Ученые обнаружили кратеры на луне за десятилетия до того, как узнали, что мозг подразделяется на участки. Исследование этой хорошо спрятанной «контрольной башни» – структуры головного мозга – было сложным по нескольким причинам. Первые исследователи структуры головного мозга должны были давать названия тому, что находили, не зная, что выполняет каждый участок головного мозга. Пионеры каждой области цеплялись за те сходства, которые могли найти. Участкам головного мозга давали имена в честь того, на что они были похожи, или по их позиции в структуре головного мозга и облагораживали эти названия латинским (греческим, французским или английским) переводом. Таким образом, мы имеем:

• Гиппокамп – в переводе с греческого означает морской монстр – из-за его закругленной формы.

• Кора головного мозга – выглядит, как сморщенная кора дерева.

• Дендрит – в переводе с греческого означает дерево – так названо из-за всех его ответвлений.

• Мозжечковая миндалина – так названа из-за своей формы.

• Глиальные клетки – в переводе с греческого означает клей – так названы из-за роли, которую сначала им приписывали.

Внешний вид головного мозга не дает нам никакого представления о том, на какую поразительную работу он способен и какой это на самом деле удивительный источник мощи. Мы можем оценить сложное извилистое строение головного мозга только рассматривая живого, функционирующего человека, и это стало возможным только в последние десять лет, когда улучшились технологии по построению изображения головного мозга. Электрические микроскопы дают ученым возможность взглянуть на мельчайшие клетки головного мозга, и замысловатая техника окрашивания позволяет проследить сложную связь, формируемую между клетками и их длинными соединениями. Нам уже не нужно думать о головном мозге как о черном ящике, в который мы не можем заглянуть.

Предпринималось несколько попыток, для того чтобы измерить объем информации, которую он может сохранять. По одному из таких методов предполагалось, что головной мозг может обрабатывать один бит информации в секунду при чтении, так что если мы умножим количество секунд в человеческой жизни на количество нейронов в головном мозге, мы придем к результату, который будет составлять невообразимо огромную сумму! В настоящее время считается, что объем информации, которую мозг способен выучить, ограничивается только вниманием, усталостью, настроением и стрессом.

У нас бы не было хорошей памяти, или вообще какой-либо памяти без головного мозга. Как может такая голова, наполненная белками, липидами и углеводами, зажечься искрой мысли и планов и послать исследовательскую беспилотную космическую станцию к Юпитеру, написать Декларацию Прав Человека или посмеяться с друзьями? В этой главе мы быстро пробежимся по некоторым аспектам, которые открыла наука о головном мозге, и проследим, как наш поразительный головной мозг организует и распределяет воспоминания.

Физические характеристики

Головной мозг обычного взрослого человека весит примерно 1,25 килограммов. Он мягкий и гибкий под своей костяной оболочкой черепа. Различие в размере головного мозга не влияет на то, насколько умен человек. (Эйнштейн – один из величайших мыслителей 20 века – не отличался большой головой.) Сила памяти основана на сложных соединениях между нервными клетками, а не только на том, сколько их.

Головной мозг по форме напоминает лесной орех, разделен на два полушария, соединенных посередине толстым пучком нервных волокон, которые называются «мозолистое тело». Под полушариями находиться мозжечок и ствол мозга, который продолжается до основания черепа и переходит в спинной мозг. Мозжечок и ствол мозга – это составные части того, что называется «старым мозгом» (старым в эволюционном смысле), который отвечает за основные функции тела, такие, как контроль над дыханием, сном и передвижением.

Как кора деревьев, поверхность головного мозга покрыта морщинами и извилинами, ему как бы мало места там, где он находится. Если его растянуть, он был бы размером с чайное полотенце. (Полотенце для протирки чайной посуды, обычный размер 20 на 30 дюймов.) Эта поверхность называется корой головного мозга, она составляет всего лишь 2 миллиметра в толщину и плотно покрыта микроскопическими клетками, которые придают розово-серый цвет поверхности головного мозга. Под корой головного мозга находится плотно расположенное белое вещество, которое служит для связи коры с другими клетками.

