3. Удивительные факты о нашем мозге

Прежде всего давайте поближе познакомимся с нашим главным инструментом — головным мозгом. Если вы хотите получить максимум от своего мозга, то должны знать, как он работает и каким образом от него можно добиться оптимальной интеллектуальной продуктивности.

3.1. 160 миллиардов клеток и 8 квадриллионов соединений

Человеческий мозг — самый сложный из всех известных нам физических объектов во Вселенной. Пресловутая Всемирная паутина со всеми ее серверами, точками доступа, широкополосными магистральными сетями, маршрутизаторами, модемами, хабами, мостами, коммутаторами и миллиардами подключенных к ней компьютеров — проста и примитивна по сравнению с мозгом человека.

В нашем мозге находится около 80 млрд нейронов (от греческого слова «волокно») 10 000 различных типов. Каждый нейрон функционирует как крошечный компьютер или микропроцессор, обрабатывающий электрические сигналы. Одновременно он действует как химическая фабрика, обмениваясь химическими сигналами с другими нейронами. Эти химические сигналы, а точнее — вещества называются нейромедиаторами или нейропередатчиками, поскольку передают сообщения от одного нейрона к другому. Нервные клетки влияют не только друг на друга, но и на связи между другими клетками. Один из важных нейромедиаторов — дофамин, который, помимо прочего, создает у нас ощущения радости и счастья. Есть нейромедиаторы, чье действие похоже на опиум: они снимают боль и вызывают ощущение удовольствия. О них мы поговорим чуть позже, чтобы лучше понять, почему так трудно отключиться от Интернета и почему у многих людей развивается настоящая зависимость от него.

Кроме того, в нашем мозге около 80 млрд глиальных клеток. До недавнего времени считалось, что они играют лишь вспомогательную роль: окружая нейроны, они выполняют опорную и защитную функцию, обеспечивают многообразные метаболические процессы и создают матрицу для развития. Поскольку нейроны обновляются не так регулярно, как большинство других клеток нашего организма, глиальные клетки заботятся о них, создавая все условия для нормального функционирования. Однако в последнее время ученые все чаще сходятся во мнении, что клетки глии также участвуют в мыслительных процессах посредством того, что влияют на связи между нейронами4. Кроме того, как мы узнаем в главе о сне, глиальные клетки отвечают за управление отходами. Представляете, насколько важна эта функция в ткани, где клетки ежесекундно производят огромное разнообразие химических веществ!

Таким образом, общее количество клеток головного мозга, помогающих нам обрабатывать информацию, составляет примерно 160 млрд. Это в 48 раз больше, чем пользователей Интернета на всей нашей планете в 2012 году. И в два раза больше, чем звезд в Млечном Пути.

Каждый нейрон связан с от 1 000 до 400 000 других нейронов. Это дает нам больше 8 квдрлн постоянно меняющихся соединений. Если рассматривать везикулы как транзисторы, то наш мозговой компьютер содержит 400 квдрлн транзисторов. (См. приведенную ниже иллюстрацию.)

Наш мозг представляет собой супер-супер-суперкомпьютер или, точнее говоря, миллиарды микрокомпьютеров, соединенных в сложнейшую сеть, состоящую из сетей, которые в свою очередь состоят из сетей, и т.д. Каждая нервная клетка сама по себе функционирует как маленькая сеть. Чтобы сохранить новую информацию или навык, нам не нужны новые нейроны — достаточно создать новые соединения. И значительная часть процессов по созданию новых, разрыванию ненужных и восстановлению поврежденных соединений происходит у нас во время сна.

До недавнего времени считалось, что эти соединения во многом похожи на медные провода, которые передают электрические сигналы между клетками быстро (со скоростью около 400 км/ч), но пассивно. Однако оказалось, что эти «провода» функционируют вовсе не пассивно. Они регулируют поток сигналов, некоторые из них могут отправлять обратно и в целом активно участвуют в обработке информации5. Это делает общую, совокупную вычислительную мощность нашего мозга и вовсе непостижимой для нашего ума (извините за парадокс!). В таблице ниже приведены основные численные характеристики этой удивительной сети.

