«Как работает мозг». Глава из книги

МЕНЮ


Искусственный интеллект. Новости
Поиск

ТЕМЫ


Внедрение ИИНовости ИИРобототехника, БПЛАПсихологияТрансгуманизмЛингвистика, обработка текстаБиология, теория эволюцииВиртулаьная и дополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информации

RSS


RSS новости

Авторизация



Новостная лента форума ailab.ru

2017-11-22 23:00

работа мозга

Глава первая. Вырисовывающийся ландшафт

Как работает мозг

Головной мозг человека состоит из многих частей, и у каждой свои функции: превращение звуков в речь, обработка информации о цвете, формирование страха, распознавание лиц или различение рыбы и фруктов. Но это не застывший набор компонентов: мозг каждого из нас уникален, он постоянно изменяется и тонко чувствует окружающую среду. Входящим в его состав модулям свойственны как независимость, так и постоянное взаимодействие друг с другом. Их функции не закреплены за ними жестко, и порой один участок может взять на себя работу другого, либо, в результате сбоя генетической программы или изменения окружающей среды, может вообще не сработать. Активностью мозга управляют токи, химические вещества и загадочные колебания. Не исключено даже, что на нее влияют квантовые эффекты, искажающие ход времени. Все системы мозга связаны в единую динамичную надсистему, параллельно делающую миллионы разных дел. Может быть, она настолько сложна, что никогда не сумеет полностью постичь саму себя. Но она продолжает пытаться.

Как работает мозг

Пожалуйста, притроньтесь пальцем к загривку. Двигайте палец вверх и вбок, и вы дойдете до шишки, образуемой основанием черепа. Пощупайте ее. Франц Галль, основоположник френологии, утверждал, что под этой выпуклостью располагается «орган эротизма» (свойства, лежащего в основе сексуальных ощущений). Теперь передвиньте палец на два-три сантиметра вверх, в сторону темени. Здесь, по Галлю, находится «орган агрессивности». По убеждению Галля, у людей добродушных и миролюбивых этот второй участок должен быть не таким выпуклым, как первый. Но не стоит беспокоиться, если шишки не соответствуют вашему самовосприятию. Галль выделил свой «орган эротизма», отыскав самый теплый участок головы у двух недавно овдовевших и «эмоциональных» молодых женщин, а «орган агрессивности» — отметив малые размеры соответствующего участка у «большинства индусов и цейлонцев». Его методы были сомнительными даже по меркам начала XIX века.

Попытки определять свойства характера по шишкам на голове в любом случае были бессмысленны, потому что мягкие ткани мозга человека обычно не влияют на форму его черепа. Но Галль ошибался не во всем. Пощупайте еще раз собственный череп, на этот раз чуть впереди и слева от темени. Здесь, по Галлю, располагается «орган веселости». Несколько лет назад хирурги с медицинского факультета Калифорнийского университета изучили воздействие слабого электрического тока на участок левого полушария мозга 16-летней девушки, расположенный в этой области черепа.

Пациентка страдала тяжелой формой эпилепсии, и описанная стимуляция проводилась в ходе стандартной процедуры, позволяющей определять местоположение очагов распространения эпилептического припадка для их последующего удаления. Девушка пребывала в сознании, и когда ей начали стимулировать указанный участок коры головного мозга, она стала смеяться. Это была не какая-нибудь бессмысленная гримаса, а настоящее радостное хихиканье, и когда хирурги спросили, что ее развеселило, она ответила: «Вы такие смешные — стоите тут вокруг меня!» Врачи повторили воздействие, и на этот раз девушка нашла что-то смешное в картинке, на которую упал ее взгляд (там была изображена обыкновенная лошадь). В третий раз ей показалось смешным что-то еще. Судя по всему, хирурги нашли участок мозга, способный вызывать веселье в любых, даже самых неподходящих обстоятельствах. Галль почти двумя столетиями раньше отметил тот же участок как «орган веселости» по чистой случайности. Но идея, положенная им в основу своей теории, — что головной мозг состоит из модулей, выполняющих разные функции, — давно подтверждена наукой.

Как работает мозг

По иронии, развенчание френологии было связано как раз с открытием настоящих модулей головного мозга. К концу XIX века европейские университеты охватило повальное увлечение биологической психиатрией, и неврологи начали заниматься локальной электрической стимуляцией и экспериментами по удалению участков мозга у животных, выясняя, какие области мозга за что отвечают. Многие из важнейших ориентиров были намечены уже в эту начальную эпоху картирования работы мозга, в частности, неврологи Поль Брока и Карл Вернике открыли речевые зоны. К сожалению френологов, эти зоны были обнаружены сбоку, над ухом и возле него, в то время как по Галлю «орган речи» должен был располагаться строго в районе глаз.

Речевые зоны, выявленные Брока и Вернике, по сей день носят их имена. Если бы ученые начала XIX века продолжили поиски функциональных участков мозга, сегодняшние схемы его строения пестрели бы именами других давно покойных людей, а не скучными ярлыками (такими как «первичная слуховая кора», «ДМО» или «зона V1»), которыми теперь принято обозначать выявляемые в мозге области. Но научное картирование мозга вышло из моды вместе с френологией, и модульная теория его строения была во многом отвергнута учеными в пользу теории «массового действия», согласно которой сложные формы поведения порождаются совместной работой всех клеток мозга.

Как работает мозг

На первый взгляд, середина XX века была неподходящим временем для тех, кто стремился использовать физические методы для лечения психических заболеваний или влияния на поведение. И все же психохирургия в то время процветала. В 1935 году лиссабонский невролог Антониу Эгаш Мониш узнал об экспериментах, в ходе которых агрессивным, беспокойным шимпанзе перерезали определенные волокна в лобных долях мозга. После этой операции, которую назвали лейкотомией, животные становились спокойными и дружелюбными. Эгаш Мониш поспешил провести эту операцию людям, страдающим похожими нарушениями, и добился тех же результатов. Фронтальная лейкотомия (на основе которой впоследствии была разработана более радикальная фронтальная лоботомия) быстро сделалась одной из стандартных методик, применяемых в психиатрических больницах, и в 40-х годах только в Америке было проведено не менее 20 тысяч подобных операций.

Применявшийся в то время в нейрохирургии подход с современных позиций кажется на редкость безрассудным. Его использовали для лечения чуть ли не любых психических расстройств, таких как депрессия, шизофрения или маниакальный синдром, хотя никто еще понятия не имел, что именно вызывает симптомы этих недугов и почему перерезание волокон в мозге должно помогать больным. Разъездные хирурги курсировали от больницы к больнице, возя с собой в машине свои инструменты, и за утро делали аж по дюжине таких операций. Один из них описывал свою методику так: «Проще простого. Беру инструмент вроде ножа для колки льда... пробиваю кость над самым глазным яблоком, ввожу инструмент в мозг, верчу, разрезая нервные волокна, и дело с концом. Пациент при этом не чувствует ровным счетом ничего».

Фронтальная лейкотомия предполагала перерезание волокон, связывающих область бессознательных реакций, где вырабатываются эмоции, с областью коры, где они вызываются в сознании.

Фронтальная лейкотомия предполагала перерезание волокон, связывающих область бессознательных реакций, где вырабатываются эмоции, с областью коры, где они вызываются в сознании.

К сожалению, некоторые пациенты не просто ничего не чувствовали во время операции, но и на всю оставшуюся жизнь сохраняли притупленность чувств и странную невосприимчивость к окружающему, из-за которой производили впечатление полуживых. Более того, эта операция не всегда позволяла избавить больного от агрессивности: сам Эгаш Мониш погиб от пули одного из своих пациентов, которому он сделал лоботомию.

Может быть, распространенное в середине XX века увлечение перерезанием волокон в мозге скорее облегчало страдания, чем причиняло их, но у врачей оно породило чувство крайней обеспокоенности, а у людей, далеких от медицины, — сохраняющееся и по сей день подозрительное отношение к психохирургии. В 60-х годах, когда были разработаны эффективные психотропные препараты, от применения хирургических методов лечения психических заболеваний почти полностью отказались.

В наши дни идея менять поведение людей и лечить психические расстройства путем непосредственных манипуляций с мозгом вновь становится востребованной. Однако на сей раз в основу подобных вмешательств в работу головного мозга положены гораздо более глубокие представления о том, как функционирует этот орган. Современные технологии нейровизуализации, такие как функциональная магнитно-резонансная томография, позволяют исследователям изучать живой, работающий мозг. Сведения, которые им удалось получить, пролили свет как на психические заболевания, так и на природу наших повседневных ощущений.

Возьмем, например, боль. Исходя из общих соображений, можно предположить, что в мозге есть особый болевой центр, связанный, возможно, еще с одним участком мозга, отслеживающим ощущения, возникающие в пораженной части тела. На самом деле, как показывают данные томографических исследований мозга, болевого центра в мозге нет. Боль возникает в результате активации как участков мозга, связанных с вниманием и эмоциями, так и участков мозга, непосредственно задействованных в чувствительности. Если разобраться, что представляет собой боль в плане активности мозга, станет ясно, почему нам бывает гораздо больнее, когда мы пребываем в состоянии эмоционального напряжения, и почему мы нередко не замечаем боли (даже если организм весьма серьезно поврежден), когда наше внимание поглощено чем-то более важным.

