Мыслящее мясо: нейроны и синапсы

В коротком рассказе «Они сделаны из мяса» Терри Биссон описывает инопланетян с электронными мозгами, обнаруживших планету под названием Земля, на которой самые разумные организмы осуществляют процесс мышления с помощью живой материи. Инопланетяне назвали такой мозг «мыслящим мясом». Трудно поверить, что наш мозг — это и есть наши мечты, память, вдохновение и дыхание — все мыслительные процессы, однако это правда.

Особенно это впечатляет, когда видишь, насколько ничтожны размеры мозга. Миллиарды нейронов и дополнительных вспомогательных клеток взаимодействуют друг с другом посредством бесчисленного количества синаптических соединений, но все эти операции требуют органа, напоминающего небольшую дыню трёх фунтов весом.

Подобно дыне — и всему остальному телу — наш мозг состоит из клеток. Клетки мозга бывают двух типов: нейроны взаимодействуют друг с другом и с остальными органами тела, а глиальные клетки обеспечивают работу мозга. В нашем мозгу находится около сотни миллиардов имеющих сложную продолговатую форму нейронов, глиальных же клеток гораздо больше. На первый взгляд мозг разных животных выглядит по-разному. Однако принципы его работы одинаковы.

В нейроне сигналы переносятся с помощью электричества. Внутренняя часть нейрона заряжена отрицательно относительно наружной стороны, что создает разность потенциалов в мембране. Точно так же из-за разности потенциалов мы ощущаем удар тока 9-вольтовой батарейки, прикоснувшись к её контактам языком. (Активно движущимся через мембрану ионам для поддержания распределения зарядов требуется больше энергии, чем для любой другой области мозга.)

Чтобы послать электрический импульс из одной части в другую, нейрон открывает каналы, позволяющие ионам пересечь мембрану, и создаёт течение, которое несёт электрический сигнал к мембране. Нейроны получают импульс через дендриты — разветвлённые древовидные структуры, собирающие информацию из разных источников. Затем нейрон посылает электрический сигнал дальше по длинному, подобному проволоке аксону, передающему химический сигнал другому нейрону, и так далее. Аксоны способны отправлять сигналы на довольно большое расстояние; самые протяженные аксоны в организме человека тянутся от позвоночника до пальцев ног. Самые длинные аксоны у китов достигают 60 футов в длину (около 20 м). Самые длинные аксоны, найденные у землеройки, — не более двух дюймов (около 5 см). Во всех случаях электрические сигналы распространяются при помощи схожих молекул и по одним и тем же биологическим правилам.

Нейроны и синапсы настолько эффективны, что мозг потребляет всего 12 ватт мощности, хотя он делает намного больше, чем тусклая лампочка на задней стенке вашего холодильника. В течение дня вашему мозгу требуется такое количество энергии, которое содержится в двух крупных бананах. Любопытно, но хотя мозг чрезвычайно экономен по сравнению с механическими средствами, в биологических терминах это ненасытный потребитель энергии. Вес мозга составляет лишь около 3 % от общего веса тела, но он потребляет одну шестую (17 %) всей энергии тела. К сожалению, это не означает, что вам следует чаще перекусывать, дабы снабдить мозг энергией во время занятий. Большая часть энергии идет на поддержание состояния готовности к мышлению. Для этого мозгу необходимо обеспечивать электрическое поле в мембране каждого нейрона, позволяя ему общаться с другими нейронами. Дополнительные расходы на мышление практически несущественны. Попробуйте посмотреть на это по-другому: вы всё время платите зато, чтобы поддерживать свой мозг, поэтому используйте его!

Давайте рассмотрим этот процесс подробнее. Нейроны передают информацию дальше через аксоны, создавая слабые электрические сигналы, которые длятся не более одной тысячной секунды. Эти импульсы, или спайки, представляют собой резкие подъёмы в электрической активности нейрона. Спайки, известные разбирающимся в мозге людям как потенциал действия, выглядят одинаково у кальмара, крысы и у дяди Васи, обеспечивая успех в эволюции живых существ. Проносясь по аксону на скорости до нескольких сотен футов в секунду, спайки несут сигналы от мозга к руке достаточно быстро, чтобы успеть её отдёрнуть и избежать укуса собаки или ожога раскалённой сковороды. Они позволяют любому животному избежать угрозы надвигающейся опасности и делают это очень быстро.

Импульс выполняет свою миссию, когда прибывает на конец аксона, где он видоизменяется. Каждый нейрон мозга получает химические сигналы от нескольких нейронов и в свою очередь посылает их другим. Взаимосвязь между нейронами работает на основе химических веществ — нейромедиаторов (или нейротрансмиттеров), выделение которых из небольшого пузырька на конце нейрона вызывается появлением спайка. Каждый нейрон производит и получает до нескольких сотен тысяч химических соединений (синапсов) с другими нейронами. Нейромедиаторы попадают на синаптический рецептор на теле клетки другого нейрона, вызывая, в свою очередь, дальнейшие химические и электрические сигналы. Все эти этапы от выделения медиатора до его попадания в другой нейрон занимают около тысячной доли секунды.

Синапсы — необходимые компоненты передачи информации в нашем мозгу. Наши мысли, способности, функции и даже наша индивидуальность — всё это определяется тем, насколько крепки наши синаптические соединения, каково их количество и где они расположены. Так же, как соединения в компьютере связывают между собой отдельные внутренние части этого механизма, так и нейроны в основном пользуются синапсами для взаимного общения в мозге. Лишь у небольшой части аксонов синапсы располагаются вне мозга или позвоночника и посылают свои сигналы в другие органы тела, в том числе и в мускулы.

