Елена Белова

Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Моим учителям

© Белова Е.М., текст, иллюстрации, 2021

© ООО «Издательство «Эксмо», 2022

Пролог: почему самоубийства удивляют сильнее квантовой физики

Голова — предмет темный и исследованию не подлежит.

Цитата из к/ф «Формула любви»

В 2017 году в селе Целинное в Курганской области произошла трагедия: 40-летний сварщик был убит взрывом. На территории предприятия по строительству и ремонту автодорог, где он работал, сварщик обнаружил списанную гаубицу и решил проверить, может ли она стрелять. Он не придумал ничего умнее, чем наполнить огнетушитель карбидом[1] с водой и зарядить им гаубицу. Взрыв самодельного снаряда почти оторвал ему голову.

Надо сказать, дикие обстоятельства этой истории заинтересовали не только Следственный комитет и новостные сайты. Неудачливый сварщик-артиллерист из российской глубинки стал одним из победителей премии Дарвина в 2017 году[2]. Компанию нашему соотечественнику составили другие, не менее достойные кандидаты: малазийский маг, сваривший себя заживо в гигантской сковороде с рисом и кукурузой во время ритуала очищения тела и души; две мексиканские девушки, решившие сделать селфи прямо на взлетно-посадочной полосе действующего аэропорта и убитые крылом приземляющегося самолета; грабитель, который решил пробраться в аптеку через крышу, по пути застрял и был задушен собственной одеждой, и еще десяток оригиналов, умудрившихся убиться разными необычными способами.

Люди завороженно читают истории победителей премии, недоумевая, как до такого вообще можно додуматься! Что происходит в головах у людей, когда они запихивают огнетушитель с взрывоопасной смесью в гаубицу или запирают себя в гигантской сковородке, стоящей на огне? Однако, если вдуматься, удивляет нас не изобретательность героев этих историй, точнее, не только она. Изобретательностью мало кого удивишь: люди смогли додуматься до теорий эволюции и относительности, радиоэлектроники и рентгенографии, блокчейна и виртуальной реальности, разобраться в строении атома и устройстве космоса. Человечество умеет придумывать куда более невероятные штуки, чем селфи в смертельно опасных местах. Но мы все равно завороженно читаем о фатальных глупостях, которые совершают люди по всему миру, и поражаемся им намного больше, чем изящным научным теориям и прорывным технологиям. Почему?

Средний вес человеческого мозга — 1,3 кг.

Все дело в том, что мозг нужен в первую очередь для выживания. Слух, зрение и обоняние помогают мозгу понять, что происходит вокруг, и быстро сориентироваться, где может быть опасность, а где можно от нее укрыться. Мозг посылает команды мышцам и управляет руками и ногами (или лапами, крыльями и хвостом), чтобы добежать до укрытия и не угодить в лапы к хищнику. Память помогает мозгу хранить информацию о том, чем лучше питаться и куда отправиться, чтобы добыть себе пищу, как добраться до водопоя и где поджидают опасности. Животные обзавелись мозгом потому, что он повышает шансы избежать неприятностей и благополучно дожить до того момента, когда можно будет оставить свои гены потомкам, чтобы они потом передали эту эстафету дальше.

Конечно, дело не ограничивается только мозгом: поговорка «Сила есть — ума не надо» намекает на то, что в природе есть множество способов занять свое место под солнцем. Кто-то пытается добиться своего силой, другие ставят на скорость («Сначала догони, потом убей»), броню или ядовитость — у каждого животного своя суперсила. Люди лишены мощных когтей, зубов и бронированных покровов, способных защитить от опасности; мы не умеем летать и не слишком быстро бегаем, мы великоваты, чтобы хорошо прятаться, и слабоваты, чтобы не приходилось этого делать.

Наше супероружие — разум. Люди анализируют ситуации и используют накопленный опыт, чтобы извлекать знания о том, как устроены вещи, а знания — чтобы решать проблемы и достигать своих целей. Человек не приспосабливается к окружающей среде — он приспосабливает ее под свои нужды. Мы заселяем пригодные и непригодные для обитания человека пространства и почти сразу создаем максимально комфортные для себя условия — с канализацией, отоплением, вайфаем и доской для мотивирующих стикеров.

К человеческому разуму прилагается еще одно незаменимое дополнение — речь. Люди не просто размышляют и накапливают знания, они обмениваются ими друг с другом. Информация — очень классная штука: делясь с другими, ты ничего не теряешь и можешь продолжать пользоваться ею дальше сколько угодно. Обмениваться знаниями очень выгодно: не обязательно самому совать руку в розетку, чтобы узнать, к чему приводит удар электрическим током. Мы можем пользоваться лайфхаками, придуманными кем-то еще, и избегать неприятностей, в которые вляпались другие, потому что нам рассказали об этом. Люди с интересом читают истории чужих несчастий, чтобы самим не угодить в беду.

Премия Дарвина — это подборка максимально нелепых историй, показывающих, что бывает, когда люди не задумываются о последствиях своих действий. И дело тут не в генах, а в банальном невежестве.

Обычно люди стараются прикинуть, к чему могут привести их действия, а если им не хватает информации, они стараются ее найти — самостоятельно или спрашивают тех, кому доверяют.

Знания бывают узкоспециализированными и универсальными: инструкции и рецепты объясняют, как действовать в конкретной ситуации, а универсальные знания — как вообще устроен мир. Такие знания помогают справляться с разными задачами, но требуют более широкого кругозора. Например, любители географии сориентируются без компаса на незнакомой местности, а зная биологию, человек не будет лечить вирус антибиотиками, предназначенными для бактериальных инфекций. Такие универсальные знания производит наука: с помощью наблюдений и экспериментов она проверяет, насколько работает то или иное объяснение и годится ли оно для предсказания явлений и процессов в будущем.

Наука отбирает полезные знания, которые помогают объяснять мир, и использует их в интересах человечества.

Лишь недавно наука разработала подходы, позволяющие исследовать человеческий мозг, не вскрывая череп, а еще технологии, способные добраться до любого нейрона в мозге животных и повлиять на его работу. Теперь нейробиологи ежегодно поражают людей новыми удивительными открытиями. Чтение мыслей, мозговые чипы, управляющие роботами, возвращение зрения и слуха — все это уже перебирается из области фантастики в сферу передовых нейротехнологий. И параллельно мы узнаем все больше о работе мозга. Наука помогает понять, как работает человеческий мозг, как мы воспринимаем мир и принимаем решения, какие процессы происходят за границами осознаваемого и как образ жизни и привычки влияют на наш мозг.

В этой книге я постаралась рассказать, как устроен мозг человека: чем заняты различные отделы внутри мозга, как мозг поддерживает процессы жизнедеятельности, каким образом в нем уживаются эмоции и холодный расчет, почему наше зрение иногда нас обманывает, как мы учимся новому и чем отличаемся от роботов и компьютеров. Надеюсь, что она поможет читателям лучше понять себя, разобраться с тем, как работает наша психика, увидеть особый смысл в таких простых, на первый взгляд, вещах, как сон и безделье, проникнуться сложностью и изяществом работы самого главного органа в человеческом теле, который делает нас людьми, — головного мозга.

Глава 1

Как устроен наш мозг

Что находится в основании мозга. Жизнь без головы: когда реальность оказывается невероятнее фантастики

10 сентября 1945 года фермер Ллойд Олсен отрубил голову цыпленку, как делал сотни раз до этого. Обстоятельства произошедшего обезглавливания противоречивы: одни источники утверждают, что цыпленок был предназначен для семейного ужина, другие говорят, что он был одним из десятков цыплят для продажи на мясном рынке [1, 2]. Как бы то ни было, мы точно знаем одно: на этот раз топор фермера прошел немного выше, чем обычно, и после обезглавливания цыпленок убежал с места расправы (вообще-то такое часто бывает с курами). Однако дальше случилось небывалое: Олсен оставил цыпленка на ночь в закрытой коробке, и когда на следующее утро вышел проверить, что с ним, обнаружил, что цыпленок все еще жив. Он спокойно переночевал, спрятав под крылом шею и то, что осталось от головы, и вроде бы совершенно не собирался помирать в ближайшее время.

Олсен дал необычному цыпленку имя Майк. Майк мог ходить и довольно ловко балансировать на жердочке, кроме того, он порывался кукарекать и чистить перья, но это уже выходило не так удачно. Заинтригованный фермер решил посмотреть, как долго сможет прожить цыпленок без головы. Он стал поить его через пипетку смесью воды с молоком и кормить, помещая зерна и червяков пинцетом прямо в пищевод Майка. Кроме того, Олсен регулярно удалял слизь.

Через неделю, когда стало ясно, что умирать в ближайшее время Майк так и не собирается, Олсен повез его в Университет Юты в Солт-Лейк-Сити. Ученые обследовали цыпленка и обнаружили, что основные системы жизнеобеспечения и рефлекторные центры в стволе головного мозга не были задеты, что и позволило Майку выжить.

Новость о случившемся быстро распространилась по местным газетам, а Олсен начал гастролировать с Майком, участвуя в представлениях бродячих цирков с необычным петухом. Олсен и Майк стали настоящими знаменитостями: их история и фотографии появились на страницах многих американских журналов. Умер Майк только через полтора года из-за случайности. По одной из версий, в трахею Майка каким-то образом попало зернышко, перекрыв доступ кислорода, и цыпленок задохнулся; по другой — трахею забила слизь, которую Олсен регулярно удалял, чтобы покормить цыпленка.

Он прожил без головы полтора года

* * *

Как же Майку удалось выжить? Лезвие топора не задело яремную вену, и цыпленок лишился лишь части головы: то, что было ближе к шее, включая ствол головного мозга, осталось невредимым. Кроме того, цыпленку еще раз крупно повезло: кровяной сгусток на отрубленной шее образовался достаточно быстро, предотвратив массивную кровопотерю, которая могла бы закончиться смертью птицы.

Курицы — довольно безмозглые птицы, у них в принципе нет извилин и вообще не так уж много серого вещества выше уровня глаз — основная масса нервной ткани находится как раз в основании черепа.

Скорее всего, фермер удалил не более пятой части мозга Майка, оставив неповрежденными примерно 80 % мозга по массе (и, как выяснилось, почти 100 % по функционалу) [2].

Как известно, куры совершенно не отличаются сообразительностью и полагаются в основном на рефлексы и простые автоматические действия — этого достаточно, чтобы спать, ходить, находить в земле и клевать еду (тут Майку мешало скорее отсутствие клюва, а не мозгов), пытаться чистить перья (опять-таки, не хватало клюва) и убегать в случае опасности.

Чтобы жить жизнью курицы, вовсе не обязательно иметь кору головного мозга — с большинством задач они справляются безо всякого обучения и мышления, полагаясь на врожденные программы поведения, «зашитые» на подкорке.

Самые важные для выживания и поддержания жизнедеятельности структуры расположены ближе к шее — они называются «ствол головного мозга».

Как устроен ствол головного мозга

Хотя внешние очертания головного мозга по мере его развития меняются до неузнаваемости, в общем плане его строения есть практически неизменные характерные особенности, вне зависимости от того, чей именно мозг мы рассматриваем (конечно, если дело касается позвоночных животных). По иронии судьбы у безголового Майка как раз уцелевшие отделы мозга были сравнительно похожи по строению на такие же отделы в человеческом [3]. С другой стороны, те части, которых лишилась эта очень везучая курица, у человека, наоборот, чрезвычайно разрослись и занимают внушительную часть общего объема — благодаря им мы гораздо умнее не только кур, но и более мозговитых шимпанзе, бонобо[3] и горилл.

Цыпленок Майк прожил полтора года без головы и умер лишь из-за досадной случайности.

Ствол мозга расположен в самом основании черепа: если смотреть снизу вверх, он идет от спинного мозга, спрятанного внутри позвоночника, и упирается в парную структуру — правый и левый таламусы (вместе с большими полушариями они относятся уже не к стволу, а к переднему мозгу). В стволе мозга происходит интеграция информационных потоков от головы к телу и от тела к голове, контроль основных жизненных функций, оценка общего состояния организма и поддержание нужного уровня бодрости. От ствола мозга отходят десять из двенадцати пар черепных нервов, которые в основном участвуют в обмене информации с головой и шеей, однако один из этих нервов — блуждающий — в том числе управляет работой гладких мышц в грудной клетке и брюшной полости.