Некоторые психические функции, представляющиеся нам простыми (например, боль), оказываются сложнее, чем можно было ожидать, а другие, производящие впечатление недоступных для понимания, на самом деле выглядят на удивление механистическими. Нравственные принципы, альтруизм, «духовный» и религиозный опыт, эстетическое чувство, даже любовь — все это считалось недоступным для научного изучения. Но теперь понемногу обнажаются физиологические корни этих таинственных явлений, и в некоторых случаях выясняется, что ими можно манипулировать путем простого прикосновения электрода к некоему участку мозга. Так, вживленные в мозг электростимуляторы могут избавить человека от ощущения мрачной безысходности, связанного с депрессией, прежде считавшейся чисто душевным недугом6, а также от навязчивых состояний, причем и в случаях, когда все традиционные средства оказываются бессильны7. Чувства освобождения от телесной оболочки, пребывания вне времени и даже трансцендентального опыта — все это можно вызывать искусственно, возбуждая определенным образом соответствующие участки мозга. Можно даже купить себе шлем, посылающий сквозь череп электронные волны, включающие и выключающие соответствующие нервные клетки, и позволяющий по желанию получать «интенсивный духовный опыт». Какими бы сомнительными ни казались рекламируемые таким образом свойства шлема, они основаны на данных серьезных научных работ. Результаты ряда новаторских исследований, которые с 80-х годов ведет канадский нейробиолог Майкл Персингер, показали, что нарушение электрической активности в мозге (особенно в районе височных долей) вызывает у большинства людей необычные субъективные состояния, в том числе ощущение отделения от тела и присутствия невидимого разумного существа. Все это свидетельствует, что такие чувства, как веселость, благоговение, любовь или ужас можно пережить независимо от внешних обстоятельств, с которыми их обычно связывают. Чтобы испытать влечение, не требуется предмета обожания, чтобы почувствовать страх, не требуется угроза, а чтобы ощущать духовное общение, не требуется присутствие сверхъестественных существ. Если подстегнуть мозг, он способен самостоятельно порождать любые, по сути, ощущения.

Как работает мозг

Как он это делает? Каким образом это объединение скоплений клеток и переплетений отростков, связывающих клетки, порождает ощущения, управляет всем нашим телом? Ощущения возникают из электрических разрядов, происходящих в клетках мозга — нейронах. Но разрядов в одном-единственном нейроне недостаточно даже для того, чтобы заставить веко дергаться во сне, не говоря уже об осознанном восприятии. Паттерны активности мозга, достаточно сложные, чтобы порождать мысли, чувства и восприятие, возникают лишь тогда, когда один нейрон возбуждает соседние, которые, в свою очередь, возбуждают следующие, и так далее.

Для возникновения даже ничтожнейшей из мыслей миллионы нейронов возбуждаются в унисон. Даже в состоянии покоя томограф демонстрирует сложнейший калейдоскоп наблюдаемой в мозге активности, характер которой постоянно меняется. Эта форма работы мозга «по умолчанию» связана с мечтами, самоанализом и раздумьями. При этом время от времени, если человек пытается решить в уме сложную задачу или испытывает сильные эмоции, у него «зажигается» весь мозг.

Любые входящие ощущения вызывают новые формы нейронной активности, иные из которых приводят к физическим изменениям, позволяющим воспроизводить эти формы активности в виде воспоминаний. Однако большинство образуемых такой активностью конфигураций существует лишь доли секунды, обрекая на забвение мимолетно воплотившиеся в них ощущения.

Сохраняющиеся конфигурации могут, в свою очередь, связываться с активностью других групп нейронов и запускать ее, формируя ассоциации (усвоенные знания) или совместно создавая новые понятия. Теоретически всякий раз, когда возбуждается определенная группа взаимосвязанных нейронов, это должно порождать один и тот же фрагмент мысли, чувства или неосознаваемой работы мозга, но на практике работа нашего мозга слишком непостоянна, чтобы та или иная форма его активности повторялась в неизменном виде. На самом деле в нем возникают похожие, но слегка видоизмененные конфигурации возбуждения. Наши ощущения никогда в точности не повторяются.

Обзорная экскурсия

Головной мозг человека сопоставим по размеру с кокосовым орехом и напоминает по форме грецкий орех, по цвету — сырую печенку, а по консистенции — замороженное сливочное масло. В его состав входят два больших полушария, покрытые тонкой оболочкой из морщинистой серой ткани. Эту оболочку называют корой больших полушарий. Углубления на ее поверхности называют бороздами, выпуклости — извилинами. Ландшафт, образуемый бороздами и извилинами, у разных людей слегка различается, но главные складки коры, подобно вертикальному углублению под носом на верхней губе или морщинкам, образующимся к старости у уголков глаз, свойственны всем нам и используются в качестве ориентиров на этой «местности». Под задней частью основной массы мозга располагается мозжечок, «маленький мозг», частично прикрытый большими полушариями. У живших в незапамятные времена предков млекопитающих мозжечок был основным отделом мозга, но теперь главную роль взял на себя разросшийся конечный мозг, образующий большие полушария.

Каждое из полушарий разделено на четыре доли, границы между которыми отмечены складками.

В самой задней части каждого полушария располагается затылочная доля, внизу сбоку, в районе уха — височная, вверху — теменная, а спереди — лобная. Каждая из четырех долей обрабатывает свою информацию. Затылочная доля состоит почти исключительно из отделов, обрабатывающих зрительную информацию. Теменная занимается в основном функциями, связанными с движением, ориентацией, расчетами и определенными формами узнавания. Височная занимается звуком, восприятием речи (обычно только в левом полушарии) и некоторыми аспектами памяти. Лобная доля ведает самыми сложными из функций мозга: мышлением, формированием понятий и планированием. Кроме того, лобные доли играют важную роль в сознательном переживании эмоций.

Если разрезать мозг на половинки по средней линии, отделив полушария друг от друга, мы увидим, что под корой располагается сложное скопление модулей: вздутий, трубок и камер. Некоторые из них можно уподобить по размеру и форме орешкам, виноградинам или насекомым, но многие не похожи ни на какие привычные вещи. Каждый из модулей выполняет свою функцию или функции, и все модули связаны перекрещивающимися проводами аксонов. Большинство модулей окрашены в сероватый цвет, придаваемый им плотно упакованными телами нейронов. Однако связывающие их тяжи светлее, потому что покрыты оболочкой из белого вещества миелина, играющего роль изолятора, помогающего электрическим импульсам быстро распространяться по аксонам.

Как работает мозг_врезка

За исключением единственной структуры — эпифиза в глубине мозга, — каждый модуль мозга имеется у нас в двух экземплярах — по одному на полушарие. В этой книге о модулях всегда говорится в единственном числе, но на самом деле они всегда парные. В тех случаях, когда необходимо указать на различия между двумя модулями одной пары, отмечается, какой из них имеется в виду.

Как работает мозг_врезка

Самая заметная структура на внутренней поверхности каждой половинки разрезанного мозга — это изогнутая полоска белой ткани, образующей объемистую границу между складчатой корой и расположенной под ней системой модулей. Это мозолистое тело, соединяющее полушария друг с другом и играющее роль моста, по которому в обе стороны постоянно передается информация, так что обычно полушария работают как единое целое. Совокупность модулей, расположенных под мозолистым телом, называют лимбической системой. Эта система в эволюционном плане древнее коры, и ее иногда называют также «мозгом млекопитающих», исходя из представлений о том, что она впервые возникла у древнейших млекопитающих. Работа этой части мозга, как и еще более древних его частей, расположенных под ней, совершается бессознательно, но оказывает сильнейшее воздействие на наши ощущения: лимбическая система тесно связана с расположенной над ней осознающей корой и постоянно посылает туда информацию.

В лимбической системе рождаются эмоции, а также большинство из многочисленных потребностей и побуждений, которые заставляют нас вести себя тем или иным образом, помогая нам, по крайней мере обычно, увеличивать свои шансы на выживание. Но у модулей лимбической системы есть немало других функций. Например, таламус представляет собой нечто вроде ретрансляционной станции, распределяющей поступающую в нее информацию по соответствующим частям мозга для дальнейшей обработки. Под ним располагается гипоталамус, который вместе с гипофизом постоянно поправляет настройки нашего организма, поддерживая его в состоянии наилучшей приспособленности к окружающей среде. Гиппокамп — «морской конек» (сходство с которым можно заметить, только если посмотреть на этот орган в разрезе и напрячь воображение) — необходим для формирования долговременной памяти. В расположенной перед ним миндалине возникает и поддерживается чувство страха.

Как работает мозг_врезка

Еще ниже располагается ствол головного мозга. Это самая древняя часть мозга, возникшая более полумиллиарда лет назад и довольно похожая на весь головной мозг современных рептилий. В связи с этим ее часто называют «рептильным мозгом». Ствол образован нервами, идущими от тела через позвоночник и передающими информацию о разных частях организма в головной мозг. Скопления клеток в стволе определяют общий уровень настороженности организма и регулируют вегетативные процессы: дыхание, сердцебиение, давление крови и так далее.

Если посмотреть на любой участок мозга при большом увеличении, можно увидеть плотную сеть клеток. Большинство из них — глиальные клетки, сравнительно просто выглядящие структуры, основная функция которых состоит в склеивании всей конструкции и поддержании ее физической целостности. Глиальные клетки также играют определенную роль в усилении или синхронизации электрической активности в мозге: например, они могут усиливать боль, как при воспалении седалищного нерва, возбуждая нейроны, передающие болевые сигналы.