Для тех, кому интересно, коротко расскажу, как клетки мозга передают друг другу информацию. В ходе этого объяснения также станет понятно, каким образом нейрон способен функционировать одновременно как компьютер и как химическая фабрика. Нейроны получают информацию, обрабатывают ее и передают другим нейронам. Сигнал, производимый нейроном, передается другому нейрону через аксон (от греческого слова «ось»). Сигнал проходит по аксону как электрический ток. Аксоны могут иметь длину от нескольких микрометров, если соединяют близлежащие нейроны, до полутора метров, как те, которые доставляют информацию в большой палец ноги. Аксон разветвляется на конце, чтобы соединиться с дендритами (от греческого слова «дерево», поскольку по виду они действительно напоминают ветвящуюся крону дерева) других нейронов.

Места контактов между нейронами называются синапсами (от греческого слова «застежка»). Однако кончики аксонов и дендритов прилегают друг к другу не вплотную, между ними имеется узкое пространство — синаптическая щель. Поступающий по аксону электрический сигнал воздействует на пузырьки-везикулы, расположенные на кончиках отростков, и запускает в них выработку химических веществ (нейромедиаторов). Когда этот процесс завершается, везикулы открываются и выбрасывают эти вещества в синаптическую щель. Химические вещества достигают противоположной мембраны и поглощаются ее рецепторами. Там они запускают различные виды химических реакций, которые вызывают либо возбуждение, либо торможение нейрона. Этот нейрон, в свою очередь, может выработать свой электрический сигнал, чтобы передать информацию другим нейронам.

Таким образом, протекающий в синапсах процесс никак не является пассивной передачей электрического импульса, как это происходит на стыке двух медных проводов. Каждый синапс преобразует электрический сигнал в химический и обратно. Он функционирует как система сложных передатчиков, которая активно влияет на сигнал: усиливает или ослабляет его — в том числе и под влиянием других сигналов, исходящих от соседних нейронов. Синапс также может посылать сигналы обратной связи к телу нейрона. И весь этот процесс занимает около миллисекунды.

Короче говоря, каждый синапс похож на микросхему, состоящую из множества транзисторов-передатчиков. Тысячи синапсов-микросхем функционируют как микропроцессорная система, которая вместе с другими компонентами клетки превращает каждый нейрон в настоящий компьютер.

Нейроны тоже не передают сигналы пассивно. В зависимости от специализации нейрона, поступающие на его рецепторы химические вещества могут запускать различные виды биохимических реакций. В конечном итоге эти реакции могут порождать новый электрический сигнал и передавать его по аксону сети других нейронов.

Все 160 млрд клеток головного мозга находятся в активном рабочем режиме. Вместе они выполняют десятки тысяч задач одновременно, без какого-либо центрального контроля и даже без сознательного участия с нашей стороны. В этой гигантской сложнейшей сети нет центрального пункта управления, где принимались бы все решения. Частично такую функцию выполняют так называемые «биологические часы», которые синхронизируют триллионы операций. Это то, что ИТ-специалисты называют распределенными вычислениями, только с таким уровнем сложности, который при современном уровне развития техники кажется недостижимым.

Еще одна потрясающая особенность нашего мозга — его удивительная надежность: он практически безотказен. Мы можем потерять множество клеток в результате естественного старения или из-за травмы. Но это не нанесет ущерб всей системе. Возможно, такая способность объясняется тем, что наш мозг непрерывно программирует и перепрограммирует себя, создает новые связи и перестраивает старые. Благодаря этому он способен изменять и исцелять себя сам, особенно когда мы спим. Эти процессы происходят постоянно в масштабах отдельных клеток или групп клеток, но даже большие части мозга могут брать на себя функции других его частей. Это тоже пока недостижимая мечта для ИТ-специалистов. Ведь один неисправный транзистор в компьютере может вывести из строя весь микропроцессор6.

Если вы хотите узнать больше об этой особенности нашего мозга, прочитайте увлекательную книгу Нормана Дойджа «Пластичность мозга» (The Brain That Changes Itself)7.