Строение ствола головного мозга довольно схоже у птиц и людей

Если черепные нервы в основном соединяют мозг с головой и шеей, то большая часть сообщения с телом ниже шеи происходит через спинной мозг. Его можно представить как магистральное шоссе, соединяющее мозг с остальным организмом: через него проходят пучки афферентных нервных отростков (они сообщают отделам головного мозга о том, что происходит с телом) и пучки эфферентных нервных волокон (передают информацию от мозга обратно к телу). Основную часть этих эфферентных путей составляют отростки мотонейронов, которые управляют мышечными сокращениями, — например, дирижируют мельчайшими сокращениями мышц пальцев, когда нам необходимо перелистнуть страницу книги или напечатать сообщение другу, или координируют мышцы ног, корпуса и рук, когда спортсмен пытается установить рекорд по прыжкам в высоту. Однако в спинном мозге есть и проводящие пути вегетативной нервной системы. Она управляет состоянием внутренних органов и кровеносных сосудов и настраивает режим работы организма: начиная от максимальной боевой готовности, необходимой спортсмену во время соревнований, вплоть до полной расслабленности и покоя, которые особенно хороши, когда нужно восстановить запас сил, переварить съеденную пищу или подремать.

Продолговатый мозг — ворота в головной мозг человека

Где именно заканчивается спинной мозг и начнется головной (продолговатый), определить не так-то просто. Никакой четкой границы нет: все выглядит так, словно спинной мозг постепенно утолщается и разрастается, плавно переходя в следующий отдел. Обычно границу проводят на уровне затылочного отверстия — там, где тяж нервной ткани выходит за пределы черепа. Немного выше на поверхности ствола уже появляются многочисленные отдельные парные «веточки» черепных (или черепно-мозговых) нервов, о них мы поговорим чуть ниже. Продолжая сравнение с деревом, можно сказать, что «крона» головного мозга находится еще выше, скрывая от взгляда исследователя самую верхнюю часть ствола. По большому счету, ствол мозга — это полноправная (и, как мы убедились, чрезвычайно важная) часть головного мозга. Даже небольшие повреждения на этом уровне грозят по-настоящему тяжелыми и трагическими последствиями, чего не скажешь о большинстве других отделов [4].

Мозговой ствол — это входные ворота практически для всей информации, поступающей в мозг. Через них же информация отправляется и в обратном направлении: от мозга ко всем органам и тканям.

Поверхность тела особенно богата всевозможными рецепторами, которые определяют температуру (терморецепторы), силу натяжения или давления на поверхность кожи (механорецепторы) и всевозможные повреждения в тканях (болевые рецепторы). Механорецепторы есть не только на коже; специальные их типы расположены в стенках кровеносных сосудов, сердца и полых органов типа желудка (благодаря этому мы чувствуем тяжесть, когда съели слишком много). Механорецепторы в мышцах и связках помогают мозгу оценить, насколько напряжена каждая мышца и как они расположены относительно друг друга. Такие мышечные механорецепторы называются проприоцепторы — они очень важны для правильной координации движений. Если канал связи между мозгом и проприоцепторами прерван, люди не могут нормально двигаться: они буквально теряют управление над мышцами и те ведут себя довольно не предсказуемым для человека образом.

Фактически единственный орган, до которого мозг не дотягивает свои чувствительные нервные окончания, — это… он сам. Мы прекрасно ощущаем, если вдруг в нашем теле что-то «сломалось»: порезана кожа, сломана кость, воспален какой-то внутренний орган — на поверхности и в глубине организма расположены миллионы болевых рецепторов, которые следят за тем, чтобы все находилось в целости и сохранности. Однако в мозге болевых рецепторов нет: именно это позволяет нейрохирургам проводить операции на открытом головном мозге, пока пациент находится в сознании, и не повредить ненароком важную его часть, удаляя опухоль, сосудистую аномалию или участок измененной ткани мозга, которая является причиной эпилептических приступов.

Как и на любой большой магистрали, потоки входящей и выходящей информации вдоль продолговатого мозга и далее в глубь ствола разведены. Сенсорная информация от тела к мозгу идет по тяжам нервных волокон, которые находятся ближе к спине и затылку, а двигательная — от мозга к телу, — наоборот, идет вдоль передней (брюшной) части ствола, расположенной ближе к лицу. Сигналы к мышцам переносят столько нервных волокон, что они образуют очень заметные вздутия на передней поверхности продолговатого мозга — их называют пирамидами. В пирамидах двигательные волокна от первичной моторной коры правого и левого полушария перекрещиваются: кора справа управляет мышцами слева, и наоборот. Различные типы волокон, соединяющие тело с мозгом, перекрещиваются в разных точках вдоль оси нашего тела: такое положение вещей помогает неврологам правильно определить место поражения в нервной системе с помощью оценки того, как нарушается подвижность и чувствительность в разных частях тела пациента.

Помимо того, что продолговатый мозг служит точкой транзита для внушительных потоков информации, которой тело и мозг постоянно обмениваются, у него есть и собственные очень важные задачи.

В продолговатом мозге расположены центры, отвечающие за множество автоматических процессов и рефлекторных реакций. Они обеспечивают правильную работу многих процессов, необходимых для постоянства внутренней среды. Множество небольших скоплений нервных клеток в основании мозга непрерывно следят за тем, как сокращается наше сердце, как идут процессы газообмена — сколько в крови кислорода и углекислого газа, какое сейчас кровяное давление. Если что-то идет не так, центры в продолговатом мозге немедленно запускают рефлекторные реакции, призванные поправить положение дел. В крови не хватает кислорода и многовато углекислого газа? Будем дышать чаще и глубже. Хемочувствительные клетки регулируют не только дыхание и сердцебиение, но и могут запускать рвотный рефлекс, если в крови появляется что-то подозрительное (это очень разумно, учитывая, что самый простой способ отравиться — это съесть что-нибудь ядовитое или протухшее). Кроме нейронов, запускающих рвотный рефлекс, здесь находятся группы нейронов, управляющих другими защитными реакциями: кашлем, чиханием и глотанием.

Правому и левому полушариям мозга дельфинов приходится спать по очереди, иначе дельфин задохнется.

Все эти процессы запускаются без каких-либо сознательных усилий — во-первых, внимание лучше занять более интересными вещами, а во-вторых, все это слишком важно, чтобы сделать произвольным: если человек отвлечется и не успеет вовремя закашляться, когда в трахею что-то попало, он рискует умереть от удушья. Или, например, представьте, что нам приходилось бы сознательно контролировать каждый вдох и выдох от рождения до самой старости — мягко говоря, безрадостная перспектива (особенно с учетом того, что примерно треть жизни мы вообще проводим в «отключке» — во сне — и ничего не можем сознательно контролировать).

Мост и мозжечок

Выше продолговатого мозга начинается следующий отдел — это задний мозг, где расположены мост и мозжечок. Мост — это что-то вроде большого транспортного узла, через который проходит множество нейронных отростков: снизу вверх, сверху вниз, слева направо и справа налево. В основании моста вдоль ствола лежит кортикоспинальный тракт — нервные волокна, которые идут от моторной коры, управляющей сознательными движениями, к спинному мозгу — сверху вниз. Кроме того, в поперечном направлении через мост идет часть проводящих путей, соединяющих правую и левую части мозга.

Особенность работы нашего мозга в том, что левое полушарие отвечает за движение и чувствительность правой половины тела и наоборот. Мост (наряду со спинным и продолговатым мозгом) служит одной из тех точек, где нервные волокна от нейронов, управляющих движениями мышц или несущих информацию от них, пересекают срединную линию, соединяя противоположные половины тела и головного мозга. На уровне моста двигательная информация, которую подкорковые двигательные отделы отправляют вниз к телу, меняет сторону движения на противоположную. В глубине головного мозга есть множество отделов, помогающих моторной коре управлять телом. Они формируют экстрапирамидную систему (в отличие от пирамидной, которая отвечает за сознательные движения), а также берут на себя управление автоматическими действиями и следят за мышечным тонусом, а моторная кора контролирует действия, совершаемые произвольно.

Мозжечок получает собственные копии информации, отправляющейся от мозга к телу и от тела к мозгу. Он сравнивает «желаемое» (то, какое движение нам хотелось бы совершить) с «действительностью» (тем, какое движение мы на самом деле совершаем), вносит коррективы в двигательные команды и отправляет свои «пожелания и предложения» в первичную моторную кору и спинной мозг, управляющие мышцами.

В отличие от больших полушарий, полушария мозжечка контролируют движения именно со своей стороны тела: когда мы делаем что-то правой рукой, нашими движениями управляют правая половина мозжечка, но левая половина двигательной коры больших полушарий. Двигательный контроль в мозге осуществляется в буквальном смысле наперекосяк, по нескольку раз пересекая срединную линию между правой и левой половинами мозга.

Мозжечок находится как раз сверху над мостом, отделенный от него четвертым желудочком — это самая нижняя из полостей мозга со спинномозговой жидкостью. У мозжечка, словно у жучка, есть три пары ножек — верхние, средние и нижние (а у большого мозга, как и у человека, ножек всего одна пара). Ножки состоят из белого вещества — проводящих волокон, связывающих мозжечок с другими отделами нервной системы, которые управляют движениями, формируя потоки входящей и выходящей информации. Нижние и средние ножки работают на вход, то есть несут информацию от спины и мозгового ствола и от коры головного мозга, соединяя мозжечок с мостом; верхние ножки работают на выход: отправляют обработанные в мозжечке сигналы обратно к другим отделам в среднем мозге, таламусе и больших полушариях.

Как известно, мозжечок играет ключевую роль в координации движений (об этом мы поговорим в разделе про движения). Тем не менее задачи мозжечка не ограничиваются только ролью дирижера, который каждое мгновение следит за тем, насколько сокращена или расслаблена каждая из нескольких сотен мышц в нашем теле. Мозжечок важен для переключения внимания между слуховыми и зрительными стимулами, а еще он во многом отвечает за наше восприятие времени.

Отделы заднего мозга координируют позу и осанку, помогают нам быстро вернуть потерянное равновесие. Кроме движений тела, нейроны заднего мозга управляют мимикой и речью, а также многими рефлекторными движениями глаз. Например, когда мы смотрим на пейзаж, проносящийся за окном поезда, наши зрачки чрезвычайно быстро перемещаются из стороны в сторону, позволяя фиксировать отдельные детали в зрительном поле. Такие быстрые неосознаваемые рефлекторные движения глаз называются саккадами. Они помогают нам фокусировать взгляд и не терять ориентацию, координируя между собой движения корпуса, шеи и глаз, когда мы активно двигаемся и одновременно следим за другими перемещающимися объектами.

В мосту, как и в продолговатом мозге, есть свой центр, контролирующий дыхание. Он координирует вдохи и выдохи с другими автоматическими движениями типа жевания и глотания, блокируя вдох, когда пища отправляется из ротовой полости в пищевод. Еще в заднем мозге находится центр, управляющий парадоксальным сном (с быстрыми движениями глаз), — об этом мы поговорим подробнее в разделе о сне.

Средний мозг

Средний мозг — самая высокоуровневая из структур мозгового ствола. Верхняя часть среднего мозга называется крышей; но состоит она не из черепицы, а из холмиков (или бугров). Всего бугров четыре: нижняя пара занимается слуховыми сигналами, верхняя — зрительными. Четверохолмие на крыше мозга играет важную роль в ориентировочных рефлексах: благодаря этим структурам мы можем быстро определить источник новых и заметных сигналов — обернуться на шум или перевести взгляд туда, где замигала лампочка. Особенность этих ориентировочных рефлексов в том, что они происходят без участия сознания. Люди, потерявшие зрение из-за повреждений зрительной коры, тем не менее фиксируют взгляд на неожиданной яркой вспышке света, хоть и не осознают того, что что-то увидели. Все потому, что зрительная информация достигает верхних холмиков независимо от зрительной коры.