Клетки, непосредственно создающие активность мозга, — это нейроны (примерно десятая часть от общего числа клеток головного мозга), приспособленные для передачи друг другу электрических сигналов. Среди нейронов есть длинные и тонкие, посылающие единственный нитевидный отросток в дальние уголки организма, есть звездчатые, тянущиеся во все стороны, а есть несущие густо ветвящиеся венцы, напоминающие нелепо разросшиеся оленьи рога. Каждый нейрон связан с множеством — до десяти тысяч — других нейронов. Эта связь осуществляется через отростки двух типов: аксоны, по которым сигналы поступают от тела клетки, и дендриты, по которым клетка получает входящую информацию.

При еще большем увеличении можно увидеть крошечную щель, отделяющую каждый дендрит от соприкасающегося с ним аксона. Участки таких соприкосновений называют синапсами. Чтобы через синапс прошел электрический сигнал, аксон, по которому поступает этот сигнал, выделяет в синаптическую щель особые вещества — нейромедиаторы. Среди нейромедиаторов есть и делающие клетку, на которую они передают сигнал, менее активной, но есть и вызывающие ее возбуждение, так что возникающие в результате работы множества возбуждающих синапсов цепные реакции обеспечивают одновременную активацию миллионов связанных друг с другом клеток мозга.

Процессы, происходящие в мозге с клетками и молекулами, лежат в основе нашей психической жизни, и именно за счет манипуляций с такими процессами работают самые впечатляющие физические методы психотерапии. Так, антидепрессанты воздействуют на нейромедиаторы, обычно усиливая действие тех, которые относятся к группе аминов: серотонина, дофамина и норадреналина. Идущие сейчас исследования микроскопических реакций в мозге помогают разрабатывать препараты для борьбы с приобретенным слабоумием, болезнью Паркинсона и последствиями инсульта. Некоторые ученые полагают, что ключ к тайнам сознания кроется именно в таких реакциях или что его нужно искать на еще более глубоком уровне — в квантовых процессах, происходящих где-то в недрах крошечных клеток нашего мозга.

Один мозг, одно «я», одна жизнь

Пол Брокс
Старший лектор
Плимутский университет

Хотя мы можем признавать, что жизнь заканчивается со смертью, представление о том, что наша душа способна существовать отдельно от мозга и пережить гибель тела, остается необычайно стойким. Нейрофизиолог, писатель и драматург Пол Брокс пытается разобраться в основах этой необычной иллюзии.

Мы не в состоянии вообразить ничто. Наш психический аппарат не приспособлен для этого. Небытие лежит за гранью нашего понимания. Но это не смущает тех, кто верит в загробную жизнь. Большинство людей придерживается этого странного представления, и не только потому, что так учит религия. Интуиция подсказывает нам, что тело отделено от души. Эти ощущения сформировались в результате нашей эволюции как общественных существ и записаны в «микросхемах» центральной нервной системы. Все мы прирожденные знатоки душ, умело делающие выводы о недоступных наблюдению душевных качествах из наблюдаемого поведения тел, в том числе нашего собственного. Достаточно совершить следующий, ложный шаг, представив тело и душу как отдельные сущности, и легко вообразить возможность психической жизни после физической смерти.

Отсюда я вывожу «парадокс Брокса»: мы склонны верить в дуализм души и тела, даже если понимаем его ошибочность. Это относится и к нейробиологам. Рассмотрим следующий мысленный эксперимент, предложенный философом Дереком Парфитом. Представьте себе, что в каком-то не столь отдаленном будущем вам доведется совершать командировки на Марс. Средством передвижения будет служить телепортация. Сканирующее устройство регистрирует состояние вашего организма с точностью до атомов и переводит эту информацию в цифровой формат для радиотрансляции. Ваше тело разрушается, но на Марсе оно незамедлительно воссоздается в соответствии с расшифрованными радиосигналами. Полученная копия точно соответствует оригиналу: и тело, и мозг, и воспоминания, и весь характер активности мозга — все как было. Это будете снова вы. Сомневаться в этом не приходится. Большинство нейробиологов говорит, что охотно согласились бы на такую процедуру. Стоит ли им беспокоиться о разрушении и восстановлении собственного тела? Как настоящие материалисты, они знают, что их «я» (секулярный аналог того, что религия называет душой) есть не что иное, как совокупность физических ощущений и состояний, связанных друг с другом работой центральной нервной системы. А теперь представьте следующее. В устройстве для телепортации происходит сбой. Ваше тело сканируется, и информация о нем передается на Марс, но оригинал при этом не уничтожается. Хуже того, сбой в работе сканера вызывает у вас смертельную болезнь сердца. Жить вам остается всего несколько дней. На чьем месте вы предпочли бы оказаться: копии на Марсе или умирающего оригинала на Земле?

Для последовательного материалиста это должно быть безразлично. Во втором примере уничтожение оригинала просто оказалось отсрочено, только и всего. Личный путь человека, прибывшего на Марс, в обоих случаях будет одинаков. При этом сохраняется полная психологическая преемственность, как при пробуждении ото сна, которое мы ежеутренне переживаем. И все же второй пример мало кого оставляет равнодушным. Он лишает участников эксперимента спокойной уверенности в оправданности подобной телепортации (а значит, и в своем материализме), приводя их к мысли: «Если в настоящий момент моя копия — это не я, то...»

От всего этого можно отмахнуться, как и от споров о том, сколько ангелов уместятся на острие иглы. Но это важно, потому что вопрос о загробной жизни вызывает у людей принципиальные разногласия. И вместо того, чтобы держаться за идею, будто наше сознание может существовать и после смерти, нам следует дорожить им, понимая его недолговечность.

Возможность наблюдать психику в работе

Семир Зеки
Профессор нейроэстетики
Университетский колледж Лондона

Восприятие красоты кажется нам самым субъективным, самым недоступным для строгих измерений явлением. Но и его можно наблюдать на результатах сканирования мозга, и от этого оно не становится менее удивительным.

Большинство людей удивляется тому, что методы нейровизуализации вполне определенно демонстрируют связь между теми или иными ощущениями (например, восприятием красного цвета или звука определенной высоты) и активностью в тех или иных участках мозга. Но нейровизуализация зашла уже гораздо дальше. Теперь предметом экспериментальных исследований, оказывающихся необычайно успешными, становятся и явления, прежде считавшиеся недоступными для объективного наблюдения. Страх, ожидание награды, любовь и восприятие красоты — обо всех этих ощущениях еще недавно думали, будто они в принципе не поддаются проверке (или поддаются с трудом), но каждое из них, как теперь показано, связано со специфическим характером активности мозга. Например, чтобы убедиться во влюбленности испытуемого, достаточно предъявить ему изображение предполагаемой возлюбленной и отметить, наблюдается ли активность в участках мозга, которые, как показано, связаны с любовными чувствами. В 2004 году мы с Хидэаки Кавабатой опубликовали статью о том, что восприятие красоты связано с активностью в орбитофронтальной зоне коры — участке мозга, задействованном в системе удовольствия.

Теперь уже ясно, что возможно не только определять местоположение процессов, создающих наш субъективный опыт, но и строго измерять их параметры. Наше исследование — отнюдь не единственная работа, показавшая, что измеримая активность в специфических участках мозга нередко бывает связана с субъективным опытом, который описывает испытуемый. Тот же результат был показан для разных субъективных ощущений в ходе по меньшей мере двух дюжин подобных исследований. Мне кажется, это одно из важнейших достижений нейровизуализации. Оно ставит научное изучение субъективного опыта на прочную основу строгих измерений.

Воздействие чего-либо происходящего в окружающем мире на наши органы чувств меняет наше последующее восприятие этого явления, что, в свою очередь, влияет на реакцию наших органов чувств, меняя наше восприятие.

Воздействие чего-либо происходящего в окружающем мире на наши органы чувств меняет наше последующее восприятие этого явления, что, в свою очередь, влияет на реакцию наших органов чувств, меняя наше восприятие.

Каждое мгновение мозг реагирует на внешние стимулы небольшими вспышками новой активности, каждая из которых отличается характерной конфигурацией. Эта активность, в свою очередь, создает постоянно меняющуюся внутреннюю среду, на которую мозг также реагирует по-своему. В результате получается система с обратной связью, в которой происходят постоянные изменения.

Внутренняя среда мозга отчасти занята тем, что побуждает нас без конца искать новые стимулы и собирать информацию, особенно о событиях будущего. Сбор информации служит нам не только полезным руководством к действию, но и наградой: он вызывает в нейронах реакции, создающие у нас приятное чувство предвкушения9. Эта жажда информации составляет одно из фундаментальных свойств мозга и проявляется в наших самых базовых реакциях. Даже у людей с полностью разрушенными участками мозга, ответственными за поддержание сознания, взгляд может скользить по окружающему помещению, задерживаясь на движущихся объектах и отслеживая их перемещения. Движения глаз запускаются стволом головного мозга и свидетельствуют о работе сознания не больше, чем движения цветка, поворачивающегося к солнцу. Но, даже зная об этом, трудно избавиться от тяжелого ощущения, когда за тобой следит человек, который, в сущности, уже мертв.

Обратные связи между мозгом и окружающей средой дают нам отличнейший механизм самозагрузки. Компьютерные модели нейронных сетей показывают, что даже простейшая из них может за непродолжительное время достигать поразительных уровней сложности, если запрограммировать ее на воспроизведение выгодных для выживания конфигураций и избавление от невыгодных. Сходным образом развивается активность мозга каждого индивида.