Виды клеток

Головной мозг состоит из сотни видов различных клеток. Сотни биллионов этих клеток – это нейроны, которые являются эпицентром обработки информации мозгом. Они бывают различных форм и размеров, но обычно представляют собой клеточное тело с ядром, множеством ответвлений, которые называются дендритами, последние получают сигналы от других клеток, и длинное ответвление, которое называется «аксон», передающий сигналы к другим нейронам.

В головном мозге находятся также менее известные, чем нейроны, но более многочисленные клетки. Их тысяча биллионов, т. е. в десять раз больше, чем нейронов! Это так называемые глиальные клетки, меньшие по размеру, чем нейроны, которые несут важную функцию защиты и ухода за нейронами, поднося им питательные вещества и убирая продукты жизнедеятельности и мертвые клетки. Они вырабатывают важное вещество, называемое «миелин», которое изолирует нейроны и облегчает их работу. Процесс покрытия клеток оболочкой в основном оканчивается к восьми годам и полностью завершается к двадцати пяти годам.

Гематоэнцефалический барьер: клеточная стенка

Головной мозг входит в сосудистую систему организма с мельчайшими капиллярами вокруг нейронов. Каждый нейрон хорошо защищен маслянистой двойной мембраной, состоящей из жиров холестерина и лецитина. Внутри стенки находятся различные белки, которые переносят питательные вещества и кислород из капилляров через стенку к ядру клетки. Эта стена называет «гематоэнцефалический барьер». Он очень избирателен в том, какое вещество можно пропустить, включая и потенциально полезные медикаменты. Как пошутил один комментатор, принимать добавки, чтобы помочь клеткам головного мозга, – это все равно что пытаться помочь стране с недостатком горючего, летая над землей и сбрасывая на нее баночки с бензином.

Белки

Слово «белок» знакомо нам в значении «вид пищевых продуктов», но это именно то вещество, которое составляет нашу жизнь. Белки составляют аминокислоты (которые представляют собой 20 основных форм) в различных конфигурациях. Существует бесчисленное количество белков, каждый из которых имеет свою функцию. Они составляют стенки клеток; они действуют как ферменты (фермент – это катализатор, который вызывает изменения в других веществах); они также являются нейротрансмиттерами, химическими посредниками головного мозга.

Белки бывают различных размеров. Например, пептиды – это очень маленькие белки, и некоторые из них действуют как нейромодуляторы, химические датчики, которые прикрепляют сенситивность клеток к другим нейротрансмиттерам, как, например, при управлении болью. Другие протеины – очень большие, такие, как гликопротеины, – располагаются на внешней поверхности мембраны клетки в синаптической щели между двумя нейронами и принимают поступающую информацию от соседних клеток. Считается, что гликопротеины оказывают помощь в процессе превращения кратковременных воспоминаний в долговременные.

Гены и хромосомы

Каждый нейрон несет с собой полный набор инструкций, для того чтобы делать белки, которые ему нужны (как и все другие клетки). Новый белок делается из соединения аминокислот, которые присоединяются одна к другой, как бусинки в ожерелье. Таким образом, инструкции по составлению белка представляют собой нужную последовательность аминокислот. Гены – и есть эти самые инструкции.

Фабрика Лего

Представьте себе фабрику, которая берет конструктор Лего и строит из него машины, домашние принадлежности, компоненты для фабрики, строительные материалы и все остальное необходимое для общества Лего. На этой фабрике есть сто тысяч планов, один для каждого приспособления, которое она строит, включая планы для своих собственных станков и роботов-рабочих, так что она может починить свои станки и построить новые, когда возникнет необходимость. Фабрика лего даже может сделать полную репродукцию самой себя. Что поразительно, так это то, что фабрика Лего почти полностью построена из деталей Лего и некоторых простых компонентов, которые доставляются к ее дверям.

Клетки похожи на фабрики, которые вырабатывают белки. Детали Лего – это аминокислоты (составляющие, из которых строятся белки), планы – это гены, а собранные приспособления – это белки, которые нужны, чтобы организм функционировал.

Гены кодируются в длинных нитевидных молекулах, которые называются ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). У людей 23 пары молекул ДНК (хромосом), которые образуют две спирали. Хромосомы в свернутом виде находятся в ядре клетки.

Воспроизводить протеины очень важно для жизни клетки, молекула ДНК раскручивается, подключается определенный ген (это означает, что его инструкции копируются), и ДНК снова сворачивается. Копия инструкций выносится за ядро к структурам, которые соединяют соответствующую последовательность аминокислот, и образует из аминокислот белок.

Каждая клетка содержит полный набор генов для своего организма, но активизирует лишь небольшое количество из этого набора. Таким образом, есть гены, которые могут никогда не использоваться или использоваться только в некоторых клетках, при определенных обстоятельствах. Гены дают наследственность из возможных белков, но только сама клетка определяет, какой ген подключить, а какой отключить в определенный момент, при определенных обстоятельствах, в которых она находится. Эти обстоятельства – результат окружающей среды, которую выбирает человек, – его питание, физические упражнения и образ жизни.

За годы своей службы гены могут испортиться по разным причинам, например, в процессе сворачивания и разворачивания хромосом или из-за вирусов и свободных радикалов (побочный продукт при окислении). Результатом поврежденных генов может быть вырабатывание анормальных протеинов, которые могут повредить клетку, привести к ее смерти или к бесконтрольному клеточному воспроизведению, формирующему рак. В клетке происходит множество процессов, которые могут исправить или ограничить ущерб, наносимый поврежденными генами. Одна из причин, по которой антиоксиданты так важны для здоровья, – это их роль защитников, не дающих свободным радикалам повредить ДНК.

Клетки и сети из клеток в работе

Если бы мы могли увидеть головной мозг в работе, перед нами предстала бы разветвленная система кровеносных сосудов, где кровь качается через артерии в маленькие капилляры, которые питают каждую клетку головного мозга. Живой мозг – это также постоянная смесь из электрических импульсов и химических сигналов, каждый нейрон – это крошечный огонек в организованном хаосе мыслей. Технологии по изображению головного мозга пользуются этой непрекращающейся деятельностью, используя различные методы записи, для того чтобы измерить, какие нейроны и участки головного мозга наиболее активны при реакции человека на определенную умственную задачу.

Во всем этом невообразимом рое какие части нашего мозга отвечают за наши мысли, чувства и воспоминания?

Импульс – действие – мысль

Головной мозг управляет тем, что мы делаем и о чем думаем, посылая и принимая электрические импульсы и химические сигналы между отдельными нейронами и группами нейронов. Мысли кодируются возбуждением нейрона, которое состоит в испускании небольшого электрического сигнала. Импульсы передвигаются по нейронам со скоростью 100 метров в секунду (360 километров в час) – в шесть раз быстрее, чем скорость, с которой разрешается ездить в черте города.

Постоянное хранение воспоминаний осуществляется в нейронах, образующих определенные модели, и зависит от того, как они физически связаны друг с другом, а также от силы их связи друг с другом. Нейроны с короткими аксонами связываются с соседними клетками, а те, у которых более длинные аксоны, связываются с нейронами в других участках.

Синапс

Аксоны одного нейрона связываются с дендритами другого на небольших промежутках, называемых синапсами, которые играют роль как в передаче мыслей, так и в хранении долговременных воспоминаний. Для плавного течения мысли импульс должен перейти от одного нейрона к другому, но через синапсы не могут пройти электрические сигналы. Длина синапса составляет всего лишь 20 нанометров (нанометр – это миллионная часть метра), но, как и в лампочке с порванной нитью накаливания, небольшие электрические сигналы, вырабатываемые нейронами, не могут пересечь это пространство, несмотря на то что оно очень мало. Нейроны преодолевают эту трудность, превращая электрические сигналы в химические импульсы. Посылающая сигнал клетка высвобождает нейротрансмиттер, одну из очень многих химических молекул, которая переходит через синаптическую щель и прикрепляется к рецептору молекулы принимающего нейрона. Этот процесс напоминает передачу палочки в эстафетном беге.

Синапсы – это локализация памяти, именно они отвечают за то, как быстро и легко нейроны передают друг другу информацию. Процесс похож на строительство брода через реку. Если каждый человек, который успешно переходит через реку, оставляет после себя камень, то с течением времени переход становится быстрее и легче. Для того чтобы сделать изменения в синапсе постоянными, вырабатываются новые протеины, и физическая структура совершенствуется. В конечном итоге, гены – это инструкции по образованию белков, которые фиксируют воспоминание в головном мозге. Когда мы вспоминаем событие из прошлого, создаются новые белки – это означает, что воспоминание с течением времени постоянно слегка изменяется.