Еще выше четверохолмия находится эпифиз — так называемый третий глаз. Он маркирует верхнюю границу между таламусом и стволом, снизу граница проходит вдоль зрительного тракта. Эпифиз чувствителен к световому режиму — тому, когда и сколько света мы видим в течение дня.

В темноте эпифиз вырабатывает мелатонин, который работает как мягкое снотворное, синхронизируя суточные ритмы активности с режимом освещения.

В среднем мозге полость четвертого желудочка сужается и формирует узкий канал со спинномозговой жидкостью под крышей мозга — водопровод. Крыша мозга — это его «потолок», а «пол» этого канала выстилает покрышка мозга. Она состоит из ядер для третьего и четвертого черепных нервов, которые как раз управляют движениями глаз, и представляет собой часть ретикулярной формации (см. ниже).

Отделы среднего мозга участвуют в управлении движениями глаз: они особенно важны для вертикальных движений зрачков, а также контролируют их размер, позволяя глазу адаптироваться к темноте или яркому свету. Здесь также есть центры, связанные с позой и локомоцией. Можно сказать, что все отделы ствола мозга контролируют положение нашего тела в пространстве, но каждый из них играет свою особую роль. Например, повреждения продолговатого мозга могут нарушить чувство равновесия — человек в этом случае постоянно раскоординирован и теряет баланс, мучаясь от головокружений. Повреждения на уровне среднего мозга тоже нарушают контроль положения тела, но в этом случае человек скорее будет принимать ненормальные, но стабильные позы, не теряя равновесия.

В глубине среднего мозга есть небольшой канал для спинномозговой жидкости — это водопровод (или Сильвиев водопровод). Спинномозговая жидкость омывает мозг, поддерживает нужный водно-солевой баланс и снабжает нервные клетки всем необходимым (например, в ней содержатся нейроэндокринные факторы, необходимые для нормальной работы нервных клеток), а еще она работает канализацией, отводящей от нервных клеток продукты жизнедеятельности и токсины. Закупорка этого канала чревата гидроцефалией, то есть избыточным накоплением жидкости в мозге, увеличенным внутричерепным давлением и другими неприятностями. Кроме того, вокруг этого канала сосредоточена важная группа нервных клеток — центральное серое вещество (ЦСВ).

В центральном сером веществе есть нейроны, производящие естественные анальгетики мозга — энкефалины, способные регулировать восприимчивость к боли. Например, очень важно снизить болевую чувствительность, когда предстоит схватка с врагом или бегство от хищника: в таких напряженных условиях все силы и внимание необходимо сосредоточить на противнике — отвлекаться на ссадины и царапины, когда убегаешь от собаки или отбиваешься от хулигана, не только глупо, но и опасно. Когда угроза уйдет, можно будет оценить размер ущерба, а пока погоня или драка не окончены, надо сделать все возможное, чтобы выстоять и оказаться в безопасности.

Внутри мозга нет рецепторов, поэтому операции на мозге нередко проводят в сознании — человек ничего не чувствует.

Еще центральное серое вещество активно участвует в управлении разными формами защитного поведения. От того, какие клетки активны внутри ЦСВ, критически зависит наша реакция на угрозу. Как известно, есть те, кто в момент опасности скорее мобилизуется и бежит/дерется, а есть те, кто при встрече с угрозой застывает на месте и не способен пошевелиться. Так вот, когда у нас неприятности, активную жизненную позицию обеспечивают нейроны ЦСВ, расположенные сверху и по бокам от канала со спинномозговой жидкостью, а вот за паралич воли отвечают нейроны снизу (чуть ближе к месту соединения со спинным мозгом). В такой реакции на опасность тоже есть свой смысл: иногда «прикинуться ветошью» и переждать гораздо разумнее, чем кидаться наутек, гарантированно привлекая к себе внимание врага. К сожалению, когда речь доходит до выбора стратегии поведения, древние структуры в продолговатом мозге руководствуются своей внутренней логикой и совершенно не прислушиваются к тем доводам, которые появляются на следующих уровнях иерархии. Как бы мы ни убивались по поводу того, что не смогли пошевелиться от страха, когда надо было отважно кинуться в схватку (ведь правда на нашей стороне), скорее всего, в следующий раз по-настоящему серьезная буря эмоций опять отключит доводы разума, предоставляя управление горстке нейронов в самой глубине мозга [5].

Ретикулярная формация

Вдоль всего ствола мозга проходит ретикулярная формация — это нервная ткань, в которой нейроны и их отростки расположены хаотично, а не упорядоченными группами и отходящими от них пучками, как в остальном мозге [6, 7]. Это придает нервной ткани сетчатую структуру: «ретикулярный» и переводится с латыни как «сетчатый». Ретикулярная формация объединяет части продолговатого мозга, моста и среднего мозга в единую систему, идущую от спинного мозга к таламусу. Она способна менять режим работы всего организма, регулируя уровень бодрости и концентрации внимания, которые человек способен проявить.

Ретикулярная формация проходит через сердцевину ствола мозга и получает информацию от всех сенсорных и двигательных систем и отделов мозга, расположенных неподалеку. Это одна из древних систем выживания, которая координирует рефлексы и простые формы поведения, она задает ритм сердечных сокращений, управляет чередованием вдохов и выдохов, контролирует темп выполнения простых стереотипных движений.

В ретикулярной формации находятся группы клеток, вырабатывающие важные нейромедиаторы — ацетилхолин и моноамины серотонин, дофамин и норадреналин. Они связаны с мотивацией, настроением, энергичностью, возбуждением. Здесь же расположены группы нервных клеток, контролирующие пульс, артериальное давление и пищеварение, восприятие боли, частоту и глубину дыхания (когда мы не следим за вдохами и выдохами), положение и перемещение тела в пространстве, напряженность мышц, режим сна и бодрствования. Кроме того, координируются процессы, способные по первому тревожному сигналу быстро перевести человека в режим боевой готовности: только что человек клевал носом, развалившись на диване, не мог сосредоточиться на книге, но вдруг страшный грохот в соседней комнате словно переключает невидимый тумблер. Человек тут же вскакивает, напряженно оглядываясь: сон как рукой сняло, сердце бешено стучит, все внимание поглощено тем, что же случилось за дверью. Такую неспецифическую реакцию на неожиданные и заметные внешние стимулы обеспечивает как раз активирующая система внутри ретикулярной формации.

Черепные нервы

Все черепные нервы, за исключением первых двух пар — обонятельного и зрительного, — входят в мозг на уровне мозгового ствола [5]. Черепные нервы — обязательный пункт программы для студентов, изучающих нейробиологию: во-первых, через них мозг получает информацию от органов чувств: обонятельный, преддверно-улитковый и зрительный нервы несут информацию о запахах, звуках и том, что происходит в поле нашего зрения, а отдельные части лицевого, языкоглоточного и подъязычного нервов отвечают за вкусовое восприятие. Кроме того, через черепные нервы мозг управляет мышцами головы и шеи. Благодаря этому мы можем не только жевать, показывать язык и улыбаться, но и переводить взгляд с объекта на объект, а еще крутить головой и пожимать плечами. Единственная белая ворона в дружной семье черепных нервов, контролирующих голову и шею, — это блуждающий нерв. Он тоже берет на себя некоторые «головные» функции — иннервирует глотку и гортань, собирая сенсорную информацию и передавая обратно двигательную. Однако самые длинные его отростки уходят далеко вниз, к органам грудной клетки и брюшной полости: он успокаивает пульс, расслабляет кровеносные сосуды и активизирует пищеварение, когда организм переключается из режима «бей и беги» в режим «отдыхай и переваривай».

У человека 12 пар черепных нервов, и 10 из них отходят от ствола головного мозга

Черепные нервы оканчиваются в ядрах — специализированных группах клеток, которые получают или отправляют информацию по своим нервам. Ядра, расположенные в стволе мозга, чрезвычайно важны для нормальной работы всех черепных нервов, за исключением обонятельного.

Бабочка, запертая в скафандре

«Скафандр и бабочка» — это название книги, которая вышла во Франции 7 марта 1997 года. Ее автор, Жан-Доминик Боби, диктовал текст рукописи в течение многих месяцев, будучи запертым в собственном теле [4].

Боби работал главным редактором журнала Elle до декабря 1995 года, когда в результате обширного инсульта в области ствола головного мозга он впал в кому. Через 20 дней он пришел в сознание, однако обнаружил, что не может пошевелиться — повреждения в области моста привели к полному двигательному параличу. Инсульт разъединил верхнюю часть ствола и переднюю часть мозга с тем, что располагалось ниже: нижней частью ствола, спинным мозгом и остальным телом. Помимо того что Боби не мог пошевелить телом, он не был способен жевать и глотать и за 20 недель потерял 27 кг. Единственное, чем Боби мог управлять произвольно, были движения левым глазом.

Несмотря на тяжесть своего состояния, Боби полностью сохранил высшие нервные функции: он продолжал чувствовать и мыслить, мучительно переживая то, что теперь бабочка его разума заперта в скафандре тела, управлять которым он больше не мог.

Инсульт в области моста частично повредил способность Боби ощущать свое тело и лицо, но не до конца: он чувствовал онемение, покалывание и жгучую боль в отдельных частях тела.

Жан-Доминик Боби хотел поделиться с миром своей историей. Используя для связи с миром единственную возможность произвольного движения — моргание глазом, — Боби смог надиктовать текст своей книги с помощью ассистентки. Она диктовала буквы французского алфавита, а Боби моргал, когда слышал нужную ему букву.

«До тех пор мне никогда не доводилось слышать о мозговом стволе. В тот день я совершенно неожиданно обнаружил для себя эту основную деталь нашего бортового компьютера, непременную связующую нить между мозгом и нервными окончаниями, когда сердечно-сосудистое нарушение вывело вышеупомянутый ствол из строя. Прежде это называли кровоизлиянием в мозг, и от этого попросту умирали. Развитие реанимационных технологий усовершенствовало кару. Выжить можно, но при этом заполучишь то, что англосаксонская медицина и окрестила как раз locked-in syndrome: парализованный с головы до ног пациент замурован в собственном теле, он мыслит, но этого не видно, и единственным средством общения становится левый глаз, которым человек может моргать» [8].

Спустя два дня после выхода своей книги Жан-Доминик Боби умер от пневмонии. Его книга стала бестселлером: она была издана в 30 странах миллионными тиражами.

Полтора года жизни, уготованные безголовому цыпленку Майку, сохранившему невредимым ствол и лишившемуся передних отделов мозга, и полтора года жизни, которые суждено было прожить писателю Жану-Доминику Боби после повреждений в стволе, разительно отличались — как отличаются и задачи тех отделов, что поддерживали в них эту жизнь.

Глава 2

Что находится выше мозгового ствола? Краткий путеводитель по строению мозга

Рассказ о мозге невозможен без знакомства с терминологией. Если мы хотим научиться ездить на автомобиле, неплохо бы отличать капот от багажника, пассажирское кресло — от кресла водителя, выучить, где находятся педали тормоза, газа и переключения передач, а также названия и смысл деталей, рычагов и кнопок, которые придется использовать водителю. Иначе инструктор просто не сможет объяснить нам, как всем этим пользоваться.

С мозгом примерно так же: наша психика устроена очень сложно, а мозг «оборудован» множеством важных штучек, отвечающих за те или иные процессы.

Задачи, кажущиеся простыми, решаются благодаря сложным процессам внутри мозга, большинство из которых мы даже не осознаем.

Казалось бы, чего проще — узнать знакомого в толпе людей; найти нужный подъезд в незнакомом районе по сбивчивым описаниям родственников; сразу понять, что сегодня не стоит заводить разговор с начальником о повышении зарплаты или пройти по бордюру в обход лужи, перескочив по пути особо грязную и скользкую секцию, и не потерять равновесия. Однако все это процессы невероятной сложности — разработчикам компьютеров не удается добиться таких высот от роботов, хотя те могут мгновенно вычислить корень четвертой степени из ста сорока семи или извлечь из памяти файл, загруженный на жесткий диск семь с половиной лет назад (и даже выдать список всех файлов, созданных или измененных в тот день).