Мозг развивается от задних отделов (в основном задействованных в работе органов чувств и движениях) к передним (задействованных в принятии решений, рассудочной деятельности и планировании). В ходе развития серое вещество истончается в результате подрезания лишних нейронов, но связи между оставшимися нейронами становятся все плотнее и надежнее за счет образования чехлов из жироподобного вещества миелина. Справа внизу: По мере созревания мозга он становится все плотнее и образует сложную систему выпуклостей (извилин) и углублений (борозд).

Мозг развивается от задних отделов (в основном задействованных в работе органов чувств и движениях) к передним (задействованных в принятии решений, рассудочной деятельности и планировании). В ходе развития серое вещество истончается в результате подрезания лишних нейронов, но связи между оставшимися нейронами становятся все плотнее и надежнее за счет образования чехлов из жироподобного вещества миелина.
Справа внизу: По мере созревания мозга он становится все плотнее и образует сложную систему выпуклостей (извилин) и углублений (борозд).

Этот процесс, иногда называемый нейродарвинизмом, гарантирует закрепление конфигураций активности мозга, вызывающих мысли (а через них и формы поведения), полезные для успешного существования нашего организма, и угасание тех, что ему не полезны. Данная система работает не жестко (подавляющее большинство возникающих у нас в мозге форм активности не имеет никакого отношения к выживанию), но в целом, судя по всему, именно так мозг обзаводится способностью осуществлять свои ключевые реакции.

Некоторые из необходимых для этого инструментов заложены на генетическом уровне. Отдельные паттерны активности мозга (даже довольно сложные, вроде механизмов использования языка) наследуются в такой высокой степени, что лишь исключительные аномалии среды могут приводить к нарушениям их развития. Формы активации мозга, сопровождающие, скажем, припоминание того или иного слова, обычно оказываются настолько сходными, например, у десятка испытуемых, что при наложении результатов сканирования работы их мозга можно по-прежнему отчетливо наблюдать общую конфигурацию активности. Именно поэтому исследователи, занимающиеся картированием мозга, могут уверенно говорить о карте работы человеческого мозга в целом, а не только об индивидуальных картах.

Это не значит, что мы мыслим одинаково. Благодаря бесконечно сложным взаимодействиям наследственности и среды на свете нет двух людей с совершенно одинаковым мозгом. Даже генетически идентичные однояйцевые близнецы (клоны одного организма) появляются на свет с разным мозгом, потому что малейших расхождений в среде развития между зародышами оказывается достаточно для возникновения различий в устройстве мозга. В результате кора больших полушарий у близнецов заметно отличается уже в момент рождения, и ее структурная изменчивость неизбежно приводит к различиям в работе мозга. Более того, в момент рождения однояйцевые близнецы отличаются строением мозга даже сильнее, чем впоследствии, что заставляет предположить более сильное влияние генов на поздних этапах развития по сравнению с ранними. В итоге поведение близнецов по мере взросления может становиться не менее, а даже более похожим.

Как работает мозг

В ходе эмбрионального развития головной мозг возникает из расширения на переднем конце нервной трубки, из которой образуется спинной мозг. Основные отделы головного мозга, в том числе кора больших полушарий, становятся видны не позднее семи недель после зачатия, а к моменту рождения головной мозг младенца содержит уже примерно столько же нейронов (около ста миллиардов), сколько их у взрослого человека.

Однако нейроны в мозге младенца незрелы. Многие аксоны еще не покрыты миелином — своеобразной изоляцией, помогающей передавать по ним сигналы, а связи между нейронами пока немногочисленны. Поэтому обширные области мозга новорожденного, особенно в коре больших полушарий, еще не функционируют. Томографические исследования головного мозга младенцев показывают, что самые активные его области связаны с рефлексами (ствол мозга), чувствительностью (таламус) и движениями (ядра мозжечка).

Среда материнской утробы оказывает существенное влияние на формирование связей в мозге младенца. Дети наркоманок нередко появляются на свет зависимыми от наркотиков, а дети, рождающиеся у матерей, во время беременности потреблявших много чеснока или карри, охотнее других увлекаются острой пищей. Судя по всему, их вкусы формируются под влиянием остаточных компонентов пищи, попадающих в материнскую кровь.

Жизнь в утробе матери дает наглядные примеры неразрывной взаимосвязи генов и среды. Например, у зародыша мужского пола имеются гены, на определенных этапах его развития вызывающие в материнском организме выработку целого каскада гормонов, в том числе тестостерона. Увеличение содержания этих гормонов влияет на мозг зародыша, задерживая развитие одних его частей и ускоряя развитие других. Результатом этих изменений становится мужской путь развития мозга, обеспечивающий формирование мужского полового поведения. Этот путь также приводит ко многим характерным различиям между полами, таким как превосходство девочек в изучении языка и мальчиков в решении пространственных задач. Если мужской зародыш не подвергнется еще в утробе соответствующему воздействию гормонов, мозг с высокой вероятностью разовьется по женской модели, а если воздействию мужской последовательности гормонов подвергнется зародыш женского пола — то по мужской.

Нейроны развивающегося мозга, будто играя в некую подвижную игру, соревнуются друг с другом в поисках команды других связанных друг с другом нейронов, стремясь к ней присоединиться. Каждая клетка должна найти свое место в общей схеме, а если это у нее не получается, она подвергается безжалостному удалению (прунингу), умирая в результате апоптоза (программируемой клеточной смерти). Апоптоз обеспечивает усиление и упорядочивание связей между сохраняющимися нейронами незрелого мозга и не дает ему в буквальном смысле переполниться собственными клетками. За этот процесс «отсечения всего лишнего», при всей его принципиальной важности, порой приходится платить. В числе связей, утрачиваемых в результате его работы, могут быть и такие, которые дают нам те или иные интуитивные навыки, называемые дарованиями. Например, эйдетизм (фотографическая память) вполне обычен среди маленьких детей, однако он обычно исчезает за годы прунинга нейронов. Возможно, неполным апоптозом объясняется и синестезия — «перекрестные» связи, соединяющие ощущения одного типа (например, восприятие голубого цвета) с ощущениями другого (например, восприятие звука определенной высоты), в результате чего одно ощущение автоматически вызывает другое. Апоптоз, который, напротив, выходит из-под контроля и разрушает слишком много связей, считают одной из причин умственной неполноценности, сопровождающей синдром Дауна и аутизм. Возможно, именно поэтому у людей с синдромом Дауна повышена вероятность развития болезни Альцгеймера.

Путь к сознанию

Связи между нейронами в мозгу новорожденного довольно редки (вверху слева), но новые связи формируются у младенцев с потрясающей скоростью, достигая максимальной плотности примерно к шести годам. После этого они снова прореживаются за счет отмирания тех, что не используются, в результате чего остаются только те, что полезны. Обучаясь чему-то новому, взрослый человек может увеличивать число связей у себя в мозгу на протяжении всей жизни. Но если не давать мозгу работу, это приводит к дальнейшему исчезновению связей. Новые клетки мозга возникают на протяжении всей жизни (этот процесс называют нейрогенезом), и некоторые из новообразованных клеток встраиваются в уже существующие нейронные сети, особенно задействованные в работе памяти и обучении.

Связи между нейронами в мозгу новорожденного довольно редки (вверху слева), но новые связи формируются у младенцев с потрясающей скоростью, достигая максимальной плотности примерно к шести годам. После этого они снова прореживаются за счет отмирания тех, что не используются, в результате чего остаются только те, что полезны. Обучаясь чему-то новому, взрослый человек может увеличивать число связей у себя в мозгу на протяжении всей жизни. Но если не давать мозгу работу, это приводит к дальнейшему исчезновению связей. Новые клетки мозга возникают на протяжении всей жизни (этот процесс называют нейрогенезом), и некоторые из новообразованных клеток встраиваются в уже существующие нейронные сети, особенно задействованные в работе памяти и обучении.

Головной мозг младенца содержит кое-что, чего нет в мозге взрослого человека. Например, в нем имеются связи между слуховой и зрительной зонами коры, а также между сетчаткой и той частью таламуса, в которую поступает информация о звуках. Эти связи, вероятно, и позволяют младенцам «видеть» звуки и «слышать» цвета. Иногда такие способности сохраняются у взрослых (синестезия). Младенцам свойственны бурные проявления эмоций, но те участки мозга, которые связаны у взрослых с сознательным переживанием эмоций, у новорожденных младенцев неактивны. Поэтому проявляемые ими эмоции могут быть бессознательными.

Выражение «бессознательные эмоции» может показаться парадоксальным: что такое эмоции, если не осознанные чувства? Но на самом деле сознательное переживание эмоций чем дальше, тем больше представляется лишь одним небольшим и иногда несущественным элементом системы механизмов выживания, работающих (даже у взрослых) преимущественно на бессознательном уровне.