Короче говоря, наш главный рабочий инструмент — головной мозг — это самый фантастический компьютер, который только можно себе представить. Его возможности настолько ошеломительны, что их пока что не под силу осознать самому человеческому мозгу. В таблице я привожу для сравнения данные по нейронному компьютеру SpiNNaker, самому продвинутому симулятору мозга на нынешний момент. Невероятно, но факт: создатели компьютера, моделирующего на самом примитивном уровне не более 1% нашего мозга, гордятся, что разработанные по индивидуальному заказу микросхемы потребляют всего 1 Вт электроэнергии каждая, и что весь компьютер в законченном виде будет потреблять всего 50 000 Вт. Вес же его — чуть больше 400 кг8. Следовательно компьютер, примитивно моделирующий человеческий мозг, должен быть размером с огромный ангар, весить 40 000 тонн и потреблять столько мегаватт электроэнергии, сколько вырабатывают три мощные АЭС. А заключенный в нашей черепной коробке комок мозгового вещества, обладающий несоизмеримо большей вычислительной мощностью, весит чуть больше килограмма и потребляет всего 30 ватт. Согласитесь, человеческий мозг — поистине удивительный и уникальный феномен!

3.2. Мозг — это не машина, состоящая из отдельных частей, а сложнейшая сеть из множества сетей и подсетей

Сегодня у исследователей есть современные методы нейровизуализации (такие как магнитно-резонансная томография, компьютерная томография и др.), позволяющие наблюдать за активностью мозга живого человека. Раньше, когда такой возможности не было, ученые рассматривали головной мозг как машину, состоящую из отдельных частей, каждая из которых выполняет конкретную функцию. Естественно, они пытались определить, за что отвечает та или иная часть мозга. Например, 175 лет назад Поль-Пьер Брока обнаружил, что у людей, страдавших афазией (нарушением понимания и генерации речи), был поврежден конкретный участок коры головного мозга, который впоследствии был назван центром Брока.

После изобретения МРТ, и особенно метода функциональной МРТ, ученые смогли без помощи излучения и инъекций увидеть активность клеток головного мозга в режиме реального времени. Эти методы визуального исследования четко показали: головной мозг не состоит из отдельных частей, как машина. Он представляет собой сложнейшую взаимосвязанную систему огромного количества сетей и подсетей. У этой удивительной мозговой архитектуры есть одна общая черта с Всемирной паутиной: отсутствие центрального управляющего органа. Хотя, как я объясню чуть позже, в ней имеются сети высшего уровня, которые соединены между собой и оказывают влияние друг на друга. То, что раньше считалось автономными деталями, оказалось узлами (ядрами) сети, играющими роль коммутационных станций. При этом все эти бесчисленные сети и узлы оказались соединенными в единую систему9. Как мы увидим далее, одна из областей, где современные методы нейровизуализации произвели настоящую революцию, — это исследование эмоций.

В каком-то смысле эта сеть функционирует, как Всемирная паутина с ее огромным количеством соединений во всех направлениях. Однако способ ее работы носит не столько логический, сколько ассоциативный характер (более подробно об этом мы поговорим в разделе о памяти). Еще одно сходство с Мировой сетью: при нарушении одного из соединений в нашем головном мозге мы можем получать информацию через массу других.

Интересно: притом, что соединения постоянно изменяются, а сети перестраиваются, сами нервные клетки остаются неизменными. Шведский ученый Йонас Фризен открыл весьма нестандартный способ исследовать обновление клеток человека. Пометить их было невозможно. Но оказалось, что в 1950-е и 1960-е годы уже произошел «неумышленный» эксперимент по радиоактивному мечению клеток — когда проводились наземные испытания ядерного оружия. Измеряя остаточное радиоактивное излучение ядер различных клеток человеческого организма, исследователь смог определить возраст этих клеток и темпы их обновления. Фризен обнаружил, что все клетки нашего организма регулярно обновляются. Исключение составляют яйцеклетки в яичниках и… нейроны в головном мозге. Это не касается только части мозга, которая отвечает за долговременную память, — там происходит непрерывное обновление клеток. С возрастом производство новых клеток в этой зоне уменьшается, но никогда не прекращается10. Здесь ежедневно образуется около 700 новых клеток и несколько тысяч соединений. Это много, но недостаточно для того, чтобы заменить все клетки, которые отбраковываются мозгом. Так что количество клеток в этой зоне постепенно уменьшается. Но благодаря надежности и высокой отказоустойчивости мозга, это не вызывает каких-либо проблем — при нормальном темпе процесса, конечно.