В общем, наш мозг — удивительный и сложный орган, который умеет справляться с невероятным разнообразием хитроумных задач (хоть они и кажутся нам заурядными и простыми). Чтобы в самых общих чертах описать, как устроен и работает наш мозг, нужно для начала знать названия основных частей и отделов, о которых пойдет речь дальше[4].

Общее устройство мозга отражает процессы его формирования. Наша нервная система состоит из головного и спинного мозга и множества нервных волокон, которые соединяют их со всеми органами и тканями. У зародыша нервная система изначально закладывается как бороздка из складок кожи на спине. Этот желобок углубляется, а затем окончательно погружается в толщу тела и становится нервной трубкой, дающей начало спинному мозгу, расположенному в глубине позвоночника. В полости этой трубки находится спинномозговая жидкость, которая очень важна для нормальной работы нервной системы.

Наш головной мозг развивается из системы пузырей на конце нервной трубки — она сложным образом сворачивается и изгибается внутри зародыша, поскольку места в голове не так уж и много. Но если мысленно выпрямить развивающийся головной мозг, можно разобраться, к каким отделам относятся разные его структуры. У человека конечный мозг разрастается особенно сильно — это то, что мы называем большим мозгом или большими полушариями мозга. По мере развития большого мозга почти все остальные его отделы прячутся под «шапкой», к тому же еще изгибаются вслед за направлением роста, образуя систему дуг и арок (это можно заметить на следующей картинке). Полости со спинномозговой жидкостью внутри пузырей образуют желудочки головного мозга.

Спереди на конце нервной трубки формируется пузырь (точнее, сразу несколько, расположенных один за другим): это «заготовка» для будущего головного мозга. Постепенно его форма усложняется, а по бокам формируются все более сложные отростки. Передний отдел разрастается особенно сильно, вырастая сначала вверх и немного загибаясь назад, — именно так закладывается и начинает расти головной мозг. Однако отделы, расположенные под покровом конечного мозга, не так уж сильно отличаются у людей по сравнению с другими млекопитающими. Чем ближе к спинному мозгу, тем больше сходство в строении и работе отделов мозга. Общий принцип строения головного мозга позвоночных животных можно описать так. В центре у основания головного мозга расположены самые древние отделы, которые появились в эволюции раньше всего и отвечают за простые автоматические процессы и формы поведения. Ближе к конечным отделам по мере продвижения к поверхности мозга появляются все более сложные отделы, тут выше изменчивость в строении и назначении — это те отделы, которые появляются в эволюции намного позже и во многом обеспечивают специфические для каждого вида задачи [1].

Через мозговой ствол курсирует значительная часть информации, передаваемой от мозга к органам.

Неровная и бугристая, изрезанная бороздами и извилинами часть, которую иногда принимают за собственно мозг, — это все-таки лишь одна из частей нашего головного мозга. Неудивительно, что ее называют большим мозгом (как бы противопоставляя маленькому мозгу — мозжечку). Снаружи большой мозг покрыт корой — серым веществом толщиной несколько миллиметров, в котором «сидят» тела нервных клеток, в то время как их длинные отростки образуют белое вещество[5] под поверхностью коры. Кора большого мозга разделена на два полушария — правое и левое. Они соединены крупными пучками проводящих путей, через которые оба полушария обмениваются информацией — это мозолистое тело.

Хотя большинство людей не задумываются о том, что еще есть в головном мозге, кроме двух больших полушарий, «под покровом» большого мозга скрывается множество других очень важных структур. Не все, что находится под поверхностью коры, относится к белому веществу, которое только проводит информацию, — внутри есть «начинка» из серого вещества, разделенная на множество мелких и крупных включений. Такие скопления тел нервных клеток обычно компактно расположены и называются подкорковыми ядрами. Каждая пара ядер внутри мозга — по одному справа и слева — выполняет собственные задачи, образуя сети с другими подкорковыми структурами и участками коры.

Весь мозг представляет собой гигантскую сеть распространения и обработки сигналов, состоящую из десятков миллиардов узлов — отдельных нейронов, сгруппированных в разных отделах подкорки и коры в соответствии с теми задачами, которые они выполняют.

Вообще говоря, именно подкорковые ядра чрезвычайно важны для многих ключевых задач, которые решает мозг, обеспечивая наше выживание и жизнедеятельность. А кора, в свою очередь, отвечает за все наши чисто человеческие функции, которые разительно отличают нас от животных. В коре есть участки, где формируются речь, арифметические навыки, умение читать и способности к абстрактному и логическому мышлению. Кора головного мозга (неокортекс) обеспечивает прежде всего обучение новому.

Тем не менее оказалось, что жить можно и без коры головного мозга (правда, в этом случае речь идет не о людях, а о братьях наших меньших — зверях с более просто устроенным неокортексом). В первой половине XX века ученые проводили эксперименты на животных, изучая как в мозге формируются условные рефлексы и где происходит обучение. В этих экспериментах крысам, кроликам и собакам полностью удаляли кору с поверхности головного мозга, а после восстановительного периода изучали их поведение. Оказалось, что звери вполне способны выжить и прожить довольно долгое время после того, как им полностью удалили кору [2]. Все потому, что базовые программы поведения, включая рефлексы, стандартную повседневную активность и даже мотивацию и настроение животных, кодируют подкорковые структуры мозга.

Что находится внутри полушарий большого мозга?

Промежуточный мозг: таламус, гипоталамус, гипофиз

В основании больших полушарий лежит промежуточный мозг, чью основу составляют таламус и гипоталамус. Это небольшая отдельная часть в составе переднего мозга наряду с конечным — к нему как раз относятся большие полушария и еще несколько структур внутри них.

Мозговой ствол, о котором мы говорили в предыдущем разделе, сверху упирается в два овальных таламуса. Они расположены практически в самой сердцевине мозга и соединяют органы чувств (кроме обоняния) с другими его отделами.

Таламус — своеобразный информационный центр управления внутри переднего мозга [3]. Почти вся информация от органов чувств (за исключением запаховой) сначала попадает в таламус, проходит там начальную обработку и сортировку и только после этого отправляется в свой отдел коры головного мозга. Обоняние — единственное исключение из правил: обонятельные луковицы, отвечающие за вкусы и запахи, относятся к лимбической системе (о ней мы еще поговорим подробнее) и отправляют информацию непосредственно к обонятельной коре в обход таламуса.

Внутри таламуса находится два десятка различных ядер, каждое из которых отвечает за свой набор задач. Часть ядер работает в основном с внешней информацией от органов чувств, другие участвуют в двигательном контроле, есть отделы, соединяющие друг с другом различные участки коры больших полушарий. Что происходит с информацией, которая попала из таламуса в кору? После обработки она опять поступает в таламус, и он вновь оценивает ее, выделяя в огромном сенсорном потоке сигналы, на которые сейчас стоит обратить внимание, и отсеивая те, что пока можно проигнорировать.

Внутри таламуса работает что-то вроде фильтра — он помогает переключать внимание с одного потока информации на другой: например, если нам наскучил разговор и мы стали разглядывать симпатичную картину на стене, таламус «прикручивает тумблер» для звуковой информации и пропускает в первую очередь зрительную информацию, которая сейчас нам важнее и интереснее.

Нейронаука умеет исследовать человеческий мозг, не вскрывая череп.

Когда мы замечаем, что кто-то в обсуждении называет наше имя, таламус опять переключает фильтры входящей информации в прежний режим, мы забываем про картину и снова включаемся в беседу.

Фактически таламус играет важнейшую роль в том, куда будет направлен фокус нашего внимания, что именно достигнет осознания и послужит пищей для размышлений.

Под таламусом расположены гипоталамус и гипофиз — они связывают мозг с эндокринной системой, управляя выработкой большинства гормонов.

Гипоталамус — это небольшая зона мозга возле основания таламуса (спереди и книзу от яйцевидного таламуса). Он тесно связан с остальными зонами в среднем и переднем мозге и состоит из множества мелких ядер, каждое из которых специализируется на том или ином аспекте нашего поведения или работы внутренних органов.

Гипоталамус контролирует постоянство внутренней среды организма и запускает инстинктивные программы и потребности, когда нам требуется восстановить ресурсы.

В крови мало сахара? Гипоталамус активирует центры голода. В кровотоке избыток солей? Надо подключить центры жажды, чтобы восполнить недостаток воды в организме. Специальные центры в гипоталамусе следят за температурой тела и кровяным давлением, аппетитом, жаждой, уровнем активности.

Ядра гипоталамуса играют важную роль, когда речь заходит о сексуальном возбуждении или нужно запустить материнский инстинкт.

Клетки гипоталамуса важны и для грудного вскармливания, и для формирования нежной привязанности и заботы между родителем и ребенком.

Одним словом, гипоталамус следит за тем, чего нам сейчас остро не хватает, и старается сделать так, чтобы в организме было достаточно воды и питательных веществ, поддерживались постоянная температура и кровяное давление, чтобы мы могли эффективно справляться с задачами выживания и размножения — короче говоря, чтобы все было в порядке и работало, как следует.

Одна из главных задач гипоталамуса заключается в управлении небольшой железой прямо под ним — это гипофиз, который следит за тем, как и когда в организме вырабатываются гормоны.

Гормональная регуляция для поведения не менее важна, чем мышечный контроль: гормоны действуют намного медленнее, но позволяют скоординировать режимы работы всех систем органов, обеспечивая слаженную деятельность всех систем организма.

А еще гипоталамус контролирует реакцию «бей или беги», которая проявляется, когда нам угрожает опасность, — выделяющиеся здесь вещества регулируют выработку гормонов в эндокринной системе и помогают всем органам скоординироваться и переключиться в режим боевой готовности. К сожалению, гипоталамус и система ответа на угрозу не слишком разбираются в том, какая именно опасность нам угрожает. Тысячи лет назад наши предки при встрече с медведем или тигром спасались только благодаря эндокринной системе: выделявшийся адреналин разгонял пульс, помогал поднять кровяное давление и давал энергию для работы мышц, чтобы древние люди смогли спастись от хищника, а кортизол готовил организм на тот случай, если неприятности продлятся дольше, чем хотелось бы. Теперь тигры и медведи сменились недовольными начальниками или контрагентами, но эндокринная система, управляемая гипофизом, работает все так же на случай, если мы все же решим сбежать от нагоняя (к сожалению, обычно такое решение только усугубляет проблемы, а не помогает их решить).

Гипофиз регулирует работу желез внутренней секреции — щитовидной железы, надпочечников и половых желез, а еще в нем контролируются процессы роста, обмена веществ и работа почек.

Эпифиз

Эпифиз — это непарный вырост между таламусами и четверохолмием. Он тоже относится к промежуточному мозгу и иногда появляется в литературе и интернете под громким и интригующим названием «третий глаз». У такого названия есть вполне солидные основания: у наших позвоночных предков эпифиз действительно работал как самый настоящий светочувствительный орган, и прямо над ним в костях черепа образовывалось специальное отверстие, чтобы свет мог попадать туда напрямую [4]. Да и сегодня существуют отдельные виды рыб, амфибий и рептилий, у которых эпифиз сохранил ту же роль. Правда, самый известный пример третьего глаза — теменной глаз живой ископаемой ящерицы гаттерии — это вырост парапинеального органа, который у ящериц находится по соседству с эпифизом.

Надо сказать, что и у нас эпифиз в определенном смысле работает как светочувствительный орган. Правда, теперь световые сигналы попадают туда не напрямую через кожу и дырку в черепе, а от сетчатки глаз через сложную систему соединений между нервными клетками. На пути к эпифизу информация об освещенности в какой-то момент покидает головной мозг и оказывается в шейном ганглии спинного мозга и только оттуда, наконец, попадает в конечную точку — бывший третий глаз, а теперь железу, которая регулирует циклы сна и бодрствования, стараясь сделать так, чтобы люди спали по ночам, а днем вели активный образ жизни. В темноте эпифиз вырабатывает мелатонин — он проявляет мягкий снотворный эффект и контролирует другие гормоны, выработка которых зависит от времени суток, включая гормон роста, половые гормоны, гормоны надпочечников и щитовидной железы [5].

Базальные ганглии

Снаружи и немного спереди от таламусов расположены базальные ганглии — это целая сеть ядер, образующих между собой сложные взаимосвязи и соединяющихся с таламусом и корой больших полушарий. Это центр принятия решений — сюда сходятся все потоки информации, которую нужно учитывать, и они преобразуются в некое решение — то, что мы будем делать и как себя вести исходя из того, что вокруг творится и чего нам сейчас хочется [6].

Базальные ганглии важны для двигательного научения — здесь находится что-то вроде библиотеки поведенческих программ на те случаи жизни, с которыми мы частенько сталкивались в прошлом [7]. Если нам постоянно нужно выполнять одни и те же действия, например по пути из дома на работу, довольно скоро в базальных ганглиях сформируется «автопилот», который проведет человека из офиса домой даже тогда, когда он ужасно устал или потрясен до глубины души: пока мы заняты тем, что нас беспокоит, базальные ганглии позаботятся о том, чтобы четко выполнить стандартную программу действий, не отвлекая внимание человека от того, что его заботит.

Мозг запускает и контролирует множество неосознаваемых процессов, например дыхание, сердцебиение, кашель и глотание.

Вокруг базальных ганглиев оборачивается еще одна система отделов мозга — лимбическая. Она важна для мотивации и эмоций и управляет базовыми (инстинктивными) формами поведения, направленными на утоление голода и жажды, проявление базовых эмоций типа страха или ярости. Эта же система заведует сексуальным поведением и формирует основу родительских инстинктов — эти поведенческие программы играют ключевую роль в эволюции и естественном отборе, и в их реализации задействована целая сеть довольно древних структур, обеспечивающих продолжение рода, — поиск сексуальных партнеров и заботу о детях, пока они не станут достаточно самостоятельными.

Лимбическая система

Если постепенно двигаться от основания мозга к его поверхности, к коре больших полушарий, мы увидим любопытную закономерность. В то время как отделы на поверхности мозга в основном участвуют в осознаваемых процессах и ощущениях, многими из которых мы можем произвольно управлять, то по мере погружения внутрь будут встречаться все менее контролируемые и осознаваемые [1].

В глубине мозга находится множество чрезвычайно важных отделов, которые помогают нам принимать решения и берут на себя множество задач, причем о существовании некоторых из них мы даже не догадываемся.

Многие решения наш мозг принимает, не донося до сознания человека, благодаря этому мы можем ехать на велосипеде, не задумываясь о том, как двигать руками и ногами и сохранять равновесие, или можем моментально отпрыгнуть в сторону и только после этого осознать, что на тропинке перед нами грелась змея. Еще структуры в глубине мозга отвечают за поддержание гомеостаза и наше эмоциональное состояние, помогают учиться и формировать воспоминания — многие важные отделы центральной нервной системы спрятаны от взгляда наблюдателя, если он смотрит на мозг снаружи. На картинке выше показаны самые заметные и важные из подкорковых структур промежуточного мозга (таламус, гипоталамус, эпифиз), базальных ганглиев и лимбической системы, а также две извилины, формирующие лимбическую кору.

Головной мозг занимает почти 95 % объема черепа.

В глубине коры больших полушарий расположена лимбическая система: она отвечает за эмоции — наше настроение и переживания, за то, что мы чувствуем, а не за то, что воспринимаем или думаем. Структуры, которые к ней относятся, расположены по кромке вдоль более древних структур, образуя дугу — отсюда и название «лимбическая система» (от лат. limbus — граница, край). Сюда относятся несколько участков коры, но основа лимбической системы — это подкорковые отделы мозга: миндалевидные тела, таламус и гипоталамус, гиппокамп, свод мозга и еще несколько не таких заметных структур.

Миндалины и гипоталамус — главные по эмоциям; любые воздействия на них приводят к нарушениям эмоционального поведения. Например, люди без миндалины почти не различают эмоции на лицах других людей и сами практически никогда не испытывают страха или тревоги. С гипоталамусом еще сложнее: здесь осуществляется контроль не только за эмоциями, но и за внутренней средой организма, гормонами, температурой тела, аппетитом, голодом, жаждой и пищевым поведением, так что повреждения гипоталамуса чреваты крайне серьезными последствиями для здоровья. Даже небольшие нарушения в работе гипоталамуса могут обернуться серьезными эмоциональными проблемами — раздражительностью, тревожностью, скачками настроения, усталостью и апатией, проблемами с сексуальным возбуждением, циклом сна и бодрствования.

Наши переживания многих базовых потребностей, всевозможных типов удовольствия, влюбленности и любви, симпатии и привязанности к близким зависят от гипоталамуса, как и переживания неудовольствия и страданий, ярости, страха и ненависти. А еще гипоталамус контролирует уровень бодрости и играет ключевую роль в реакциях на стресс.

Гиппокамп расположен в мозге прямо за миндалиной, он отвечает прежде всего за пространственное восприятие и формирование памяти. Хотя его сложно отнести к структурам, отвечающим за эмоции, все же благодаря связи гиппокампа с лимбической системой мы лучше всего запоминаем те вещи, которые произвели на нас впечатление и оставили сильный эмоциональный отклик, — не важно, приятными были эти воспоминания или тяжелыми.

Лимбическая система контролирует поведение, в котором проявляется влияние инстинктивных программ, глубинных эмоций и сильнейших внутренних импульсов. Сюда можно отнести сексуальное поведение и щемящее чувство любви к близким, страх и ярость, удовольствие и азарт. Промежуточное положение лимбической системы между более глубокими и поверхностными уровнями проявляется в том, насколько мы можем контролировать свои эмоции — в сравнении с тем, как контролируем собственные мысли. Чаще всего (хоть и не всегда) мы можем определить, какие чувства испытываем, но управлять ими не так-то просто. Если же человека захлестывает буря эмоций, он обычно теряет рассудок — рациональные части мозга, расположенные снаружи, теряют управление, его перехватывают более древние иррациональные структуры, и мы действуем импульсивно, по велению чувств.

Левое полушарие мозга отвечает за управление и чувствительность правой стороны тела, и наоборот.

Участки коры, которые относят к лимбической системе, иногда выделяют в отдельную лимбическую долю — по большому счету, это не доля, а изогнутая и немного заворачивающаяся дуга. Сверху эта дуга проходит как раз посередине между двумя полушариями — ровно над местом их соединения в одно целое. Еще один участок лимбической коры находится снизу и сзади от поясной извилины, на самом дне височных долей — он оборачивается вокруг спиральной структуры гиппокампа и называется парагиппокампальной корой.

В состав лимбической коры входят и более старые участки коры, расположенные снизу и изнутри больших полушарий. От новой коры — неокортекса — они отличаются строением и задачами, которые выполняют. Нейроны здесь упакованы немного по-другому и образуют на срезе меньше слоев. У человека почти вся кора больших полушарий занята неокортексом, а участки старой коры занимают всего несколько процентов от всей площади. Тем не менее без работы старой коры невозможно формирование памяти и пространственное мышление. Именно старая кора способна быстро запомнить получаемую информацию, а затем она тренирует новую различать те вещи и места, с которыми мы уже когда-то встречались и сохранили о них воспоминания [8].

Как устроены большие полушария мозга: краткий обзор отделов в коре больших полушарий

Итак, мы разобрались с тем, что находится в глубине большого мозга, и теперь можно присмотреться к тому, что снаружи. Большой мозг делится на два полушария — правое и левое. Они сообщаются друг с другом толстым пучком нервных волокон, формируя дугообразное на срезе мозолистое тело (см. рисунок на следующей странице). Это главный канал общения между полушариями, позволяющий им действовать заодно, а не по отдельности. Почти все структуры в мозге парные, за исключением нескольких, расположенных точно посередине (вроде непарного эпифиза, который иногда называют третьим глазом).

Поверхность полушарий делится на четыре больших доли, которые называются так же, как и кости черепа. Спереди находятся лобные доли, сверху прямо под теменем располагаются теменные, сзади сразу за затылочными костями будут затылочные доли, а по бокам размещаются височные. Височная доля отделяется сверху от лобной и теменной глубокой латеральной бороздой, а граница между лобной и теменной пролегает по довольно заметной центральной борозде; теменную долю от затылочной отделяет теменно-затылочная борозда, но ее не так-то просто обнаружить среди извилин мозга, как глубокие латеральную и центральную.

Иногда к этим четырем основным долям мозга добавляют еще две, которые, правда, сложно назвать именно долями: лимбическая, входящая в лимбическую систему, и островковая, спрятанная внутри между лобной и височной долями. Действительно, височная доля отделена от лобной боковой щелью. Если заглянуть внутрь нее, окажется, что складка эта довольно глубокая и включает в себя несколько борозд и извилин — они и образуют островковую долю.

Хотя правое и левое полушария очень похожи анатомически, между ними существует что-то вроде разделения обязанностей — по-научному это называется межполушарной асимметрией. Прежде всего такое разделение проявляется в том, что правое полушарие мозга в основном отвечает за левую сторону тела, а левое, наоборот, за правую (в мозжечке все ровно наоборот, его полушария контролируют свою сторону, а не противоположную). Кроме того, за наши языковые способности отвечает одно полушарие, а второе в это время безмолвствует. У подавляющего большинства за речь отвечает левое полушарие, но так происходит не всегда: примерно у одного из двадцати правшей и одного из пяти левшей речью командует правое полушарие [3].

Собственно, то, что люди делятся на правшей и левшей, тоже говорит об однобокости работы нашего мозга[6]. Большинство людей — правши, у них главенствует левое полушарие: однако оно управляет не только движениями правой руки. Помимо того что левое полушарие отвечает за речь и управляет ведущей рукой, оно еще и отвечает за логическое мышление, анализ и арифметические способности.

Правое полушарие доминирует в тех случаях, когда нам нужно распознать настроение — на лицах и в позах людей, в тоне голоса или музыки. Оно же отвечает за то, чтобы придать нашей речи выразительность и эмоциональность.

Неудивительно, что, для того чтобы распознавать юмор и иронию, нужно хорошо работающее правое полушарие. Еще в правом полушарии лучше развито пространственное мышление: повреждения в его задней части могут вызывать проблемы с ориентированием на местности.

Если проанализировать разделение обязанностей между полушариями и обобщить, на чем специализируется каждое из них, то при работе с информацией левое полушарие скорее сосредотачивается на подробностях и отдельных элементах внутри общей картины, пытаясь выделить как можно больше информации, а правое пытается ухватить целостное впечатление, не слишком вдаваясь в детали происходящего.

* * *

Чем заняты нейроны в коре больших полушарий? Здесь происходит наиболее сложная и комплексная обработка информации. Задняя половина обоих полушарий занята в основном обработкой сенсорной информации, поступающей от органов чувств, а передняя — управлением: чем ближе область к кончику носа, тем в целом более абстрактным оно становится.

Зрительная информация от таламуса идет в затылочную долю — здесь расположена зрительная кора. Правое полушарие получает информацию с левой половины нашего зрительного поля (обоих глаз), а левое — с правой. Эти же отделы отвечают за зрительное воображение: если человеку нужно представить яркий красивый визуальный образ, активируется зрительная кора.

Информация о положении тела используется мозгом еще и для того, чтобы интерпретировать то, что мы слышим и видим, и ориентироваться в пространстве.

Если мы видим летящий мяч в левом верхнем углу поля зрения, то, для того чтобы его поймать, нам нужно точно знать положение рук и тела, а еще то, куда направлен наш взгляд, под каким углом повернуты голова, шея и туловище. Теменная доля постоянно следит за тем, что происходит с глазами, головой и шеей и отправляет эту информацию в соседние отделы лобной доли, которые как раз управляют движениями нашего тела.

Височные доли находятся по бокам сразу за висками, и именно в них обрабатывается информация, идущая от ушей. В левой височной доле расположены отделы, которые распознают речь на слух, а также отвечающие за восприятие движений и распознавание лиц. Височные доли и особенно расположенные в глубине отделы играют важную роль в эмоциональном и мотивационном поведении.

В теменной доле прямо вдоль границы с лобной находится первичная соматосенсорная кора — она занимается обработкой информации о прикосновениях (кожной чувствительности) и других ощущениях от тела, например растяжении или напряжении мышц.

Наконец, в лобной доле расположен центр управления: здесь идут процессы, связанные с мышлением, разными типами рассуждений, расчетами и планированием, здесь же находятся участки, отвечающие за рабочую память, произвольное внимание и самоконтроль. Ближе всего к центральной линии, соединяющей уши и темя, расположена двигательная кора, которая управляет нашими движениями. В передней части лобной доли находится префронтальная кора — она получает информацию от всех сенсорных отделов и интегрирует ее. Здесь управление перестает быть двигательным и становится более отвлеченным. Префронтальная кора использует информацию, которую получает из других отделов, чтобы наметить наиболее удачный план действий для каждой конкретной ситуации. Например, благодаря префронтальной коре мы можем менять наше поведение в зависимости от контекста или держать в голове набор правил настольной игры.

Глава 3

Как все это работает

Итак, даже беглый взгляд на то, как устроен мозг, может поразить неподготовленного читателя обилием анатомических деталей, новых терминов и колоссальной сложностью этого самого важного органа, внутри которого помещается все богатство нашего внутреннего мира: сознание, мышление, чувства, убеждения и принципы, память и планы на будущее, страхи и надежды — короче, все, что составляет прелесть и ужасы жизни вида с чрезвычайно разросшимся и сложным мозгом, то есть человеческого существа.

Несмотря на сложное устройство мозга, в его строении и работе можно выделить что-то вроде общего плана, который помогает ориентироваться в том, где и как происходят различные процессы в мозге. Если совсем упростить, в мозге можно выделить что-то вроде территории разума, к которой относятся отделы, расположенные сверху и снаружи, и нечто похожее на территорию чувств — она прячется снизу и изнутри. Естественно, две эти области не разделены и активно взаимодействуют друг с другом, но каждая из них имеет свои каналы доступа к системе принятия решений, внутри которой вырабатывается план ближайших действий.

Если описывать все это более строгим научным языком, можно говорить о двух типах обработки информации — соматическом и висцеральном[7] [1]. К соматическому потоку относится информация из окружающего мира, которую мы получаем по различным каналам снаружи; она во многом формирует наши представления об окружающем мире и составляет основу мышления. Висцеральный поток работает с информацией, поступающей изнутри, — прежде всего о состоянии и работе внутренних органов и тканей, о том, достаточно ли нам питания и воды, хватает ли микроэлементов, какие сейчас уровень различных гормонов, пульс, давление, температура тела и т. п.

Висцеральная информация — это сведения о нашем внутреннем мире в самом прямом и приземленном смысле этого слова. Однако отделы мозга, работающие с висцеральными сигналами, напрямую связаны с внутренним миром и в более широком понимании: эти же отделы отвечают за наши чувства, общее состояние, настроение, уровень бодрости и мотивации. Оба информационных потока сходятся в одной точке и влияют на наши решения — что мы будем делать и чего не будем.

Система принятия решений собирает всю поступающую информацию и преобразует ее в поведение, которое, согласно нашему жизненному опыту, больше всего соответствует ситуации.

Эти идеи отчасти перекликаются с концепцией триединого мозга, предложенной в середине XX века Полом МакЛином[8]. Эта простая и красивая концепция о трех уровнях работы мозга очень быстро набрала популярность, хоть она и ненаучна. О чем в ней говорится? По мысли МакЛина, в мозге есть три иерархических уровня, которые, словно апгрейды к базовой комплектации, обретались позвоночными животными при переходе с одной ступени эволюции на другую, более высокую. Самый нижний и простой уровень в этой теории достался рептилиям: к рептильному мозгу МакЛин относил прежде всего мозговой ствол и базальные ганглии, отвечающие за поддержание жизнедеятельности и автоматические формы поведения, которые не требуют сложной регуляции (сон, замирание, ходьба или бег, включая реакцию «бей или беги»). На следующей ступени расположились древние звери, «отрастившие» себе поверх древних отделов лимбическую систему, сложные эмоции и социальное поведение, требующее большей гибкости. На верхней ступени в этой теории разместились млекопитающие, которые обзавелись новыми отделами коры, сложным мышлением и интеллектом. Согласно теории о трех уровнях организации мозга, неокортекс[9] позволяет контролировать работу первых двух уровней, опираясь на познание и рациональные размышления о возможных последствиях своего опрометчивого поведения.

Людям приходится учиться всему с нуля: это наша плата за гибкость поведения и удивительные способности.

Данные о строении мозга разных животных противоречат этой красивой схеме, где каждый следующий уровень организации появляется поверх предыдущего, как глазурь на эскимо, и контролирует работу более простой и древней системы. Во-первых, отделы рептильного мозга и лимбической системы есть уже у амфибий и рыб, да и поведение рептилий оказалось не таким уж стереотипным и примитивным (среди них есть даже относительно социальные виды, которые образуют семьи и заботятся о потомстве) [9, 10]. Эволюция мозга происходила не так, как описывал МакЛин, а разные системы внутри него работают в тандеме, активно обмениваются информацией и влияют друг на друга.

И все же МакЛину, по-видимому, удалось в общих чертах описать принципиальное разделение труда между системами мозга, которые совместно контролируют наше поведение. В глубине мозга поверх ствола находятся базальные ганглии, формирующие запас автоматических форм поведения — навыков и привычек, которые выручают и помогают нам эффективно действовать в рутинных ситуациях, не особенно терзаясь тем, что мы по этому поводу думаем или ощущаем. Хотя у многих животных этот запас по большей части врожденный, люди практически лишены форм поведения, целиком автоматизированных с самого рождения (не считая простейших двигательных и пищевых рефлексов вроде глотательного и сосательного — без них младенец просто не смог бы питаться и выжить). Людям приходится обучаться почти всему, даже тому, как ходить — это в некотором роде расплата за потрясающую гибкость нашего поведения и способность научиться совершенно невероятным вещам, не доступным никакому другому виду живых существ.

Системы вокруг базальных ганглиев помогают нам настраивать этот автопилот и более гибко и адаптивно действовать, когда это необходимо, подстраивая поведение под существующий контекст. Лимбические отделы определяют эмоциональную окраску наших внутренних рассуждений и переживаний, а неокортекс отвечает за форму и содержание мыслей.

В лимбических зонах, расположенных снизу и внутри, формируются различные аффекты — эмоциональные проявления, мотивирующие на те или иные поступки. Эмоции помогают нам быстро учиться на собственном опыте: избегать неприятных и тяжелых ситуаций, когда угрожала опасность или мы чувствовали себя несчастными. С другой стороны, мы будем стремиться делать то, что приносит нам удовольствие и вызывает море положительных эмоций. Эмоции дают нам энергию, чтобы действовать; апатия лишает человека сил и желаний, словно обесточивая его. Базовые эмоции служат чем-то вроде внутреннего компаса, ведущего человека по жизни и маркирующего те ситуации, которые несли нам убытки и неприятности или блага и радостные переживания.

Автопилот — следствие работы базальных ганглиев, которые позволяют «разгрузить» мозг для более важных задач.

Кора больших полушарий обучается на полученном опыте и строит сложные модели мира. Такая способность помогает нам делать довольно точные прогнозы на будущее и подготовиться даже к тем ситуациям, которые еще не происходили. Другими словами, большой неокортекс позволяет действовать на опережение и учиться на чужих ошибках, вместо того чтобы делать выводы, расхлебывая последствия собственных промахов.

Сложный мозг позволяет сделать наше поведение максимально сложным и гибким, но это же лишает нас преимуществ простого инстинктивного поведения, в котором практически все программы поведения предустановлены от рождения и работают на довольно простых рефлексах. К сожалению, мы не рождаемся со всем готовым: людям приходится учиться ходить, говорить, читать, писать и считать, ездить на велосипеде и плавать, управлять автомобилем и пользоваться компьютером и смартфоном. Чем бы мы ни хотели заняться, сначала придется этому научиться, и обычно этот процесс небыстрый.

Суперспособность использовать мозг, чтобы справляться со всевозможными задачами, стоит нам многих лет обучения. С другой стороны, человек может самостоятельно выбрать, чем ему заниматься: рисовать картины, проектировать космические корабли или вживлять микрочипы в мозг лабораторных животных, чтобы понять, как работают обучение и память. Мы живем в таком удобном и супертехнологичном мире именно благодаря тому, что имеем такой сложный и обучаемый мозг. Человек может добиться поразительных результатов в совершенно разных областях деятельности. Главное — понять, чего именно мы хотим и как можно этого достичь.

Как работают нейроны? Химия и электричество

Рассказ о работе мозга будет неполным без описания того, как устроены и функционируют нервные клетки. Если совсем кратко: нейроны состоят из тел и нервных отростков, которыми соединяются с другими нейронами, и работают на химии и электричестве. Но чтобы было немного понятнее, как устроена работа мозга, все-таки придется добавить несколько технических подробностей.

Основу нервной ткани составляют два типа клеток — нейроны и глия. Нейроны — это главные аналитики и мыслители в нервной системе, глия — это клетки «на подхвате» и система жизнеобеспечения нейронов. Обычно нейроны привлекают к себе намного больше внимания, но без глии работа нейронов была бы просто невозможной: ее клетки обеспечивают нейроны всем необходимым, защищают от угроз, помогают поддерживать энергетический баланс, обеспечивают многими веществами, важными для работы и роста нейронов, а еще они изолируют отростки нервных клеток, образуя миелин, и помогают сигналам распространяться намного быстрее. На 86 миллиардов нейронов в мозге приходится 85 миллиардов глиальных клеток [11], то есть на каждый нейрон приходится по одной глиальной клетке. Эти цифры наглядно показывают, насколько глия важна для правильной работы мозга.

Электричество

Тем не менее за обработку информации в мозге отвечают именно нейроны. У каждого нейрона есть тело и обычно два типа нервных отростков. Дендриты работают с входящей информацией и получают сигналы от других нейронов, а аксоны передают информацию дальше по цепочке к следующим звеньям на пути распространения сигнала. Сигнал распространяется по нейронам в виде импульсов — потенциалов действия — это очень короткое изменение электрического напряжения, которое расходится волнами вдоль поверхности нервных клеток.

Поток сигналов вдоль отростков однонаправленный — только в одном направлении. По дендритам импульсы идут от окончания к телу клетки, а по аксонам наоборот — от тела клетки к окончаниям, которые соединяются с дендритами или телами других нейронов.

Многие нейроны на первый взгляд довольно-таки одномерны: в том смысле, что по сравнению с длиной аксона размерами тела нейрона можно пренебречь. Даже самые упитанные человеческие нейроны не превышают 150 мкм в поперечнике, а нейронный отросток толщиной не более 20 мкм может иметь длину больше метра.

Чтобы передавать информацию на такое расстояние, нужен очень высокоскоростной сигнал. Ни одно химическое вещество не умеет перемещаться по организму с нужной скоростью. А электрические импульсы умеют, и именно они передают сигнал в пределах одного нейрона вдоль нервных окончаний. Электрические импульсы отвечают за скорость передачи сигнала, проводя их от чувствительных окончаний в пятках к мозгу за сотые доли секунды. Иногда скорость — это залог выживания: когда нужно убежать от тигра или догнать антилопу, любое промедление может стоить жизни. Электрические импульсы обеспечивают нервной системе быстродействие, благодаря которому мы можем моментально среагировать на опасность или редкий шанс, выпадающий раз в жизни. В борьбе выживали самые приспособленные — мгновенная реакция на внезапные стимулы однозначно очень адаптивная штука.