Помимо высокой скорости, синапсы отличаются ещё и крошечным размером. Типичный дендрит нейрона в диаметре имеет около двух десятых миллиметра и способен при этом получать до 200 000 синаптических сигналов от других нейронов. Вы только представьте — один кубический миллиметр вашего мозга содержит миллиард синапсов! Отдельные синапсы настолько малы и ненадёжны, что у них едва хватает мощности функционировать, и прибывающие импульсы часто даже не вызывают выделения нейротрансмиттера.

Конечно, странно, что синапсы настолько малы, что иногда не работают должным образом, но это не редкость. Синапсы достигают приблизительно одинакового минимального размера у различных видов животных, включая мышей и человека. Никто точно не знает, почему отдельные синапсы эволюционировали до столь маленьких размеров и стали настолько ненадёжными, но одной из вероятных причин может быть то, что мозг станет работать лучше при условии нахождения в нем бесчисленного их количества. И крохотный размер синапсов оказывается оптимальным вариантом, при котором наибольшее количество функций способно разместиться в ограниченном пространстве.

В 1921 году, когда ещё не было известно, как взаимодействуют нейроны или даже клетки, немецкий учёный Отто Леви заметил, как именно сердце получает сигналы о том, что надо ускорить или замедлить частоту сокращений. Он был убеждён в том, что блуждающий нера — длинный нерв, идущий от ствола головного мозга и соединяющийся прямо с сердцем, — выделяет субстанцию для замедления сердцебиения. В своей лаборатории Леви тщательно исследовал сердца лягушек с присоединённым блуждающим нервом. Когда он стимулировал нерв электрическим сигналом, сердце начинало сокращаться медленнее. Как это происходило? Гипотеза Леви заключалась в том, что из нерва выделялось нечто, что и производило этот эффект, но он не знал, как проверить эту идею экспериментально.

Забуксовав, он поступил так, как многие в подобных случаях: отложил решение на потом. Однажды ночью его осенило: он понял, как провести эксперимент. Успокоенный, он уснул. Наутро... ничего. Он ничего не мог вспомнить об эксперименте. В следующий раз, увидев этот сон, Леви не поленился и записал идею на бумаге. Увы, на следующее утро он не смог прочитать написанное. К счастью, сон приснился ему ещё раз, и Леви не стал ждать утра: он встал, пошёл в лабораторию и провёл эксперимент, который принёс ему Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1936 году. Эксперимент был прост. Леви поместил два сердца лягушек в разные сосуды, соединённые узкой трубкой. К одному сердцу по-прежнему был присоединён блуждающий нерв. При электрической стимуляции это сердце начинало биться медленнее. Затем, спустя некоторое время, второе сердце тоже замедляло свой ритм. Этот эксперимент продемонстрировал существование того, что он прозаично назвал Vagusstoff — субстанция (stoff), выделяемая из блуждающего нерва (vagus) одного сердца лягушки для того, чтобы замедлить биение второго сердца. Vagusstoff теперь называется ацетилхолином, и это один из десятков нейромедиаторов, которыми пользуются нейроны для взаимодействия.

Нейронам приходится выполнять очень специализированные задания. Каждый нейрон отвечает за небольшое количество функций — например, различение конкретного звука, распознавание чьего-то лица, выполнение определённого движения или другой процесс, невидимый снаружи. В любой конкретный момент лишь небольшое количество нейронов, расположенных в разных частях вашего мозга, пребывает в состоянии активности. Их количество всегда колеблется, и процесс мышления зависит от того, какие нейроны активны и что они передают друг другу и окружающему миру.

Нейроны всех животных объединяются в похожие группы, отвечающие за одни и те же цели — например, распознавание движущихся объектов или регулирование движений глаз. В нашем мозге в каждой группе может быть несколько миллиардов нейронов и множество подгрупп. У крыс — миллионы нейронов и меньшее количество подгрупп, у осьминога или насекомого — тысячи нейронов (хотя в этом крохотном мозге различные части отдельных нейронов могут выполнять несколько видов деятельности одновременно). В каждой из этих групп находятся немного отличающиеся нейроны, определённые паттерны связей и связи с другими мозговыми структурами.

По способу своей работы мозг больше напоминает переполненный китайский ресторан: он набит битком и полон суеты, люди бегают по нему без особых причин, но каким-то образом в конце асе оказывается сделано. Компьютеры последовательно обрабатывают информацию, тогда как мозг справляется с разнообразной информацией, поступающей параллельно по многим каналам. Поскольку биологические системы создаются путём естественного отбора, в них имеются пласты систем, которые изначально были созданы для одной цели, а затем адаптированы под другую, даже если они и не работают идеально. Программист начал бы в таком случае писать новую программу, но в ходе эволюции проще адаптировать старую систему к новым целям, чем создать что-то абсолютно новое.

Учёные выявляли возможности нейронов, наблюдая их активность в различных условиях — стимулируя их или отслеживая их связи с другими частями головного мозга. Например, моторные нейроны в спинном мозге получают сигналы от нейронов коры, которые отвечают за основные движения. В свою очередь нейроны спинного мозга посылают сигналы мускулам, вызывая их сокращения. Если учёные начинают стимулировать с помощью электричества только нейроны спинного мозга, то сокращаются те же самые мускулы. Полученные результаты дают понять, что моторные нейроны спинного мозга отвечают за выполнение основных двигательных команд, которые создаются на более высоком уровне головного мозга. Однако до сих пор осталось немало противоречий в суждениях о том, какой именно аспект движений обусловливается этими командами.

Использованные материалы:

Сандра Амодт «Тайны нашего мозга»

Комментарии: