Книга: Ближе к воде [Удивительные факты о том, как вода может изменить вашу жизнь]

Как работает человеческий мозг

Как работает человеческий мозг

Почти полукилограммовый сгусток жира и белка, расположенный в верхней части спинного мозга, не только в основном состоит из воды, но и находится как бы в воде — прозрачной, бесцветной спинномозговой жидкости. Эта жидкость состоит из живых клеток (в том числе иммуноцитов, очищающих нервную систему от инфекционных патогенных организмов), глюкозы, белков, молочной кислоты, минералов и воды. Она защищает мозг от травм, поддерживает постоянное давление в черепной коробке и обеспечивает достаточную плавучесть мозга для того, чтобы уменьшить его фактический вес (1400 граммов) до 25–50 граммов (снижая тем самым давление мозга на его нижние части, что в противном случае отрезало бы их от системы кровоснабжения) [12]. Мозг потребляет больше энергии, чем все другие органы: он использует примерно 20–25 процентов кислорода и 60 процентов глюкозы, поступающих в организм, — эти ресурсы идут на обеспечение связи между нейронами и поддержание здоровья клеток [13]. Мозг состоит из около 1,1 триллиона клеток, из которых от 85 до 100 миллиардов [14] — нейроны (мы называем их серым веществом), остальные — аксоны и глии (белое вещество). Глии выполняют функции метаболической поддержки. В частности, они укутывают проводящие нейриты (аксоны) слоем желеобразного вещества миелина (беловатого цвета белок, своего рода липидный футляр для нервов) и осуществляют переработку нейромедиаторов. Впрочем, все эти знания из сферы анатомии не слишком много говорят нам о том, как на самом деле работает мозг.

За разъяснением этого сложнейшего вопроса стоит обратиться к Говарду Филдзу из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Седовласый, добродушный, с заразительной улыбкой, Говард не только исследователь мирового класса, но и человек, который умеет доходчиво объяснять самые сложные вещи. Крупные открытия, касающиеся функций нейронов, делаются в наше время чуть ли не ежегодно, однако, по словам Филдза, правильнее всего было бы назвать их целью кодирование восприятия и действия. Ученый говорит, что нейронные клеточные тела представляют собой своего рода электрохимические цифровые переключатели, подсоединенные с помощью аксональных «проводков» к сложной сети внутри нашей головы. Человеческий мозг состоит из миллиардов нейронов, и каждый из них соединяется с десятками тысяч других, образуя триллионы связей. В результате этих взаимосвязей группы нейронов создают нейронные сети, которые и генерируют все осознаваемые и неосознаваемые импульсы, реакции или мысли, какие только могут возникнуть у человека — от возможности почувствовать зуд (и почесать нос в ответ на раздражитель) до «ординарных и экстраординарных вариаций психической активности, связанных с восприятием, вниманием, ощущением, запоминанием и логическим мышлением» [15]. Они также запускают последовательный выброс нейрохимических веществ, благодаря которым реакция стресса преобразуется в эмоции и поступки. Изучая разные нейронные сети разных людей, исследователи могут создавать «топографические карты» мозга. Это непростая задача, поскольку в человеческом мозге существует множество сетей, выполняющих разные элементы одной и той же функции. Например, сеть нейронов, которая заставляет вас подносить еду ко рту, отличается от той, что управляет более тонкими и точными движениями пальцев, когда вы держите ручку или пишете [16]. Сложность нейронных сетей обусловлена уже самим их огромным количеством: нервных клеток в человеческом мозге на порядок больше, чем в мозге самого близкого к нам примата. Но больше всего поражает даже не количество, а качество познавательной способности и физической ловкости homo sapiens [17].

Каким же образом мозг человека разбирается в той невероятной лавине сигналов и раздражителей, которые каждое мгновение воздействуют на наши органы чувств? И каково его основное предназначение, если исходить из теории эволюции? По словам писателя Джона Медины, главная цель человеческого мозга такова — «выживать в нестабильной внешней среде, находясь практически постоянно в движении» [18]. Выполнение этого задания требует постоянного роста и адаптации к проблемам, с которыми человечество сталкивалось в стремительно менявшемся и полном опасностей мире. На протяжении многих тысячелетий человеческий мозг развивался рывками: одни когнитивные функции добавлялись, другие отмирали — в зависимости от пользы для выживания человеческого вида. (Наш мозг по-прежнему эволюционирует: одни функции он получает от рождения, а другие — как лишние и снижающие эффективность его работы — со временем исчезают [19].) В ходе всей истории развития человечества возникла структура мозга с гибкой архитектурой, нейропластичностью, а в результате развились нейронные сети, способные создавать базовые «строительные блоки» для восприятия и переработки сигналов, поступающих от органов зрения, слуха, обоняния и звука, которые, в свою очередь, эволюционировали в функции более высокого порядка, такие как речь, письмо, музыка и другие виды искусства [20].

Замечу, что говорить о развитии мозга как об окончившемся процессе не совсем верно, ведь если физические пределы его развития и есть, то конца эволюционному приспособлению не существует. Кто знает, как мы будем выглядеть и что будем уметь делать через миллион лет? Несомненно одно: современные факторы, создающие превосходство или, наоборот, преграды в эволюционном развитии, отличаются от тех, которые действовали несколько сотен тысяч лет назад.

Не надо быть доктором наук, чтобы понять и признать, что помимо внешней среды, в которой мы существуем, нас формируют и психические процессы, происходящие внутри нас, и взаимодействие с окружающими людьми. Мы непрерывно принимаем бесчисленное количество сигналов из целого ряда источников: мыслей, непрерывно возникающих в голове; телесных ощущений, на которые редко обращаем внимание (если они не заявляют о себе слишком громко, скажем, в виде боли или острого наслаждения); потока чувств и эмоций, возникающих как следствие нейрохимического процесса, когда мы обращаем внимание на другого человека; и конечно, непрерывной лавины стимулов и раздражителей, поступающих из окружающего мира.

Как же наш мозг справляется со всей этой входящей информацией? Как он отличает сигналы, важные для выживания, от ненужных помех? Дело в том, что мозг — непревзойденный эксперт в области распознавания и прогнозирования. «Человеческий мозг представляет собой потрясающую машину для выявления паттернов, — пишет психолог Дэвид Пизарро. — В нашем распоряжении имеется целый ряд механизмов, которые позволяют выявлять скрытые связи между предметами, событиями и людьми. Без них огромное количество сигналов, непрерывно атакующих наши органы чувств, несомненно, воспринималось бы нами как нечто случайное и хаотичное» [21]. Сознательно — но главным образом неосознанно — мы считываем все данные, поступающие к нам посредством органов восприятия, и сравниваем их с уже пережитым в прошлом опытом [22]. Мозг фокусируется на том, что считает важным (либо из-за совпадения с предыдущими паттернами, либо — что случается значительно чаще — из-за несоответствия ожидаемой модели и, следовательно, возможности угрозы). Смысл новой информации интерпретируется на основе предыдущего опыта, а затем предсказываются последствия того, что она может означать. Данные процессы бессознательной психической деятельности, в отличие от осознаваемых «свободных решений», происходят автоматически и не подлежат самоанализу, обсуждению, одобрению или изменению здесь и сейчас.

Прогнозы мозга зачастую опережают осознанную мысль, то есть делаются намного раньше, чем эта мысль посещает голову [23]. Как пишет нейробиолог из медицинского колледжа Бейлорского университета Дэвид Иглман в своей книге Incognito: The Secret Lives of the Brain («Инкогнито: тайная жизнь мозга»), «миллиарды специальных механизмов мозга работают, оставаясь в тени. Одни собирают сенсорные данные, другие рассылают программы двигательного акта, а подавляющее большинство выполняет главные задачи „рабочей силы“ нервной системы: объединяет информацию, составляет прогнозы относительно будущего и принимает решения о том, что делать дальше» [24]. Как известно, для того чтобы бейсбольный мяч, брошенный питчером[18], долетел до основной базы, требуется 450 миллисекунд. И пока он молнией преодолевает эти пару десятков метров воздушного пространства, мозгу бэттера[19] необходимо переработать огромное количество данных. Например, ему надо принять решение о том, переносить ли биту через линию «дома»[20], не говоря уже о выборе скорости движения биты и угла, под которым ее следует держать, немедленной корректировке своих действий в зависимости от ситуации и перемещения остальных игроков на поле. Учитывая, что на определение силы замаха и удара уходит около 200 миллисекунд, у бэттера почти не остается времени на то, чтобы осознанно воспользоваться всеми имеющимися у него знаниями и опытом и провести надлежащий анализ ситуации. Двести миллисекунд вряд ли можно считать «временем». Тем не менее начиная с 1901 года бэттеры Главной бейсбольной лиги принимали правильные решения более чем в одном из четырех случаев, а те, кому это удавалось чаще других, выводили свои команды в плей-офф и на игры чемпионата Мировой серии.

Учитывая, что правильно рассчитать удар по мячу, летящему со скоростью 152 километров в час, невероятно сложно, такой средний показатель не может быть результатом везения или случайности. Ясно, что это достигается благодаря некому когнитивному процессу. Но каким образом?

После того как мозг берется за дело и анализирует данные, ему надо решить, что делать дальше — и нужно ли вообще что-нибудь делать. Но сколько данных можно получить за считаные миллисекунды? В значительной мере этот процесс анализа основывается на методе проб и ошибок. Прежде чем мы предпринимаем какие-либо действия, наш мозг производит нечто вроде высокоскоростной оценки результативности затрат, а затем анализирует ее результат. Знакомые ситуации укрепляют имеющиеся нейронные сети; но каждая новая частица информации, каждое новое обстоятельство, ошибка и непривычное действие заставляют мозг перестраиваться, пусть даже и совсем немного. Если вы заносили биту десятки тысяч раз, бывали моменты, когда вы производили корректировки осознанно, например следуя инструкциям тренера. Но нейронные сети вашего мозга десятки тысяч раз «записывали» этот миллисекундный опыт неосознанно. В определенный момент опираться на рассудок становится невыгодно: вы будете слишком долго думать, из-за чего потеряете нужный ритм, мяч улетит не туда, куда надо — и вы выйдете из игры.

На протяжении всей жизни мозг в буквальном смысле меняет сам себя, постоянно создавая новые нейронные сети для эффективного выполнения необходимых функций [25]. Согласно формулировке «отца» идеи о нейропластичности мозга Майкла Мерцениха, «кора головного мозга… фактически выборочно совершенствует свои способности к обработке данных, подгоняя их под потребности каждой выполняемой задачи». В ходе этого невероятно динамичного процесса объем серого вещества увеличивается на участках с наибольшей нейронной активностью [26]. Кроме того, в этом процессе происходит конкурентный отбор: существующие, но не используемые сети постепенно слабеют (это известно каждому, кто когда-либо учил иностранный язык, а много лет спустя пытался на нем заговорить).

По мнению Мерцениха, нейропластичность по своей сути бимодальна: она укрепляет нейронные сети для того опыта, на который мы обращаем внимание, и ослабляет участки мозга, которые используются редко. В сложных навыках, таких как игра на музыкальном инструменте или вождение автомобиля, разные нейронные сети из разных участков мозга действуют вместе. А благодаря тому, что мозг реорганизует нейронные связи, направляя их функцию по новым путям, у людей могут восстанавливаться способности, утраченные в результате травмы или заболевания [27].

Определенные типы нейронных сетей формируются в мозге всех людей, однако карта мозга каждого человека уникальна [28]. (Обнаружение и регистрация этих нейронных сетей — очередной рубеж проекта Connectome Project, финансируемого Национальными институтами здравоохранения США и реализуемого под руководством консорциума, в который входят Вашингтонский университет, Университет Миннесоты, Оксфордский университет и другие образовательные организации. Цель проекта состоит в том, чтобы составить карту нейронных связей в человеческом мозге, аналогичную карте ДНК человека, созданной в результате реализации в 1990-х годах проекта Human Genome. На этот раз ученые используют методы нейровизуализации и новую технологию под названием оптогенетика, предполагающую введение в нейроны головного мозга специальных молекул для включения и выключения их функций с помощью света.) Возвращаясь к разговору о Голубом разуме, можно сказать, что определенные нейронные сети, формирующиеся во взаимодействии с окружающей средой, начинают создаваться в маточной среде и укрепляются или видоизменяются до тех пор, пока человек не закроет глаза на смертном одре. Благодаря нейропластичности у нас есть возможность изменять нейронные связи на протяжении всей жизни путем изменения получаемых сигналов и выбора окружающей среды.

Чтобы в полной мере понять мощь Голубого разума, нам с вами предстоит совершить путешествие из плавательного бассейна в палату онкобольных, с побережья Австралии в центр крупного города, из лаборатории стоимостью в пять миллионов долларов в кабинет руководства компании, оценивающейся в пять миллиардов долларов. И как любое путешествие, наше начинается с дома — то есть с того места, где стоит наша кровать и которое всегда в нашем сердце.