Химия

Чтобы передать сигнал от одного нейрона к другому, электрический сигнал превращается в химический. Отросток первой клетки (аксон) образует с отростком (дендритом) второй очень плотный контакт, называемый синапсом. Там из отростка выделяются пузырьки с химическим веществом — нейромедиатором, который связывается с рецепторами, что обычно приводит к изменению электрического потенциала в окончании второго нейрона.

Электрический импульс может распространяться вдоль нервных окончаний со скоростью вплоть до 100 м/с (это, на секундочку, 360 км/ч!). Это прекрасно, поскольку электричество добегает из любой точки нервной клетки до аксонного окончания почти мгновенно, обеспечивая ту самую скорость реакции. Но через синапс — пространство толщиной около 20 нанометров — сигнал передается примерно за 0,5 миллисекунд, то есть в 2500 раз медленнее! Для чего нужна такая медленная химия, когда есть столь быстрое электричество?

Смысл в том, что электричество обеспечивает скорость передачи сигнала вдоль нейрона, а химия отвечает за специфику сигнала, получаемого следующей нервной клеткой. В мозге существуют десятки различных нейромедиаторов, и у многих из них больше десятка разных рецепторов, каждый из которых воспринимает сигнал медиатора по-своему. Доходит до того, что один и тот же нейромедиатор может прямо запускать либо нервный импульс, открывая каналы через мембрану для электрического тока, либо каскад химических реакций, преобразующих жизнь нейрона и все процессы, которые внутри него происходят. Это зависит от того, какие рецепторы есть у нейрона в синапсе.

Самые ходовые нейромедиаторы — это две аминокислоты: глутамат и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), которые работают в мозге как педали газа и тормоза. Когда в синапсе выделяется глутамат, следующая клетка всегда активируется, если же в синапс выбрасывается ГАМК, следующему нейрону будет намного сложнее запустить нервный импульс — ГАМК тормозит его активность. Уровень активности нейрона в самом первом приближении определяется соотношением между тем, сколько ГАМК и глутамата воспринимает нейрон своими синапсами. Если перевешивает глутамат, нейрон разряжается и уже сам выделяет нейромедиатор для следующих нейронов. Если ГАМК становится больше, нейрон замолкает, и следующие клетки не получают от него никаких сигналов.

Самое интересное, конечно, это те нейромедиаторы, которых в мозге не так много, но они меняют регистр работы нейронов, воздействуя на каскады химических превращений внутри клетки. Они способны менять работу отдельных генов внутри нейрона, приводя к тому, что нейрон либо просыпается, активизируется и активно наращивает новые контакты с другими клетками; либо, наоборот, может разрушать часть своих синапсов, через которые он связан с другими клетками, заставляя нейрон замыкаться в себе.

К нейромедиаторам такого типа относят те самые нашумевшие гормоны счастья для мозга — серотонин, дофамин, эндорфины. На самом деле роль этих и других нейромедиаторов, способных менять состояние клетки и уровень ее общения с другими нейронами, намного сложнее. Такие нейромедиаторы осуществляют тонкую настройку сети, определяя не только наше текущее настроение, но и уровень возбуждения, способность сконцентрироваться на задаче или, наоборот, легко переключаться с одного задания на другое, способность испытывать дискомфорт, который заставляет нас поменять стратегию, чтобы избавиться от неприятных ощущений или игнорировать страдания и продолжать следовать выбранным курсом. Они же отвечают за то, насколько мы способны контролировать свои действия, или, скажем, за то, что именно и как быстро мы выучим — каким образом поменяются связи между нейронами и как преобразование сети контактов поменяет наше поведение в будущем.

Эти тонкие настройки чрезвычайно важны для того, чтобы мы могли меняться или, напротив, оставаться прежними; чтобы могли по-разному реагировать на одни и те же вещи в зависимости от своего состояния и потребностей. Скажем, наши предпочтения будут очень чутко реагировать на то, насколько мы голодны, тревожны или расслабленны, довольны собой и не прочь поискать приключений.

Ровно для этого мозг и жертвует скоростью передачи сигналов — чтобы тонко подстраивать поведение человека к его состоянию, иметь возможность запомнить информацию, когда это необходимо, и выкинуть из головы, когда она потеряла актуальность, чтобы гибко переключать режимы: в расслабленный или в напряженный, в ищущий или скрывающийся, в открытый или замкнутый, в агрессивный или приветливый, в безразличный или очарованный чем-то или кем-то и т. д. и т. п.

Палитра наших переживаний была бы чрезвычайно бедной, если бы не разнообразие нейромедиаторов, которыми нейроны общаются между собой.

Как устроены зрение и слух

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать

Русская поговорка

Зрение и слух — важнейшие каналы, через которые мы узнаем, что происходит вокруг: смотрим на окружающий мир, подмечаем что-то интересное, а потом делимся своими мыслями с другими, обмениваясь идеями и накапливая знания. Кажется, нет ничего проще, чем зрение и слух. В мире много сложных для понимания штук, но то, что мы видим и слышим — это понятная и простая основа, на которую можно положиться. Когда люди хотят поставить точку в спорах о том, как все было на самом деле, они говорят, что видели что-то собственными глазами или слышали своими ушами. «Очевидный» — синоним доступного и простого для понимания: это когда достаточно посмотреть и убедиться, что все так и есть. Действительность, данная в ощущениях, кажется простым и незыблемым фундаментом, на котором строится наша жизнь.

Научить компьютер видеть и слышать так, как это делает человек, пока невозможно.

Обычно мы допускаем, что люди разные, подразумевая, что они думают и действуют по-разному. Но при этом мы исходим из того, что слышим и видим так же как и другие (если, конечно, у нас нет объективных проблем со слухом и зрением). Понятно, почему нам сложно признать, что люди воспринимают мир неодинаково: в этом случае непонятно, как вообще искать общее пространство для коммуникации, а жить с такой мыслью как-то неуютно. К тому же у нас нет достаточно серьезных оснований, чтобы подозревать, что мы настолько разные. Каждый день мы наблюдаем, как люди говорят, двигаются и реагируют на происходящее вокруг, — надо быть слепым, чтобы отрицать различия между людьми, если знаешь их достаточно хорошо. Но мы не можем прямо пронаблюдать за тем, как люди слышат и видят.

Проблема, однако, кроется еще глубже: вообще-то мы очень плохо представляем себе, как видим и слышим мы сами. Слух и зрение достаются нам просто как данность, сами собой и без особых усилий — точнее, без осознанных усилий. У нас есть представление о простых и сложных задачах: вот, скажем, арифметика — это непросто, надо специально учить таблицу умножения и правила деления. Или вот история, где нужно помнить даты и имена, или география, где важно не путать Иран с Ираком, Ливию с Ливаном и Австрию с Австралией. А зрение — это легкотня: чтобы узнать знакомого на улице, достаточно кинуть беглый взгляд в толпу, и мысль «Ой, да это же Олег из параллельного класса!» сама собой появляется в голове. Главное, что алгебре, истории и географии приходится долго учиться в школе, а зрению и слуху и учить не надо — кажется, они даются детям от рождения.

Чтобы понять, что дела с математикой и восприятием обстоят с точностью до наоборот, нужно было изобрести роботов, а затем постараться научить их видеть и слышать.

Справиться с перемножением может простой допотопный калькулятор, но задачи, которые любой трехлетка выполняет в два счета, становятся непреодолимым препятствием для самых сложных и совершенных роботов.

При этом нет никаких проблем с тем, чтобы записать и воспроизвести изображения и звуки, однако наш мозг делает совсем не это. Он умеет анализировать и интерпретировать то, что видит и слышит. Мы не просто пассивно потребляем информацию из окружающего мира — эти сигналы проходят множество стадий обработки. Мозг их фильтрует, вычленяет из потока сигналов важные, разделяет на категории, проверяет на соответствие разным признакам, а затем на основе отдельных элементов создает цельную картину, интерпретируя информацию в соответствии с тем, что мы знаем о мире, и с тем, что имеет для нас смысл.

Нам не нужно прикладывать осознанные усилия для того, чтобы слышать и видеть, но это не значит, что эти процессы — простые.

Правда, мы не замечаем всех этих сложнейших процессов: чаще всего ответы на вопросы, что мы сейчас видим и слышим, приходят на ум сами собой, а вся сложная внутренняя работа скрыта от нашего сознания. Если человек каждый день видит аккуратно нарезанную и упакованную колбасу только в магазине, скорее всего, он не представляет себе, как она там появляется. Она просто каждый день ждет его на полке супермаркета, а все премудрости того, как ее готовят и доставляют в магазины, для конечного потребителя остаются невидимыми. Со зрением и слухом дела обстоят примерно так же — мы не представляем себе, насколько сложно устроена обработка зрительных и слуховых сигналов до тех пор, пока какой-нибудь любопытный ученый не заглянет внутрь, чтобы попробовать в этом разобраться.

Глава 4

Как мы воспринимаем мир

На рубеже XX–XXI веков появилось несколько культовых фильмов, ставивших под сомнение незыблемость реальности, данной нам в ощущениях, — «Темный город» (1998), «Матрица» (1999) и «Тринадцатый этаж» (1999). Во всех трех фильмах в центре сюжета герои, которые живут в иллюзорном мире, но воспринимают его как настоящий и до поры до времени не подозревают о подмене. Когда смотришь такое кино, невольно задаешься вопросом о том, насколько реален мир, который мы ощущаем, и как это проверить, если нельзя доверять ощущениям. Можно ли обмануть мозг и заставить его видеть и слышать не то, что есть на самом деле?

Ученые до сих пор не до конца понимают, как мозг интерпретирует электрические сигналы, поступающие в него.

Это отчасти философский вопрос (особенно касательно того, что мы знаем о «на самом деле» и существует ли оно вообще за пределами нашей психики). Но чтобы решить такую невообразимо сложную задачу и заставить мозг услышать и увидеть то, чего нет на самом деле, для начала нужно разобраться с более простой проблемой — понять, каким образом реальные звуки и изображения кодируются в мозге. Однако даже это современной науке пока еще не по зубам: простая задача оказывается совсем не такой простой, и сотни и тысячи ученых уже много лет ломают над ней головы.

Что мы уже знаем о восприятии? У всех органов чувств общий принцип работы — они переводят разные типы сигналов извне на понятный мозгу язык нервных импульсов. Чтобы понять, что кодирует нейрон, необходимо выяснить, что это за нейрон и откуда он получает сигналы. Залп разрядов у нейрона в зрительной коре кодирует особенности изображения, а в слуховой — характеристики звуков.

Стимулируя нервные окончания, ведущие в мозг, мы будем вызывать разные ощущения, в зависимости от того, откуда и куда идет отросток нейрона. Все, что активирует зрительный нерв, воспринимается как элементы видимого мира, а все, что активирует нейроны спирального ганглия во внутреннем ухе, — как звуки[10].

С точки зрения мозга звуки и образы — это всего лишь симфония электрической активности в огромной сети специализированных нейронов. В мозге нет звуков, форм и цветов, потому что для нервной системы в них нет никакого смысла — у него есть электрические импульсы, стремительно бегущие вдоль нервных окончаний. Мы еще очень слабо представляем, как мозг интерпретирует электрические сигналы, чтобы построить на их основе цельную картину окружающего мира — это чрезвычайно сложная вычислительная задача. Здесь задействовано множество специальных отделов, каждый из которых контролирует несколько сравнительно простых этапов, передает информацию дальше, а заодно отправляет обратную связь о том, что получилось, в нижележащие отделы. Передавая информацию вдоль конвейера отделов, мозг выделяет внутри нее все более сложные признаки. В зрительной системе линии и пятна постепенно преобразуются в фигуры, из которых выстраиваются объекты сложной формы; сопоставляя изображения от двух глаз, мозг оценивает расстояние до объекта и его размер, распознает в мозаике пятен на сетчатке знакомые нам предметы и т. п.

