Почему мозг — не компьютер

Почему размер мозга не связан с умом, как в нейронах возникает электричество и зачем мы все время тормозим. В гостях у едущего ередачи «Вопрос науки» Алексея Семихатова доктор биологических наук, профессор биологического факультета МГУ Вячеслав Альбертович Дубынин.

Мозг не компьютер потому, что в нем есть штука под названием синапсы, где сигналы передаются химическими веществами и это тот принцип, которого нет в компьютере. Мозг — электрический и химический.

Пока сигнал бежит по нейрону — это электрический импульс, а когда он между нейронами — это химическое вещество. В тот момент, когда передаются химические сигналы от разных синапсов, возникает то, что мы можем назвать принятием решения, а иногда — мышлением. Нервная клетка считывает, сравнивает сигналы, часть из них заставляет ее реагировать, часть, наоборот, говорят — не реагируй.

Нейроны все время тревожат друг друга, передают информацию при помощи химических веществ. Если информация передается с помощью слабых химических сигналов, она очень легко теряется и ваша мысль, которую вы начали думать, до конца не дойдет. И поэтому «умнеть» — это, как правило, означает, что некие контакты в синапсе начинают в системе работать более эффективно. Т.е., когда мы учимся и умнеем, это в наших нейросетях синапсы начинают работать более эффективно. И это, как правило, означает изменение именно на химическом уровне.

Сам нейрон — это здоровенная вычислительная машина. А элементарной структурно-функциональной единицей мозга является именно синапс. И, собственно, вычислительные возможности мозга — это не его вес, не число нейронов, а число синапсов на единицу объема.

Нейронов может быть не так много, но контактов они образуют большое количество и эта штука будет очень эффективно считать. Иногда маленький мозг работает мощнее, чем большой. Ну, так же как компьютер. Хороший пример — это птицы. Ведь у них каждый грамм на счету, они должны летать. Поэтому они создают такие очень компактные ноутбуки, где вычислительные ресурсы очень плотно спрессованы. Ворона или попугай по интеллекту не уступают собаке, а местами и превосходят. 

Бразильская исследовательница Сюзана Херкулано-Хузел (Suzana Herculano-Houzel) научилась очень точно считать количество нейронов в разных отделах. И последние десять лет она публикует совершенно фантастические статьи. У нее получается, что наша линия, линия приматов, как раз обладает повышенной плотностью нейронов, повышенной плотностью синапсов. А у птиц это врановые и попугаи. 

Синапс срабатывает за 2-3-5 миллисекунд, это медленно. Компьютер бы просто смеялся. Вернее, он бы ждал. Мы за счет чего выскакиваем? У нас мозг так работает, что мы не один процессор, а сотни, тысячи параллельно работающих сопроцессоров. Как идет сложный процесс, например, зрительное восприятие? Сигнал разбрасывается на разные центры и один считает форму, второй размер, третий — расстояние. А также объем, движение. И потом, после этого, ассоциативная теменная кора создает целостность.

Откуда в голове берется электричество? Начинается все с того, что мы едим глюкозу. Дальше все это попадает в митохондрии, которые все это превращают в особые энергоемкие молекулы, они называются АТФ. Это микробатарейки для внутреннего пользования нейронов. От них нейрон получает отрицательный заряд цитоплазмы. А положительный выбрасывается из клетки.

Когда говорится, что мозг потребляет до 20% энергии — это, в основном, энергия на постоянную подзарядку этих внутренних батареек. На сохранение постоянного отрицательного заряда нейронов. Каждый раз, когда идет передача информации и возникает импульс, мы часть этого заряда тратим.

Эти заряды или потенциалы можно измерить. Для удобства работают с нервными клетками, которые просто выросли в чашке Петри, как микробы. Вы под микроскопом вводите в культуру клеток тончайшую стеклянную трубочку, там внутри раствор калий-хлор. И когда вы протыкаете мембрану, заряд прыгает вниз, показания вашего вольтметра меняются и составляют где-то минус 70 милливольт или -0,07 вольта. Немного, но вполне осязаемо. Когда импульс идет по нейрону, он использует этот отрицательный заряд для того, что бы генерировать очередную ступеньку тока. И вот эта ступенька бежит по нервной клетке. По сути это почти двоичный код. Все наши мысли, чувства, эмоции кодируются такими ступеньками. Если мы воткнемся в правильное место нейросети и будем такие ступеньки подавать, мы можем у человека вызвать иллюзию положительных эмоций. Или какого-то зрительного образа. Или движение запустить.

И когда такой импульс добегает до окончания нервной клетки, он запускает движение специальных пузырьков. Там вещество — медиатор. Посредник, по-русски. И этот посредник влияет на мембрану следующей нервной клетки. Пузырек прилипает к наружней мембране и лопается. Медиаторы выбрасываются в узкую щель между двумя нервными клетками. Она называется «синаптическая щель». Дальше, эти медиаторы доплывают до следующей клетки и нажимают на специальные чувствительные белки. Если медиатора достаточно много, тогда следующий нейрон сгенерирует импульс и это будет означать, что какой-то кусочек информации благополучно миновал синапс.

Просто так информацию никто не проводит, иначе наш мозг будет зашумлен. Сигнал должен быть достаточно сильным. Для того, чтобы возник импульс на следующей клетке, надо чтобы эти волны дошли до уровня где-то минус 50 милливольт. Одиночное срабатывание синапса, обычно, дает только половину, а то и треть от этого. Чтобы сигнал прошел, нужно повторное подтверждение: да, это значимо, да, это значимо… Это называется временная суммация, когда по одному каналу идет несколько пинков. Срабатывание сразу нескольких каналов называется пространственной суммацией. В реальном мозге работают и пространственная, и временная.

Но кроме возбуждающих синапсов есть еще тормозные. Которые мешают работать возбуждающим. При работе тормозных синапсов возникает противоположное течение зарядов. И волна торможения вычитается из волны возбуждения.

Когда стали изучать мозг, то увидели, что половина нейронов занимается торможением. Очень важно проводить информацию и не менее важно не проводить. Когда важно не проводить информацию? Например, школьник спокойно сидит за партой и не чешется, не крутится, смотрит на доску. Или вы просто идете, у вас из 400 мышц работают только 10%, а остальные надо подтормаживать. У нас главная двигательная структура находится в мозжечке, и там самые крупные нейроны — именно тормозные. Они блокируют лишние движения.

Чтобы хорошо двигаться, нужно начать с того, что себя блокировать, а уже потом разблокировать. Наши двигательные центры так организованы, что над ними все время тормозная завеса. Потому что это очень критичная, на самом деле, штука — движение. Ведь мы, если совершили неподходящий шаг, можем погибнуть просто мгновенно. Поэтому в сенсорной системе, в центрах памяти, эмоций возбуждение возникает гораздо легче. Там это не так критично — подумаешь, там что-то послышалось!

Можно привести такой пример: апельсин на прилавке магазина. Вы видите, что да, это апельсин, вы чувствуете его запах, а еще центры голода говорят — неплохо бы поесть! И вот вы уже почти его схватили. А в это время тормозные нейроны сообщают: это, вообще-то, не ваш апельсин. Вы его еще не купили. И денег у вас нет. И воровать нехорошо. Вот если эти волны вниз так вычтутся из волн вверх, что мы не дойдем до порога запуска импульса, то ничего не будет. А если возбуждение все-таки победит — вы схватите апельсин и попытаетесь убежать.

Наша работа нейронов — это все время вот такая конкуренция возбуждения и торможения. Это даже мышлением назвать немного стыдно. И таких процессов происходит невероятное, безумное количество. Потому что счет синапсов идет на триллионы.