3.3. Наш телесный мозг подключен к каждой клетке тела

Сейчас вы узнаете и вовсе фантастическую вещь: наш мозг поддерживает двустороннюю связь с каждой из 50 трлн — 100 трлн клеток нашего организма. Он отвечает за поддержание жизнеспособности тела, приспосабливая его под постоянные изменения окружающей среды. Он делает это автономно, на «автопилоте». Нам не нужно думать, как бьется сердце, циркулирует кровь, переваривается еда в кишечнике. Телесный мозг управляет всем этим сложных «хозяйством» без нашего ведома. Он одновременно выполняет десятки тысяч задач посредством того, что ИТ-специалисты называют сверхсложными распределенными вычислениями. Это означает, что каждая клетка нашего тела функционирует как крошечный компьютер, который оказывает влияние на триллионы других компьютеров и сам находится под их влиянием. Вместе они параллельно осуществляют миллиарды операций, направляют друг друга и принимают решения в масштабах сложнейшей сети, работающей с поразительной скоростью. Этот телесный мозг охватывает через систему нервов все тело. Он управляет работой и делением клеток, оказывает влияние даже на гены в клетках. С другой стороны, клетки поддерживают с телесным мозгом постоянную обратную связь, что позволяет ему быстро адаптировать наш организм к изменяющимся условиям. Вся эта деятельность синхронизируется биологическими часами, о которых мы поговорим подробнее в главе о сне.

Телесный мозг регулирует деятельность всех клеток нашего организма при помощи трех систем:

• нервной системы — у нее сверхбыстрая реакция, потому что сообщения между нервными клетками передаются электрическими импульсами. Поэтому когда вам угрожает опасность, вы реагируете на нее — отпрыгиваете, уклоняетесь, заслоняетесь и т.п. — за считаные доли секунды;
• эндокринной системы — она реагирует медленнее, поскольку сообщения в клетки посылаются при помощи гормонов, выбрасываемых в кровоток;
• иммунной системы, которая представляет собой сложную систему защиты организма. Она координируют действия специальных иммунных клеток, чтобы защитить нас от врагов — внешних (болезнетворных микробов и вирусов) и внутренних (таких как раковые клетки).

Все эти три системы тесно взаимодействуют между собой. Все они связаны с центральным «коммутатором» гипоталамусом, где сходятся различные потоки информации. Это не только бессознательная информация, которую собирает телесный мозг для управления биологическими функциями нашего организма, но и сознательные наблюдения, эмоции, фантазии и мысли. Благодаря такому схождению каналов информации во время стрессовых ситуаций происходит каскад цепных реакций, которые позволяют нам почти мгновенно среагировать на опасность (подробнее об этом см. в главе о стрессе во второй части этой книги). Именно через этот «коммутатор» наш телесный мозг и наш когнитивный мозг взаимодействуют друг с другом. Наш мозг — один из органов тела. Следовательно, чтобы выполнять свои когнитивные функции, он должен хорошо функционировать как биологический орган. Когда вы болеете гриппом, то болеет гриппом все ваше тело, в том числе и мозг. И это, безусловно, сказывается на качестве его работы. С другой стороны, исследования в области психосоматики показывают: наши мысли также способны влиять на наше тело. Например, агрессивные мысли ускоряют сердцебиение и повышают кровяное давление.

Но и это еще не все. Вообще в нашем организме все очень сложно и интересно. Взять хотя бы то, что многие химические посредники (мессенджеры) играют роль во всех трех вышеуказанных системах: например, гормональные посредники могут действовать на нервную и иммунную системы. Оказалось, что некоторые специфические гормоны (которые, как считалось раньше, производятся только в головном мозге) также вырабатываются клетками иммунной и эндокринной системы. В результате стимуляция иммунной системы влияет не только на телесный, но и на мыслящий, когнитивный мозг. И наоборот: стимуляция мозга оказывает влияние на нашу иммунную систему!