Отсюда не следует, что травмы, полученные в раннем возрасте, вообще не имеют значения. Даже если бессознательные эмоции не вызывают осознанных ощущений, они вполне могут запечатлеваться в мозге не хуже, чем сознательные. Мы не помним ничего, что происходило с нами примерно до трех лет, потому что до этого времени гиппокамп (область мозга, связанная с формированием долговременной памяти) остается незрелым. Однако эмоциональные воспоминания могут храниться в миндалине — крошечной структуре в глубине мозга, по-видимому функционирующей уже у новорожденных21. От того, как с ребенком обращаются в первые годы жизни с характерной для них потерей памяти, может зависеть даже то, как будут функционировать его гены. Гены крысят, которых хорошо кормят, работают иначе, чем гены их однояйцевых близнецов, о которых заботятся хуже, так что в мозге благополучных крысят происходят изменения, ведущие к уменьшению тревожности. Результаты исследования клеток мозга взрослых самоубийц, в детстве ставших жертвами жестокого обращения, заставляют предположить, что подобные явления свойственны и людям.

Как работает мозг

По мере взросления продолжается миелинизация аксонов в мозге младенца, и все больше участков мозга оказываются «в сети». Теменные доли коры начинают работать довольно рано, обеспечивая ребенка интуитивным осознанием фундаментальных пространственных свойств окружающего мира. Игра, в которой взрослый закрывает и открывает лицо, увлекает младенцев, чья теменная зона уже работает, потому что, как им известно, закрытое руками лицо не может исчезнуть, но те модули мозга, что однажды позволят им понять, почему, еще незрелы.

Лобные доли по-настоящему «запускаются» примерно в шестимесячном возрасте, благодаря чему у младенцев наблюдаются первые проблески когнитивных способностей. К году лобные доли получают управление над устремлениями лимбической системы. Если предложить годовалому ребенку две игрушки, он выберет одну из них, а не будет пытаться схватить обе. Примерно до года младенцы представляют собой, по выражению одного специалиста по возрастной психологии, «устройства, подобные роботам»: их внимание можно привлечь едва ли не любым зрительным стимулом. После этого возраста у них формируются собственные жизненные планы (отнюдь не всегда согласующиеся с планами окружающих).

Речевые зоны становятся активными на втором году жизни. Зона, ответственная за восприятие речи (зона Вернике), «выходит в сеть» примерно после двенадцати месяцев жизни, а еще примерно через восемнадцать месяцев к ней присоединяется зона, ответственная за способность говорить (зона Брока). Так что в жизни маленьких детей есть непродолжительный период, в течение которого они понимают больше, чем могут сказать. Связанные с этим затруднения, возможно, играют немалую роль в приступах «вредности», характерных для двухлетних детей.

Примерно в то же время, когда активизируются речевые зоны, начинается интенсивная миелинизация префронтальной коры лобных долей. В этот период у детей развивается самосознание: ребенок больше не тычет пальцем в свое отражение в зеркале. А если мазнуть ребенка цветной пудрой, когда он смотрит на себя в зеркало, он просто сотрет этот мазок с лица, а не станет пытаться стереть его с зеркала, как бывает в более раннем возрасте. Самосознание предполагает возникновение внутреннего исполнителя — то самое «я», которое, по словам многих, ощущается как нечто существующее в голове.

Как работает мозг

Созревание некоторых участков мозга занимает многие годы. Например, ретикулярная формация, играющая важную роль в поддержании внимания, полностью миелинизируется обычно только к периоду полового созревания или позднее. Именно поэтому дети препубертатного возраста отличаются невысокой продолжительностью концентрации внимания. Лобные доли оказываются полностью миелинизированы только у вполне взрослых людей. Эти части мозга отвечают за мышление, рассудок и подавление эмоций, и до их созревания люди в целом больше руководствуются чувствами и меньше — разумом. В связи с этим молодые взрослые эмоциональнее и импульсивнее людей старшего возраста, они сильнее склонны к неоправданному риску и совершению преступлений в состоянии аффекта.

Человеческий мозг пластичнее всего в младенчестве. Из мозга младенца можно удалить целое полушарие, и система связей оставшегося полушария перестроится так, чтобы взять на себя функции их обоих. Обычно ей удается научиться делать даже то, на что в норме способно только другое полушарие. Однако по мере взросления работа мозга распределяется все жестче и дифференцируется все сильнее. К тому времени, когда мы становимся взрослыми, ландшафты головного мозга каждого из нас оказываются настолько своеобразными, что невозможно найти двоих, кто совершенно одинаково смотрел бы на одно и то же. Например, совместный просмотр фильма может вызывать у человеческой пары совершенно разные конфигурации нейронной активности, потому что эти двое будут обращать внимание на разные стороны того, что они видят, и ассоциировать наблюдаемое с какими-то своими мыслями и воспоминаниями. Например, она будет гадать, когда же мытарства влюбленных подойдут к счастливому концу и можно будет поужинать, а он будет тем временем вспоминать бывшую подругу, похожую формой верхней губы на симпатичную героиню фильма.

Именно поэтому эксперименты, которые проводят для выяснения того, какие участки мозга за что отвечают, приходится основывать на выполнении узкоспециальных задач, отличающихся искусственной жесткостью условий. В связи с этим испытуемые, которым приходилось, например, два с лишним часа лежать в позитронно-эмиссионном томографе, не делая ничего, кроме поднимания пальца в ответ на определенный сигнал, вероятно, не раз задумывались, какие открытия можно сделать благодаря этому скучнейшему занятию.

Подобные незатейливые упражнения позволили ученым сделать поистине удивительные открытия. Например, опыты с подниманием пальца, проведенные Крисом Фритом и его коллегами из Университетского колледжа Лондона, позволили выяснить кое-что, до недавнего времени казавшееся одной из вечных тайн жизни: установить источник самостоятельного принятия решений. Исследователям удалось это сделать, разработав методику, позволившую регистрировать в мозге испытуемого несколько процессов, которые, как было известно из предшествующих исследований, проявляются в виде определенных конфигураций активности в известных областях мозга. В данном случае испытуемых просили двигать конкретным пальцем в ответ на поступающий определенный стимул. Выполнение этого задания, как и ожидалось, сопровождалось активностью в соматосенсорной коре (когда стимул был тактильный) и в моторной коре (области, управляющей движениями). Затем задание дополнили элементом, работу которого ученые и пытались локализовать в мозге: произвольной деятельностью. Теперь вместо того, чтобы говорить испытуемому, какой палец поднять, исследователи оставляли этот вопрос на его усмотрение, регистрировали активность мозга, сопровождающую выполнение задания, и выявляли ее отличия от активности, сопровождавшей поднимание заранее определенного пальца.

Разница была налицо: как только участники эксперимента начинали сами принимать решения, «мертвая» область мозга оживала. Элегантная и осторожная постановка эксперимента почти не оставляла сомнений в том, что обнаруженная область мозга и есть та его часть, которая позволяет людям совершать действия по собственной воле.

Но может ли установленная конфигурация активности мозга, задействованной в принятии решения, какой из пальцев поднимать, пролить свет на принятие решений в запутанном и бесконечно более сложном мире, лежащем за стенами нейробиологической лаборатории?

Косвенно — может. Область мозга, в которой была обнаружена зона собственной воли, — это префронтальная кора, часть лобных долей коры больших полушарий, расположенная преимущественно под лобными костями черепа. Повреждения этой области нередко приводят к характерным нарушениям поведения, в том числе к масштабной потере способности к самостоятельному принятию решений. Классический пример — случай Финеаса Гейджа, железнодорожного рабочего, жившего в XIX веке и потерявшего немалую часть переднего мозга, когда в результате взрыва его голову насквозь пробил стальной стержень. Гейдж выжил, но превратился из целеустремленного, трудолюбивого человека в пьяницу и бродягу. Джон Харлоу, его лечащий врач, писал, что после перенесенной травмы Гейдж без конца изобретал планы различных предприятий, но каждый бросал, едва приступив к нему, и казался «по своим интеллектуальным способностям и поведению ребенком, вместе с тем отличающимся брутальной пылкостью сильного мужчины». Дамам советовали избегать его общества. Характерной особенностью нового состояния Гейджа была его полная неспособность контролировать свои поступки.

По-видимому, на этой дагерротипии (очень ранней разновидности фотографии) Финеас Гейдж. В течение многих лет ее владельцы, собиратели старинных изображений Джек и Беверли Уилгус, полагали, что на ней запечатлен переживший столкновение с разъяренным китом китобой с гарпуном в руках. Однако в 2008 году один историк встретил эту картинку в интернете и предположил, что на ней может быть изображен Финеас Гейдж, портреты которого ранее не были известны. Разыскания, проведенные после этого Уилгусами, показали, что это почти наверняка так и есть.

По-видимому, на этой дагерротипии (очень ранней разновидности фотографии) Финеас Гейдж. В течение многих лет ее владельцы, собиратели старинных изображений Джек и Беверли Уилгус, полагали, что на ней запечатлен переживший столкновение с разъяренным китом китобой с гарпуном в руках. Однако в 2008 году один историк встретил эту картинку в интернете и предположил, что на ней может быть изображен Финеас Гейдж, портреты которого ранее не были известны. Разыскания, проведенные после этого Уилгусами, показали, что это почти наверняка так и есть.

Но если способность к самостоятельному принятию решений заключена в особом фрагменте ткани мозга, значит, тем, кому ее не хватает, вероятно, просто не повезло, и их можно считать не более чем жертвами нарушения работы одного из модулей мозга. И разумно ли тогда осуждать тех из наших современников, кто ведет себя подобно Финеасу Гейджу? Стоит ли нам быть строгими к тем, кто не может преодолеть свою наркозависимость? Следует ли наказывать преступников-рецидивистов?

Новейшие открытия, касающиеся работы мозга, возобновляют давний спор об этих проблемах. Некоторые формы антиобщественного поведения определенно связаны с повреждениями мозга или нарушениями его работы. Вероятно, следует признать, что будущее скорее за манипуляциями с мозгом таких личностей, чем за практикуемыми сейчас наказаниями или попытками изменить их поведение путем убеждения или принуждения. Если вас передергивает от самой мысли об этом, задумайтесь, что мы делаем с такими людьми сейчас. Что хуже: искусственное изменение психики или длительный тюремный срок?

Как увидеть психику

В прилагаемом к одной из марок магнитно-резонансных томографов видеоролике, демонстрирующем правила техники безопасности, показан человек, который подходит к аппарату с металлическим гаечным ключом в руке. Когда он оказывается в паре шагов от томографа, рука, держащая ключ, внезапно вытягивается вперед: зажатый в ней ключ указывает прямо на притягивающий его прибор. Следующие несколько секунд напоминают эпизод из мультфильма: человек борется за ключ, как будто в другую сторону его тянет незримый противник. Человек приближается к аппарату, и ключ в его руке трепещет, как флаг в аэродинамической трубе, пока не начинает выскальзывать из стиснутых пальцев, устремляясь к входному отверстию томографа. Человек хватает ключ обеими руками и отклоняется назад, но явно не может его удерживать. Инструмент вылетает из рук, попадая в трубу аппарата, где врезается в специально поставленный кирпич. Сила удара столь велика, что кирпич рассыпается на кусочки.

Эти кадры должны показать, как опасно подносить металлические предметы к магнитно-резонансному томографу. По сути, этот аппарат представляет собой огромный кольцевой магнит. Создаваемая им сила притяжения примерно в 140 тысяч раз больше силы земного тяготения. Нетрудно представить, к каким последствиям приведет, например, попытка сканирования с помощью такого прибора организма пациента с кардиостимулятором. Однако если на теле человека и внутри него нет ничего металлического, магнитно-резонансная томография (МРТ), судя по всему, совершенно безопасна: вредных для организма последствий применения этого метода не отмечено.

Поиски природы психики

Первая известная карта головного мозга начерчена на древнеегипетском папирусе, датируемом 3000–2500 годами до н. э. Средневековая «клеточная» теория предполагала, что атрибуты человека (дух, мышление и другие) располагаются в соответствующих желудочках мозга. В начале XVII века Рене Декарт заложил основы представления, согласно которому психика существует в сфере, отдельной от материального мира. В соответствии с этим представлением головной мозг — это своего рода радиоприемник, связанный со сферой психики через эпифиз — единственный обнаруженный Декартом компонент мозга, имеющийся только в одном экземпляре, а не в двух, по одному в каждом полушарии. Картезианский дуализм оставался преобладающей концепцией не одно столетие. Но всегда находились ученые, утверждавшие, что психика и работа мозга — это одно и то же, и в течение XIX и первой половины XX века многие из них прилагали массу усилий, пытаясь начертить карты мозга. На помощь им приходила история: во время Французской революции появилось много голов для препарирования, а в Первую мировую войну — много раненых для обследования. Однако картирование вышло из моды, когда американскому нейробиологу Карлу Лешли удалось убедить большинство коллег в том, что высшие когнитивные функции представляют собой результат «массового действия» нейронов, а значит, не поддаются локализации. Психохирургия предполагала, что это не обязательно так, и современные технологии показывают, что местоположение активности, лежащей в основе механизмов мозга, можно установить точно.

Сканирование мозга

Как работает мозг_врезка

Магнитно-резонансная томография (МРТ, иногда называется ядерным магнитным резонансным сканированием — ЯМР) — основана на регулировании атомов в тканях тела электромагнитными волнами и дополнительным воздействием на них радиочастотных волн. Это вызывает выделение атомами энергии, специфически различающейся в зависимости от типа ткани. Сложная система программного обеспечения компьютерной томографии преобразует эту информацию в трехмерную картину любой части тела. Результат такого сканирования выглядит как рентгенограмма.

Как работает мозг_врезка

Диффузионная тензорная визуализация — разновидность МРТ, основанная на измерениях интенсивности диффузии воды в волокнистых тканях. Она особенно подходит для выявления связей между различными участками мозга и, скорее всего, принесет много пользы при выявлении взаимодействия модулей мозга.

Как работает мозг_врезка

Функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ) позволяет дополнять схему принципиального строения мозга картиной участков наибольшей активности мозга. Для возбуждения нейронов нужны глюкоза и кислород, поступающие с кровью. Активация того или иного участка мозга сопровождается усилением притока этих веществ, и ФМРТ позволяет наблюдать те участки, куда кислорода поступает особенно много. Новейшие аппараты для ФМРТ позволяют сканировать мозг с частотой четыре раза в секунду. Чтобы отреагировать на внешний стимул, мозгу требуется примерно полсекунды, поэтому данный метод позволяет наблюдать вспышки и затухания активности, возникающие в определенных частях мозга в ответ на стимулы или в процессе выполнения заданий. Метод ФМРТ оказался самым информативным из всех современных, но он необычайно дорогой, и исследователям, занимающимся картированием мозга, нередко приходится ждать очереди, деля аппарат с врачами.

Как работает мозг_врезка

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) позволяет делать примерно то же, что и ФМРТ, то есть отслеживать по потреблению «топлива» особенно интенсивно работающие участ ки мозга. Картины, получаемые с помощью ПЭТ, весьма отчетливы, но не достигают столь же высокого разрешения, как с помощью ФМРТ. Еще один существенный недостаток метода состоит в том, что он требует введения испытуемому в кровь радиоактивного маркера. Доза радиоактивности, требуемая для одноразового сканирования, ничтожна, но чтобы не подвергать здоровье добровольцев риску, им обычно запрещается проходить больше одного сеанса сканирования в год.

Как работает мозг_врезка

Ближняя инфракрасная спектроскопия (БИКС) также дает возможность получать изображения, основанные на измерениях количества топлива, сжигаемого в определенные моменты времени разными частями мозга. Этот метод работает за счет облучения мозга слабыми инфракрасными лучами и отслеживания изменений количества света, отражаемого теми или иными участками. БИКС дешевле ФМРТ и, в отличие от ПЭТ, не предполагает использования радиоактивных веществ. Пока он не позволяет получать отчетливые картины происходящего в самой глубине мозга.

Как работает мозг_врезка

Электроэнцефалография (ЭЭГ) основана на отслеживании волн электрической активности мозга, создаваемых ритмичным возбуждением нейронов. Эти волны претерпевают закономерные изменения, отражающие текущий характер активности мозга. Регистрация таких волн осуществляется с помощью электродов, закрепляемых на поверхности головы. Новейшие разновидности ЭЭГ позволяют считывать показания десятков расположенных в разных точках датчиков и сравнивать их, складывая единую картину изменений возникающей в мозге активности. При картировании работы мозга с помощью ЭЭГ часто используются так называемые вызванные потенциалы — регистрируемые пики электрической активности (потенциалы), возникающие в ответ на определенные стимулы, такие как слово или прикосновение.

Как работает мозг_врезка

Магнитоэнцефалография (МЭГ) похожа на ЭЭГ тем, что также основана на регистрации сигналов, поступающих от ритмично возбуждающихся нейронов, но отличается тем, что здесь регистрируются не электрические колебания, а связанные с ними слабые магнитные импульсы. Развитие МЭГ по-прежнему затруднено рядом еще не решенных проблем, таких как слабые и легко перекрываемые сигналы, но потенциал этого метода огромен, потому что он работает быстрее других методов сканирования мозга и позволяет картировать изменения активности мозга гораздо точнее, чем ФМРТ или ПЭТ.

Высокоэффективные методы сканирования головного мозга, такие как ФМРТ, делают возможным его исследование способами, о которых несколько десятилетий назад никто и не мечтал. Однако картирование мозга началось задолго до изобретения высокотехнологичных приборов для сканирования.

Функциональная магнитно-резонансная томография помогла выяснить, какие участки мозга задействованы в каких его функциях.

Функциональная магнитно-резонансная томография помогла выяснить, какие участки мозга задействованы в каких его функциях.

Две основные речевые зоны, по-прежнему входящие в число важнейших ориентиров на карте коры больших полушарий, были обнаружены Брока и Вернике более ста лет назад. Ученым удалось сделать это, исследуя мозг пациентов, страдающих расстройствами речи. Они заметили, что речевые нарушения определенного рода сопряжены с повреждениями одних и тех же участков мозга. Зону, дающую нам способность к членораздельной речи, Брока открыл, препарируя трупы людей, при жизни (обычно после перенесенного инсульта) не способных внятно произносить слова. Классический случай, исследованный Брока, касался человека по имени Тан.

Называли его так потому, что он произносил это слово, когда его спрашивали, как его зовут. То же самое он говорил, когда у него спрашивали, когда он родился, где живет или что ему приготовить на ужин. Он вообще ничего не говорил, кроме «Тан», и при этом прекрасно понимал речь других.

Брока пришлось дождаться смерти Тана, чтобы заглянуть в его мозг и узнать, какой участок был травмирован. Современная аппаратура позволяет нейробиологам находить поврежденные участки нервной ткани еще при жизни пациентов, что значительно ускоряет исследование функций, выполняемых соответствующими структурами в здоровом мозге.

Еще один проверенный временем метод основан на непосредственной стимуляции различных участков мозга и отслеживании эффектов такой стимуляции. Именно этот метод использовали нейрохирурги из Калифорнии, отметившие, что оперируемые ими пациенты-эпилептики начинают веселиться при стимуляции определенных участков мозга, и обнаружившие часть модуля, отвечающего за чувство юмора.

Одним из первых непосредственную стимуляцию мозга стал применять в 50-х годах XX века канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд, картировавший обширные участки коры больших полушарий, прикладывая электроды к разным точкам мозга сотен больных эпилепсией. В ходе этих опытов Пенфилд показал, что вся поверхность нашего тела представлена (как будто нарисована) на поверхности мозга: участок, связанный с локтем, располагается рядом с участком, связанным с предплечьем, тот, в свою очередь, располагается рядом с участком, связанным с плечом, и так далее. Но еще больше Пенфилд прославился открытием того, что стимуляция определенных участков височных долей может вызывать в сознании нечто похожее на яркие воспоминания из детства или обрывки давно забытых мелодий.

Большинство пациентов говорило, что эти воспоминания были похожи на сон, но при этом совершенно отчетливы. «Мне казалось... что я стою в дверях своей школы», — рассказывал молодой человек (21 год). «Я слышал, как мать говорит по телефону и приглашает мою тетю навестить нас вечером, — рассказывал другой. — У нас в гостях были мои племянник и племянница... Они собирались домой, надевали пальто и шапки... это было в столовой... моя мать говорила с ними. Она торопилась — очень спешила».

В то время наблюдения Пенфилда были истолкованы в пользу того предположения, что воспоминания хранятся в мозге в виде отдельных связок (энграмм) и их можно в любой момент вызвать. С тех пор выяснилось, что все не так просто. Долговременная память распределена по всему мозгу и закодирована в тех же участках, где исходно возникали соответствующие ощущения. Например, детские воспоминания о том, как в один солнечный день мы ели мороженое за городом, где пели птицы, хранятся в нескольких сенсорных областях: вкус мороженого — во «вкусовых» областях мозга, ощущение кожей солнечного тепла — в соматосенсорной коре, звуки птичьего пения — в слуховой коре, вид деревьев — в зрительной коре, и так далее. Если исходно мы ощущали все это вместе, то, вызывая в сознании одну из многих составляющих воспоминания, мы, как правило, можем вызвать и остальные, воссоздавая «полное» воспоминание из набора таких составляющих. Пенфилд, по-видимому, стимулировал только один сенсорный аспект памяти, а наблюдал ответ многих.

В свою очередь, область, которую стимулировали у смеявшейся пациентки, как выяснилось, представляет собой лишь один из узлов гораздо более обширного модуля, укорененного в самых простых отделах мозга. Эти маленькие участки, отвечающие, казалось бы, за строго определенные функции, оказываются лишь верхушками глубоко сидящих нейронных конгломератов — вершинами айсберга психики.

Возможно также, что участки, мозга, активирующиеся при выполнении мысленного задания, не сами ответственны за его решение, а просто передают стимулы к действительно связанным с данной задачей участкам. Подобную возможность иллюстрирует анекдот об ученом, который утверждал, что лягушки «слышат ногами». Когда от него потребовали доказательств, он продемонстрировал лягушку, которую приучил прыгать по команде. Показав, как она прыгает, он отрезал ей ноги, после чего вновь стал произносить команду. Лягушка не двинулась с места. «Вот видите! — заключил ученый. — Она меня больше не слышит!»

Еще одна проблема состоит в том, что часть наблюдаемой активности мозга может быть просто отражением интерференции систем, случайными выбросами. Один исследователь обнаружил это, проводя эксперименты с использованием ФМРТ для изучения нейронной активности, задействованной в социальных взаимодействиях. В одном из таких экспериментов исследователь поместил в сканер не живого человека, а пассивный «объект тестирования» — мертвую рыбу. Эта рыба — большая красивая семга — была куплена в местном магазине бесспорно мертвой и никак не реагировала (что неудивительно) на демонстрацию ей «серии фотографий, изображающих людей в различных ситуациях». Однако при изучении томограмм выяснилось, что участок, соответствующий крошечному мозгу рыбы, при этом как будто возбуждался, и это якобы свидетельствовало о том, что рыба все-таки задумывалась над предъявленными ей фотографиями.

Исследователи, занимающиеся визуализацией мозга, прилагают массу усилий, чтобы избегать подобных ловушек, но иногда им это не удается. Есть мнение, что в этой науке пока очень много от золотой лихорадки: исследователи слишком часто стремятся «застолбить» новые выводы и слишком редко пытаются воспроизводить чужие результаты. И все же почва под ногами ученых постепенно твердеет. Разработка стандартных протоколов сканирования, резко сокращающих возможность получения ложных результатов, и общая методология постановки экспериментов, — все это находится под строгим контролем. «Новые френологи» убеждены, что их открытия, в отличие от открытий Франца Галля, выдержат проверку временем.

«Реки» мозга

Серотониновые проводящие пути

Серотониновые проводящие пути

Нервные клетки разных типов выделяют разные нейромедиаторы. Информация распространяется в мозге по проводящим путям — цепочкам нейронов, выделяющими вещества и с их помощью возбуждающими или подавляющими активность друг друга. Любой из нейромедиаторов довольно широко распространен в мозге, но работает лишь в определенных его участках и может оказывать разное действие в зависимости от того, где он выделяется. Нейромедиаторы бывают возбуждающими (способствуют возбуждению нейронов, на которые они действуют) и тормозными (подавляют активность нейронов). Науке известны сотни нейромедиаторов, но самые важные из них следующие.

Серотонин — нейромедиатор, действие которого усиливает препарат «Прозак». Серотонин иногда называют «веществом хорошего настроения». Он и в самом деле оказывает существенное влияние на настроение: повышенная концентрация серотонина (или чувствительность к нему) сопряжена с оптимизмом и спокойствием. Кроме того, серотонин влияет на сон, чувствительность к боли, аппетит и давление крови.

Ацетилхолин управляет активностью в участках мозга, связанных с концентрацией внимания, обучением и памятью. У людей, страдающих болезнью Альцгеймера, его уровень в коре больших полушарий обычно понижен.

Норадреналин — преимущественно возбуждающий нейромедиатор, способствующий повышению уровня физической и умственной активности и оказывающий бодрящее действие. Основной центр выработки норадреналина находится в голубом пятне — одном из нескольких участков мозга, претендующих на то, чтобы в просторечии именоваться «центром удовольствия».

Глутамат — основной возбуждающий нейромедиатор головного мозга, обеспечивающий формирование связей между нейронами, работа которых лежит в основе обучения и долговременной памяти.

Энкефалины и эндорфины — эндогенные опиоиды, которые, подобно наркотикам, облегчают восприятие боли, снижают стресс и способствуют возникновению ощущения легкости и безмятежности. Кроме того, они подавляют некоторые физиологические процессы, такие как дыхание, и могут вызывать физиологическую зависимость.

Окситоцин помогает «размывать» границы «я», создавая ощущение единства с другими и тем самым формируя теплые и доверительные отношения между людьми, особенно между влюбленными и между матерью и младенцем. Он в огромных количествах выделяется у женщин при родах и у людей обоих полов во время оргазма.

Дофаминовые связи

Дофамин помогает нам находить возможность получить вознаграждение и посылает нас в погоню за ним. По ходу дела он вызывает у нас желание, предвкушение и возбуждение.

Дофаминовые проводящие пути проходят, извиваясь, по всему головному мозгу, в разных местах выполняя разные функции. В глубине ствола мозга, в структуре, называемой черной субстанцией, располагаются производящие дофамин нейроны, стимулирующие и поддерживающие нашу активность, физическую и умственную. Когда эти клетки дегенерируют, как при болезни Паркинсона, человек теряет способность уверенно шагать вперед — как в прямом, так и в переносном смысле.

Другой комплекс дофаминовых путей называют «системой вознаграждения» нашего мозга. Они ведут от вентральной области покрышки к миндалине, прилежащему ядру, септуму и префронтальной коре (все эти структуры вместе называют медиальным пучком переднего мозга). Стимуляция прилежащего ядра дофамином запускает приготовление нашего тела к тому, чтобы схватить желанный объект или пуститься за ним в погоню, в то время как миндалина определяет ценность этого объекта и способствует возникновению осознанного ощущения возбуждения, а префронтальная кора и септум концентрируют наше внимание на намеченной цели. Все вместе эти реакции создают у нас приподнятое настроение. Однако они не рождают чувство длительного удовлетворения, и если дофаминовая система работает без посредничества других нейромедиаторов, вслед за выбросом дофамина обычно возникает потребность в еще одном таком выбросе, а вслед за ним — в еще одном. Этот механизм лежит в основе психологического привыкания.

Дофамин также задействован в формировании ощущения осмысленности, «логичности» окружающего нас мира. Поэтому нарушения дофаминовых путей могут приводить к ощущению бессмысленности, абсурдности бытия или, напротив, удивительного единства мира и его глубокого смысла.

Хотя такие состояния и представляют собой отклонения от нормы, у нас нет оснований полагать, что связанные с ними представления о мире сколько-нибудь менее реалистичны, чем те, которые сопряжены с нормальной работой дофаминовой системы.