Удивительно, но электрические импульсы, которые вырабатывают нейроны, необыкновенно стереотипны. Вся система напоминает электричество в доме. На кухне оно включает тостер, в зале оно включает телевизор. Электричество одно и то же независимо от того, в какой части дома его используют. Подобным образом импульс нейрона важен только из-за модели соединений, которые нейрон образует с другими нейронами и с частями тела. Соедините нейрон с мышцей руки, и рука получит сигнал. Если бы тот же самый нейрон был соединен со ступней, его получила бы ступня.

Нейротрансмиттеры

Мы описали нейротрансмиттеры как химические молекулы, функция которых – переносить электрические импульсы через синаптическую щель. Они также распространяются по всему головному мозгу, перенося сигналы к рецепторам в различные участки. Многочисленные скопления синапсов, так же как и классические синапсы, описанные выше, могут принимать сигналы, которые распространяются в любом направлении или использовать рассеянное распределение нейротрансмиттеров.

Было открыто около 80 нейротрансмиттеров, которые доставляют разную информацию к клеткам. Например:

• Ацетилхолин играет ключевую роль в состояниях сна, пробуждения и бодрствования, важен для внимания, обучения и памяти. Его дефицит вызывает нарушение работы памяти.

• Серотонин известен как химическое вещество «хорошего расположения духа». Он влияет на настроение, и высокий уровень содержания серотонина считается причиной безмятежности и оптимизма. Он связан со многими различными умственными процессами, включая боль, аппетит, сон и кровяное давление.

• Глутамат – главный возбудительный нейротрансмиттер. Он важен для долгосрочной памяти и, возможно, также для организации нейронов в большие соединения.

• Допамин конролирует уровень пробуждения, а также задействован в воспроизведении физических движений, эмоций и внимания. Когда его уровень низкий, люди не могут совершать произвольные движения, а когда он высокий, человек испытывает эйфорию.

• Норадреналин повышает уровень физической и ментальной активности, и активизируется посредством стресса. Он повышает сердечный ритм и кровяное давление и замедляет кишечную деятельность, готовясь к немедленным действиям. Когда стресс проходит, вместо него высвобождается ацетилхолин.

Как ясно из этих нескольких примеров, ни один из нейротрансмиттеров не ограничивается единичной функцией. Скорее, каждый из них принимает участие в осуществлении нескольких функций и любая из этих функций, как, например сон, зависит от нескольких нейротрансмиттеров. Каждый нейротрансмиттер вырабатывается определенной разновидностью клеток, однако у каждой из клеток имеются разные виды рецепторов, которые позволяют им образовывать определенные связи по всему головному мозгу.

Неправильное функционирование в этой сфере случается, когда присутствует слишком много или слишком мало нейротрансмиттеров. Например, слишком маленькое количество допамина считается причиной болезни Паркинсона, а слишком большое его количество приводит в шизофрении. Низкий уровень ацетилхолина – характерная черта болезни Альцгеймера.

Такие наркотики, как ЛСД и морфий, имеют структуру, подобную передающему датчику. Они прикрепляются к постсинаптическому рецептору и мешают нормальному функционированию нейротрансмиттеров.

Системы

К тому времени как мы становимся взрослыми, наш умственный ландшафт становится настолько индивидуальным, что ни одна пара людей не воспринимает ни одной вещи одинаково.

В предыдущих разделах я рассказал, что нейроны – это основные аппараты мышления, а воспоминания в конечном итоге сохраняются в виде белков в синапсах между нейронами. Однако отдельный синапс или даже отдельная клетка сама по себе не несет смысла точно так же, как не несет смысла единственная цветовая точка на экране телевизора или компьютера. Только совокупность этих точек образует картинку, которая имеет для нас смысл. Подобным образом определенная модель нейронов создает мысль. Когда у нас возникает другая мысль, активизируется другой набор нейронов. Постоянная изменчивость головного мозга означает, что одна и та же модель никогда не повторяется.