Центральный коммутатор, к которому подключены все три системы, влияет и на эмоциональную систему, которая формирует базовые чувства (такие как голод, жажда, агрессия, страх, сексуальное влечение и т.д.) и определяет их влияние на наше поведение. В результате выстраивается прямая связь между нашими эмоциональными состояниями и реакциями иммунной системы.

Более того, многие химические посредники оказывают множественное действие на наш организм. Например, уже давно известно, что гормон окситоцин «отвечает» за сокращения мускулатуры матки у беременных женщин. Однако лишь недавно было установлено, что он также играет роль «гормона любви»: усиливая чувство доверия, привязанности к избраннику и стремление заботиться о нем. Эндорфины, которые вырабатываются в нашем мозге в стрессовых ситуациях и по своему химическому составу похожи на синтетический морфин, повышают нашу терпимость к боли и одновременно вызывают чувство эйфории. Это было весьма кстати для наших предков, которым приходилось бороться за выживание в дикой природе.

Основная причина такого сложного устройства нашего мозга — эволюция. Нервная система не была создана конкретно под хомо сапиенс в его законченном виде. Она развивалась на протяжении сотен миллионов лет. Более 500 млн лет назад уже существовала разновидность червя с симметричной нервной системой и зачатком головного мозга в виде одного нервного узла (ганглии). В процессе эволюции происходили бесчисленные случайные генетические мутации, и если какая-то из них увеличивала для живого существа шансы на выживание и продолжение рода, то она закреплялась в нервной системе и начинала развиваться. Однако эволюция редко отказывалась от того, что перестало быть ей нужным и полезным. Этим и объясняется чрезвычайная сложность нашей нервной системы с ее массой дублирующих и перекрывающих друг друга функций. И вот почему, несмотря на все попытки человечества изучить и понять головной мозг, он по-прежнему остается для нас тайной.

3.4. Невероятно, но факт: наш мозг способен напрямую связаться с мозгом других людей

В довершение ко всему вот вам сенсация: наш мозг связан не только с каждой клеткой нашего тела, но и непосредственно, хотя и неосознанно подключен к мозгу других людей. Происходит это через органы чувств. Я понимаю, что это утверждение отдает мистикой, но это факт. Когда мы видим, как кто-то двигает рукой (особенно если эта рука делает что-то интересное для нас: например, берет вкусное печенье), в нашем головном мозге активизируются клетки, отвечающие за движение нашей руки. Это происходит, даже если наша рука остается неподвижной. Когда мы наблюдаем за проявлением некой эмоции у другого человека, у нас активизируются соответствующие клетки эмоциональной системы — как если бы мы сами испытывали это чувство. Клетки в головном мозге, которые возбуждаются при наблюдении за действием или состоянием другого живого существа, называются «зеркальными нейронами» (подробнее об этом мы поговорим в главе об эмоциональных реакциях и эмпатии).

Все эти научные открытия о головном мозге, доказывающие его сложнейшую сетевую структуру, дали рождение совершенно новой дисциплине — коннектомике. Она занимается картографированием и анализом архитектуры нейрональных связей11. Исследователи мечтают сделать в области исследований головного мозга то же самое, что сделали их коллеги, расшифровавшие генетический код. В рамках недавно начатого проекта «Коннектом человека» ученые планируют составить полное описание структуры связей в нервной системе человека.

Принимая во внимание все вышесказанное, оцените, насколько колоссальную и ошеломительную по своей сложности задачу поставил перед учеными президент Обама в запущенной по его инициативе программе BRAIN (Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies, в переводе — «Исследование мозга через развитие инновационных нейротехнологий»), которую также называют Проектом по составлению карты активности мозга. Его цель — описать активность каждого нейрона в человеческом головном мозге. Эта задача в миллионы раз сложнее, чем отправить человека на Луну, и в тысячи раз сложнее, чем расшифровать геном человека.