потенциалом 100 мв, а когда он доходит до окончания аксона, то открываются белковые каналы, настроенные на движение ионов кальция Са2+, которые входят в межклеточную среду и запускают потенциал в дендрите следующего нейрона (рисунок 4). Таким образом, в другую клетку (нейрон) сигнал проходит через синапс, и передача эта происходит химическим путем. Скорость такой передачи составляет несколько миллисекунд. (Чтобы быстрее мыслить, господа, надо есть больше мела, но не увлекайтесь. Иначе могут заскрипеть суставы. Мозг В.И. Ленина, как показали тщательные исследования, был сильно известкован. Не этим ли объясняется быстрота мысли вождя революции, что позволило ему за короткий период 1900-1921 гг. опубликовать 55 томов публицистики: от «Развития капитализма в России» до «Материализма и империокритицизма» и «Государства и революции»).

Рисунок 3. Элемент нейронной сети. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.
Рисунок 3. Элемент нейронной сети. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.
Рисунок 4. Строение и принцип работы синапса. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.
Рисунок 4. Строение и принцип работы синапса. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.

Все тело человека, его мозг, спинной мозг и периферические нервы пронизаны сетью нейронов, которые устроены практически одинаково, и это очень удивительно, поскольку они выполняют совершенно разные функции: от двигательных реакций мышц, управления деятельностью внутренних органов до  выполнения мыслительных и речевых функций (рисунок 5).

Рисунок 5. Нейросеть, состоящая из разных по функциям нейронов. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.
Рисунок 5. Нейросеть, состоящая из разных по функциям нейронов. Источник: https://teach-in.ru/file/synopsis/pdf/the-brain-how-it-works-M.pdf.

Вся книга Иглмена говорит о том, что удивительные свойства мозга связаны именно с единообразием его структуры, которая пригодна для приема сигналов от любых периферийных участков тела. Природа и эволюция могут формировать эти участки в любом виде (например, в виде хвоста, щупальца, конечности, усов, глаз, ушей), а мозг как универсальная структура перерабатывает эти сигналы и за счет обратной связи закрепляет образовавшийся навык, то есть обучается. В мозге заложены и безусловные реакции (на дыхание, боль, голод, инстинкт размножения), но тот вид, который имеет большее количество нейронов, быстрее и качественнее обучается, следовательно, успешнее выживает. Мозг улитки из 20 тысяч нейронов обучается точно так же, как мозг обезьяны (60 миллиардов нейронов), но последний гораздо быстрее и неизмеримо шире по возможностям.

С помощью разных примеров в книге показано, что можно сформировать на отдельных участках кожи сенсорные датчики, которые получают звуковую информацию о местоположении окружающих предметов, модулируя звук по частоте и интенсивности в соответствии с этим положением, и после некоторого обучения мозг приспосабливается, у испытуемого появляется возможность различать предметы, то есть фактически видеть кожей. При этом испытуемый после такого обучения не затрачивает мысленных усилий на анализ, какому звуку что именно соответствует, он именно видит, вернее просто мгновенно понимает, что здесь маленький предмет, а здесь глухая стена. Разрешение такого способа «видеть» пока невелико, но для слепого и такая помощь ориентироваться в пространстве очень существенна. Этот пример показывает удивительную способность мозга перерабатывать сигналы и обучаться вплоть до появления автоматического навыка.

Что такое память

Память — это сетевое свойство нейронов коры больших полушарий, которое связано с кратковременной и долговременной модификацией конкретных синапсов. Речь идет о сенсорно-эмоциональной памяти, и не касается моторной памяти и формирования двигательных навыков, за которые отвечают другие отделы мозга.

Процесс обучения и формирования памяти состоит в том, что в нейросети появляются новые каналы для передачи информации, то есть сигнал теперь проходит там, где он раньше не проходил. Первый вид обучения (кратковременная память) является коротким по времени и связан с накоплением Ca2+ между синапсом и аксоном. Если потенциалы действия (сигналы по аксону) будут следовать достаточно часто, то удаление ионов Ca2+ из синаптической области будет запаздывать, они будут накапливаться, и после некоторого промежутка времени повторное появление сигнала вызывает устойчивую ответную реакцию. Если не повторять сигнал, то ответная реакция на него постепенно пропадает.