Нейроны с подобными функциями группируются в колонны, которые выступают на два миллиметра сквозь толщину коры головного мозга. Один нейрон сам по себе не имеет практически никакого влияния, не сможет даже заставить нас глазом моргнуть!29 Для того чтобы осуществить какое-нибудь действие, нейрон должен активизироваться вместе с сотней своих коллег. «Каждая из 100 биллионов нервных клеток может таким образом соединиться со 100 000 других нервных клеток. Невообразимое количество!»

Нейроны соединяются с огромной системой взаимосвязанных клеток. Эти системы имеют замысловатые соединения, как телефонная система, которая может выглядеть запутанной и не подчиняющейся никакому порядку, но на самом деле их связь осуществляет четко определенные функции. Нейроны могут связываться с другими нейронами в том же самом участке или с нейронами в других участках.

Эдна

Новые невральные соединения образуются при поступлении каждого отрезка информации, головной мозг на них реагирует, и старые модели перестраиваются в более новые. Этот процесс напоминает постоянный, неугомонный, многоаспектный разговор между различными участками головного мозга. Именно эти соединения возникают, когда изучается что-то новое или упрочняются старые воспоминания.

Формирование нейронов в головном мозге оканчивается перед рождением. Есть большая потребность в нейронах, и те нейроны, которые не начинают активный процесс образования систем, выталкиваются теми, которые энергично разрастаются.

В раннем детстве происходят стремительный рост ответвлений и образование связей и соединений, отчасти диктуемые генетическим кодом каждой клетки, но также и зависящие от индивидуального опыта каждого ребенка. Система продолжает развиваться на протяжении всей нашей жизни.

Различные участки для различных воспоминаний

Где в головном мозге хранятся наши воспоминания? Мы знаем, что в конечном итоге синапсы между нейронами записывают события нашей жизни, но какие нейроны? Являются ли они все одинаковыми и может ли любая информация храниться в любом месте?

Оказывается, что в головном мозге имеется много участков, у каждого из которых своя роль, но все они делают свой вклад в то, как мы воспринимаем и запоминаем события, информацию и умения.

Не существует одного участка головного мозга, который бы отвечал за память, а в представлении каждого отдельного события принимают участие многие участки головного мозга… Современная точка зрения на память состоит в том, что различные области хранят различные аспекты целого. В этих участках практически не бывает дублирования функций. Определенные отделы головного мозга имеют определенные функции, и …каждый делает свой вклад в хранение целых воспоминаний.

Каков в точности баланс между специализацией и взаимосвязью, ученые узнают постепенно, а мы можем лишь сравнить головной мозг с оркестром, а память – с симфонией. Ни один инструмент и даже несколько подобных инструментов не могут сыграть симфонию самостоятельно. Каждый музыкальный инструмент играет свою партию, а все вместе они создают объединенное целое.

Левое и правое полушария

Как тело практически симметрично, так же и два полушария головного мозга представляют собой практически зеркальное отображение друг друга. Правая часть полушария контролирует левую сторону тела, а левая часть полушария – правую сторону тела. Полушария соединены толстым сплетением нервных волокон, называемых мозолистым телом, которое проходит в средней части головного мозга. Человек не может полноценно функционировать, если любое из полушарий сильно повреждено (если только травма не была нанесена в раннем детстве, когда все еще существует гибкость в невральных сплетениях).

Полушария имеют небольшие различия в ментальных функциях: так левое полушарие специализируется на языках, а правое – на пространственном воображении. У левшей латерализация может быть обратной. Согласно современной точке зрения, головной мозг был изначально практически полностью симметричным и использование орудий труда и языка были основными силами в латерализации головного мозга древнего человека.

Каждое полушарие, по-видимому, имеет своеобразный способ обработки информации, и левое полушарие более аналитическое, а правое – более холистическое. Интересно заметить, что восприятие музыки часто осуществляется латерализацией для языка. Изображения мозга музыкантов записывались в течение нескольких лет их тренировок. В первое время не обучавшиеся любители музыки слушали ее более холистично, используя сенсорное восприятие и эмоции, наиболее активным было правое полушарие. По прошествии времени и по ходу их обучения, аналитические левые области головного мозга становились более доминантными, когда они слушали музыку. Язык глухонемых также интригует, так как он активизирует те же области мозга левого полушария, что и речь, хотя слова в языке для глухонемых визуально-пространственные, а не слуховые.