Последние соответствуют установленному эволюцией оптимальному уровню — «приподнятому» достаточно для того, чтобы мы не переставали стремиться к необходимому, например заботясь о пропитании или реализуя возможность оставить потомство, но не слишком «приподнятому», чтобы мы не начали считать своих врагов частью любящего вселенского разума. Однако это отнюдь не означает, что эволюционно оптимальные для нас представления лучше всего соответствуют действительности.

Развитие социального мозга в подростковом возрасте

Сара–Джейн Блейкмор
Преподаватель когнитивной нейробиологии Университетский колледж Лондона

Благодаря нейровизуализации ученым удалось выяснить, что наш мозг претерпевает изменения не только в раннем детстве. Некоторые его области, особенно префронтальная кора (ПФК), развиваются и позднее. ПФК задействована в обеспечении широкого спектра когнитивных способностей, в том числе планирования и принятия решений. Кроме того, она входит в состав системы участков мозга, позволяющих нам понимать других людей.

В сенсорных отделах мозга число синапсов достигает зрелого уровня уже в середине детства, в то время как в префронтальной коре число синапсов продолжает расти, а затем, в подростковом возрасте, начинает снижаться.

Для подросткового периода характерны перемены, обеспечивающие физический, психологический и социальный переход от детства к зрелости. В начале подросткового периода, одновременно с половым созреванием, у человека происходят существенные изменения в концентрациях гормонов, а также, как следствие, и во внешнем облике. Этот период характеризуется также психологическими изменениями, связанными с настроением, самосознанием, самоидентификацией и отношениями с людьми. Результаты недавних нейробиологических исследований указывают на то, что за эти психологические изменения отвечают отнюдь не только гормоны.

Для понимания других необходимо трактовать поведение других людей в свете их предполагаемых намерений и желаний, то есть осуществлять ментализацию. Недавно мы получили убедительные свидетельства того, что во время полового созревания снижается активность в средней части ПФК, наблюдаемая во время выполнения заданий на ментализацию1. Это относится, например, к исследованиям методом ФМРТ, посвященным развитию целенаправленной коммуникации, которые недавно проводили Одри Тин Ван и ее коллеги, используя задание на понимание иронии. Для понимания иронии требуется отделять буквальный смысл слов от подразумеваемого. У детей, выполнявших это задание, средняя часть ПФК активировалась сильнее, чем у взрослых. Исследователи объяснили повышенную активность этой зоны коры у детей необходимостью осмыслить несколько сигналов одновременно, чтобы разобраться в несоответствии между буквальным и подразумеваемым значениями иронического замечания2.

Другое недавнее исследование показало, что похожая часть средней ПФК сильнее активируется у детей, чем у взрослых при обдумывании собственных намерений. Для обдумывания собственных намерений совершить какое-либо действие (как и для обдумывания намерений других) требуется ментализация. Группе подростков и группе взрослых женщин задавали вопросы, связанные с их поведением в определенных ситуациях, например такие: «Вы хотите узнать репертуар театра. Станете ли вы искать его в газете?» Средняя часть ПФК у подростков, обдумывавших свои намерения, активировалась сильнее, чем у взрослых3.

Снижение активности средней части ПФК может быть связано с тем, что в подростковый период осуществляется тонкая настройка префронтальной коры путем синаптического прунинга, для которого необходима пониженная активность. Альтернативное (или же дополнительное) объяснение гласит, что в этот период меняется когнитивная стратегия ментализации, приводящая к вовлечению в этот процесс других областей нашего мозга.


1Blakemore, S. J. The social brain in adolescence // Nature Reviews Neuroscience 9: 4 (2008),pp. 267–277.

2Wang, A. T., et al. Developmental changes in the neural basis of interpreting communicative intent // Social Cognitive and Affective Neuroscience 1: 2 (2006), pp. 107–121.

3Blakemore, S. J., et al. Adolescent development of the neural circuitry for thinking about intentions // Social Cognitive and Affective Neuroscience 2: 2 (2007), pp. 130–139.

Эволюция

Как работает мозг_врезка

В анатомии человеческого мозга записана история его эволюции. Эта эволюция началась в воде, когда рыбы обзавелись нервной трубкой, по которой нервные волокна передавали сигналы от разных частей тела к общему центру управления. Сначала на спинной стороне переднего конца трубки возник нарост, а затем вошедшие в его состав нейроны стали разделяться на специализированные модули. Некоторые из них выработали чувствительность к различным веществам и легли в основу обонятельных долей мозга.

Другие стали чувствительными к свету и образовали глаза. Эти структуры были связаны с мозжечком — сгустком нервной ткани, управлявшим движениями. Из данного набора впоследствии сформировался мозг рептилий, работавший бессознательно, автоматически.

Его основные части сохранились и у нас и составляют нижний ярус трехъярусной конструкции мозга. Позже к этой основе пристроились новые модули: таламус, помогающий одновременно пользоваться зрением, слухом и обонянием, миндалина и гиппокамп, образовавшие первичную систему памяти, а также гипоталамус, позволившие организму реагировать на большее число стимулов.

Так появился мозг млекопитающих, называемый также лимбической системой. В нем возникают эмоции, но их сознательное восприятие (которые мы и представляем себе, например, как «гнев» или «страх») происходит лишь тогда, когда лимбическая система передает информацию в кору больших полушарий, развившуюся у наших предков еще позже.

Кора больших полушарий возникла в ходе эволюции млекопитающих благодаря функционированию чувствительных модулей, запустивших развитие тонкого слоя клеток. Сложная форма позволила сформировать множество связей между ними, лишь незначительно увеличив его объем. Этот слой стал корой больших полушарий, работа которой лежит в основе сознания.

У тех млекопитающих, от которых произошли люди, в ходе эволюции кора постепенно увеличивалась, сместив мозжечок вниз, где он и сейчас. У австралопитека африканского, жившего три миллиона лет назад, мозг имел почти такую же форму, как наш, но был втрое меньше. Около полутора миллионов лет назад мозг гоминид начал стремительно увеличиваться. Кости черепа разрослись вверх, сделав голову куполообразной с высоким уплощенным лбом, отличающим нас от других приматов. Сильнее всего при этом увеличились области, отвечающие за мышление, планирование, упорядочивание и общение. Для объяснения этого «большого скачка» выдвигался ряд теорий. Судя по всему, его причиной было сочетание нескольких факторов.

Двуногость

Гоминиды встали на две ноги около четырех миллионов лет назад. Это могло произойти оттого, что они жили в болотах и по берегам водоемов, где им нужно было ходить по дну без помощи рук. Другое объяснение состоит в том, что они жили в саванне, где передвижение на двух ногах позволяло видеть дальше.

Двуногость освободила руки, что, по-видимому, способствовало совершенствованию навыков изготовления орудий, способствовавших, в свою очередь, развитию сноровки. Полагают, что двуногость также могла привести к смещению вниз гортани, что позволило эффективнее управлять дыханием и издавать членораздельные звуки, без которых не могла бы развиться речь.

В результате возникли проблемы с деторождением

(см. Продленное младенчество).

Водный образ жизни

Возможно, что на каком-то этапе предки человека вели водный (полуводный) образ жизни, благодаря чему они лишились шерсти и приобрели нос с направленными вниз ноздрями, многочисленные сальные железы и ряд других черт, характерных для современных людей. В соответствии с этой теорией развитию мозга способствовало питание водными организмами, содержащими много жирных кислот.

Орудия труда

Более 2,5 миллиона лет назад наши предки уже активно пользовались орудиями труда. Процесс изготовления орудий, по-видимому, способствовал координированию работы зрения и рук. Владение руками позволило мозгу использовать их для жестикуляции, помогавшей общаться на расстоянии и способствовавшей охоте и коммуникации, что увеличивало сплоченность групп. Жестикуляция считается предшественницей речи, и область в левом полушарии, первоначально ответственная за жестикуляцию, впоследствии развилась в речевой центр, свойственный лишь людям.

Охота

Умение изготавливать и использовать орудия труда и коммуникация помогали в охоте, которая сделала рацион наших предков богатым белками. Это позволило удовлетворять энергетические потребности увеличивающегося мозга. Возникла система с положительной обратной связью: чем успешнее древние люди изготавливали орудия и общались, тем крупнее становился их мозг. Это вело к дальнейшему совершенствованию орудийной деятельности и коммуникации.

Продленное младенчество

Разросшийся мозг и двуногость означали, что младенцы должны были появляться на свет на более ранних этапах развития, чем у большинства приматов. Если бы беременность длилась дольше, голова младенца становилась бы слишком большой, и матери для прохождения ребенка через родовые пути требовался бы столь широкий таз, что она не смогла бы бегать.

Беспомощность новорожденных означала, что их матери сильнее зависели от поддержки других членов группы. В результате эволюционное преимущество получали те, чей мозг лучше всего выполнял социальные функции. Кроме того, продленное детство означало, что у детей стало больше времени на освоение и отработку взрослых форм поведения. Теперь мозг мог дольше оставаться пластичным, а значит открытым для развития.

Язык

Полагают, что именно язык стал тем ключевым фактором, благодаря которому около 80 тысяч лет назад довольно неожиданно у нас появилась культура. Язык послужил основой для абстрактного мышления, которое, в свою очередь, способствовало рефлексии и умению представлять себе будущее и далекие миры, а значит и умению планировать и изобретать.

Группы

Люди жили довольно большими группами, и связанная с этим потребность понимать друг друга, общаться и манипулировать друг другом создавала давление отбора, которое поощряло развитие у человека навыков общения, языка и абстрактного мышления.


Источник: elementy.ru