Можно ли улучшить память? Да, при следующих условиях процесса заучивания.

  • Долговременное запоминание должно идти на фоне серьезного подкрепления (положительного или отрицательного, кнута и пряника, но положительная мотивация предпочтительна).

  • Необходимо достаточно длительное повторное сочетание исходно незначимого стимула и положительного подкрепления.

  • Мозг должен находиться в хорошем функциональном состоянии (не быть слишком сытым или голодным, возбужденным или сонным).

Должен признаться, что вышеизложенные рекомендации явились для меня большим откровением — я по-настоящему осознал пословицы «Повторение – мать учения» и «Век живи, век учись».

Мозг и творчество

Творчество — это наивысший род человеческой деятельности, создание качественно новых материальных и духовных ценностей.

Френологи искали материальный субстрат творчества как «божьего дара» (полагая, что в мозге существует физический элемент творчества), подсчитывали вес и объем мозга у великих людей и разводили в недоумении руками, если мозг у выдающейся личности (например, у Анатоля Франса) оказывался, как у младенца. Мозг Эйнштейна меньше, чем мозг среднего мужчины по массе и немного превышает 1200 г, но обладает очень высокой плотностью нервных клеток, в нем мощнее развито мозолистое среднее тело, то есть  обмен информацией  между  полушариями  был  очень  активным. 

В процессе творчества, как художественного, так и научного, на что бы оно ни было направлено, человек познает мир и себя. Решение же всякой творческой задачи, в явной или неявной форме, заключается в том, что ум наш задается вопросами. Ответ на каждый предыдущий вопрос служит опорной площадкой для последующего. «Мыслить — значит говорить с самим собой… слышать себя самого» (И. Кант).

Некоторым творцам удавалось подсмотреть работу своего подсознания, подслушать диалог между двумя своими «Я» — сознательным и подсознательным. «…Я сочиняю всегда, каждую минуту дня и при всякой обстановке» — обмолвился как-то П. И. Чайковский. А вот как выразил особенность своего творчества Пушкин: «душа стесняется лирическим волненьем, идет незримый рой гостей, знакомцы давние, плоды мечты моей…», и «пальцы просятся к перу, перо к бумаге, минута и стихи свободно потекут». Маяковский же мучительно, как пазл, складывал слова в стихи: «поэзия та же добыча радия, в грамм добыча, в год труды, изводишь единого слова ради тысячи тонн словесной руды». 

Многие ученые признавались, что процесс озарения, решение задачи приходило к ним во сне, после длительных и безуспешных раздумий о проблеме наяву. Современная наука установила, что в фазе медленного сна каждые полтора часа происходит фаза активации (фаза парадоксального сна), в которой обновляются актуальные каналы информации, это связано с перераспределением ионов кальция и магния в зоне между синапсом и аксоном. При этом не стирается информация, накопленная в период бодрствования, и можно проснуться со вчерашними проблемами, что поможет их более успешно решить. Таким образом, в мозгу Д. И. Менделеева произошло «выбивание» магниевых пробок в зоне синапса, ионы кальция получили возможность перераспределиться, и он увидел во сне таблицу элементов в том виде, в котором до этого он безуспешно пытался ее представить.

А что приснилось академику А. Б. Мигдалу, решавшему задачу о вылете электронов из атома при ядерных столкновениях? Сознание не находило ответа, но сознательные попытки решить проблему активизировали подсознание, и оно «выдало» идею в иносказательной форме: Мигдалу снится цирковая наездница, которая скачет по арене, внезапно останавливается, и цветы, которые она держит в руках, летят в публику. «Оставалось, — говорит Мигдал, — только перевести эту мысль на язык квантовой механики» (ерундовое дело!).

Как ни обидно это звучит, но качество нашего сознания и творческие способности зависят всего лишь от быстроты перехода каких-то ионов кальция через клеточные мембраны и, самое главное, развитие которых зависит только от упорства индивидуума в обучении, познании чего-нибудь, от решения задач, которые до него никто не решал. 

Обязательно прочитайте книгу Дэвида Иглмена. Она состоит из ярких примеров, увлекательных историй и лишена скучного изложения теории. Вы узнаете много нового и интересного, в том числе о себе. 

 

Источник

Читайте также