Получая информацию извне, мозг не выстраивает внутри себя точную копию внешнего мира. Скорее он пытается сопоставить поступающие сигналы с тем, что мы знаем о мире, чтобы придать смысл тому, что мы видим и слышим. Мозг все время подбирает подходящие интерпретации для потоков входящей информации: если что-то выглядит, двигается и крякает, как утка, оно получает бирочку «утка», а затем бирочки присваиваются деревьям, кустам, небу и прохожим. Мир, который видит биолог, отличающий березу от дуба, а крякву от огаря, отличается от мира, видимого горожанином, для которого все птицы и деревья примерно на одно лицо: чем богаче наш зрительный опыт и глубже знания, тем больше интересного мы замечаем вокруг.

Мозг способен вычленять из огромного количества сигналов только те, что для нас важны.

Мы извлекаем из какофонии сигналов информацию, имеющую для нас смысл, — фактически соединяем между собой некие закономерности внутри воспринимаемых сигналов со своим опытом и ожиданиями. Так выстраивается согласованная модель мира, которую удобно использовать для прогнозов и планов на будущее. Вся эта внутренняя работа идет незаметно для человека и обычно дает довольно точные предположения о том, что происходит вокруг, — по крайней мере, до тех пор, пока все работает как следует.

В общем, качественному восприятию мира необходимо учиться: чем больше наши знания о мире, тем глубже восприятие.

Самая общая настройка зрения и слуха начинается сразу после рождения человека[11]: младенцы обучаются различать знакомые предметы и лица близких, звуки родной речи, а затем и узнавать отдельные слова, запоминая их значение. Примерно то же самое происходит, когда человек учит иностранный язык: мы обучаем слуховую и зрительную системы узнавать новые объекты — звучание и написание слов — и связываем их со значениями. Спустя время натренированный мозг перестает воспринимать иностранный язык как абракадабру и тарабарщину и начинает улавливать значение того, что видит и слышит. В арсенале мозга появляются новые шаблоны, которые можно прикладывать к реальности, чтобы придавать происходящему смысл.

Слух «самонастраивается» еще до рождения ребенка, так как новорожденные по-разному реагируют на звуки, которые слышали и не слышали, пока были в утробе матери.

Глава 5

Как устроено зрение. Как устроен глаз

Зрительное восприятие можно разделить на два этапа: то, что происходит со светом внутри глаза, и обработку зрительной информации, отправляемой по зрительным нервам, внутри мозга. Начальный этап, на первый взгляд, напоминает работу фотокамеры (хотя даже здесь все намного сложнее, чем в фотокамере), а второй не имеет с фото- или видеофиксацией ничего общего.

Принципиальное устройство глаза действительно напоминает фотокамеру: спереди расположена система фотофиксации, а сзади находится чувствительная матрица, на которую попадает изображение. Передняя часть глаза работает на фокусировку и может регулировать поток света, попадающий внутрь, а задняя улавливает и анализирует сфокусированный свет. Фокусное расстояние изменяется с помощью хрусталика: его растягивает специальная цилиарная мышца, меняя радиус кривизны, фокусируясь на предметах вдали или, наоборот, перед самым носом. Радужная оболочка придает глазам цвет и может менять диаметр зрачка, регулируя размер диафрагмы — отверстия, через которое свет попадает в глаз.

В нашей сетчатке примерно 4,5–6 миллионов колбочек и 90-120 миллионов палочек.

Сфокусированное изображение попадает на сетчатку перевернутым: то, что находится справа, проецируется в левую часть сетчатки, а то, что было снизу, — наверх. На сетчатке свет улавливают специальные фоторецепторы — палочки и колбочки. Колбочки имеют коническую форму, они малочисленны[12], сосредоточены в центре сетчатки и отвечают за цветное зрение. Колбочки содержат один из трех типов йодопсина — это фоточувствительные пигменты, способные различать синий, красный или зеленый цвета[13].

Палочки имеют цилиндрическую форму, их особенно много на периферии сетчатки, и они способны улавливать даже слабый свет благодаря фотопигменту родопсину — он гораздо чувствительнее, чем йодопсин, и способен реагировать даже на единичные фотоны. Палочки обеспечивают нам сумеречное зрение, но при ярком свете не слишком полезны, поскольку родопсин засвечивается даже в темных областях изображения.

Глаза улавливают свет с помощью палочек и колбочек. Всего их около 200–250 миллионов.

Над палочками и колбочками располагается несколько слоев нервных клеток, сквозь которые свет проходит перед тем, как его улавливают фоторецепторы. Возбуждаясь, палочки и колбочки передают сигналы не дальше в сторону мозга, а в обратном направлении — к слою биполярных клеток, лежащих снаружи от фоторецепторов, а те в свою очередь — на ганглионарные клетки, лежащие еще ближе к хрусталику и дальше от мозга. В итоге отростки ганглионарных клеток собираются все вместе и идут прямо через сетчатку по дороге к мозгу. Здесь возникает слепое пятно, где проходят только нервные волокна, и нет никаких светочувствительных клеток. Обычно мы не замечаем, что в глазном дне есть слепые пятна: во-первых, в правом и левом глазах они расположены в разных участках зрительного поля, а во-вторых, мозг умеет достраивать тот кусочек изображения, который, как ему кажется, может быть в слепом пятне.

Строение сетчатки неоднородно: в центре находятся желтое пятно и центральная ямка — область наибольшей четкости и максимальной цветности изображения [2]. В центральной ямке расположены только рецепторы-колбочки, чувствительные к цветовым различиям. Здесь они очень плотно упакованы, и над ними нет слоя нервных клеток и волокон, которые могут искажать световые волны. В центральной ямке передача зрительной информации идет без сжатия — каждая колбочка передает сигнал своей биполярной клетке, а та, в свою очередь, — единственной ганглионарной клетке, которая отправляет сигнал по собственному нервному волокну в составе зрительного нерва.

Отростки центральных ганглионарных клеток составляют 70 % всех волокон в зрительном нерве, то есть огромная область зрительного поля за пределами центральной ямки дает только 30 % информации о том, что мы видим. Так происходит потому, что чем дальше от центральной ямки, тем сильнее сжатие информации — здесь преобладают не колбочки, а палочки, помогающие нам видеть в сумерках, при этом множество палочек передают свои сигналы небольшому числу клеток в следующих слоях. По этой причине мозгу сложно точно определить форму и расположение объектов, которые проецируются на периферию сетчатки — для этого необходимо перевести взгляд в сторону, чтобы изображение попало в центр поля зрения.

Чем же заняты остальные клетки сетчатки, помимо палочек и колбочек (их, между прочим, насчитывается более 50 типов)? Эти клетки обрабатывают и ужимают информацию, облегчая мозгу задачу. У нас в глазах около 200–250 миллионов палочек и колбочек, при этом на 20 палочек приходится всего 1 колбочка, зато она сидит в центре и получает эксклюзивный доступ к остальным клеткам сетчатки. А вот в каждом зрительном нерве миллион аксонов, так что всего глаза покидает 2 миллиона аксонов. То есть уже в самой сетчатке информация ужимается как минимум в сто раз.

Чем больше ученые изучают процессы, происходящие в сетчатке, тем очевиднее, что она не просто воспринимает световую информацию и слегка фильтрует ее перед отправкой в мозг — здесь она проходит предварительную обработку, чтобы отправить мозгу отчет, содержащий результаты анализа изображения на сетчатке [3].

Например, сейчас описано 15 типов ганглионарных нейронов, отправляющих информацию из сетчатки в мозг. 90 % из них составляют мелкоклеточные нейроны — они анализируют мелкие детали того, что мы видим. Еще 5 % — крупноклеточные нейроны, они реагируют на перемещение объектов по сетчатке. Ганглионарные клетки специфичны: каждая из них предпочитает определенное направление движения и мало интересуется стимулами, которые движутся в другие стороны. При этом сетчатка различает, когда изображение двигается целиком, потому что мы перемещаем взгляд, и когда в поле зрения есть отдельные подвижные объекты. Получается, что сетчатка умеет замечать в мешанине сигналов движение объекта против потока. Если же одновременно двигается все изображение, сетчатка на мгновение гасит сигналы и передает изображение с нового положения после того, как оно стабилизировалось. Благодаря этому мы не замечаем, что постоянно совершаем саккады — быстрые движения глазами, позволяющие нам бегло осматривать поле зрения[14] [4].

Отдельно глаз умеет выделять приближающиеся объекты — те, что движутся не вправо и влево, а прямо на нас. Для этого тоже есть специальные ганглионарные клетки — они срабатывают, когда в области зрения, за которую они отвечают, появляется пятно и увеличивается в размерах.

Сетчатка умеет подкручивать резкость и контраст на границах между контрастными объектами. Это происходит благодаря латеральному (боковому) торможению. Возбуждаясь, фоторецептор не только отправляет сигнал дальше, но еще и подтормаживает соседей через горизонтальные клетки. Чем активнее клетка, тем сильнее она тормозит соседей. Пока освещенность одинаковая, все тормозят друг друга с одинаковой силой, а вот на контрастной границе получается перекос в силах: в итоге краевые клетки в светлой зоне, примыкающие к тени, передают сигнал чуть ярче, чем клетки, у которых нет темных соседей, а темные, наоборот, дополнительно затемняют сигнал на границе со светлыми. Этот эффект особенно хорошо заметен на контрастной решетке: перекрестье будет выглядеть темнее, чем вертикальные и горизонтальные линии. Так получается, потому что латеральное торможение усиливает контраст у тонких линий, а вот в центре светлого пятна темных соседей нет, перекрест дополнительно не подсвечивается и поэтому выглядит темнее. Боковое торможение сигналов на границе работает не только в пространстве, но и во времени: благодаря этому мы видим относительно четкие силуэты объектов, когда они стремительно проносятся мимо нас.

У наших глаз есть специальный инструмент для того, чтобы вовремя увидеть летящий в нас объект, — ганглионар-ные клетки.

Приведенные изображения демонстрируют особенности работы сетчатки наших глаз. Справа вверху: если зафиксировать взгляд на минуту на четырех точках в центре картинки, а затем перевести на однородный фон, можно увидеть послеобраз — инвертированный «засвет» сетчатки. Сверху справа: простой тест на слепое пятно: если прикрыть один глаз, а взгляд второго зафиксировать на букве (правый на П или левый на Л) и отодвинуться от картинки примерно на три расстояния между П и Л, вторая буква пропадет из поля зрения — ее проекция попадет как раз в область слепого пятна на сетчатке.

Ниже показано, как работает латеральное торможение (слева) и решетка Германа, демонстрирующая эффект латерального торможения: нейроны сетчатки подтормаживают соседей, благодаря этому край между пятнами света и тени выглядит более контрастным. Если у проекции на сетчатке нет контрастных соседей, то участок не подсвечивается: по этой причине узлы решетки кажутся темнее, чем горизонтальные и вертикальные линии.

Еще одна важная функция сетчатки — адаптация к освещенности и контрасту: когда мы долго фиксируемся на контрастных изображениях, они меняют восприимчивость сетчатки. Если после этого перевести взгляд на равномерно освещенную поверхность, можно заметить инвертированный след, в котором на месте темных пятен будут светлые, а на месте светлых — темные. Когда определенная область сетчатки воспринимает один и тот же сигнал долгое время, нейроны «устают»: в их клетках истощаются запасы нейромедиатора, и они хуже проводят сигналы по сравнению с теми областями, которые все это время были неактивны и имеют в запасе свежие пузырьки с нейромедиаторами для передачи сигнала.

Бывают и другие варианты послеобразов, например подвижные: если долго смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижные объекты, может возникнуть иллюзия, что часть изображения медленно поднимается вверх. Таким же образом сетчатка адаптируется к паттернам в изображении: области сетчатки, куда долго проецируются горизонтальные полосы, намного сильнее среагирует на появление вертикальных [3].

Наверное, самая удивительная особенность сетчатки — это ее способность предсказывать будущее. Правда, речь идет о предсказании будущего изображения на интервалах в несколько десятков миллисекунд, но даже с такими оговорками это очень впечатляет! Дело в том, что зрительная информация попадает в мозг с опозданием: для того чтобы сигнал отправился в мозг, сначала должна произойти целая цепочка событий, начиная с возбуждения фоторецептора.

Как назло, наши фоторецепторы — самое слабое звено в вопросах скоростной передачи изображения: от того момента, когда свет попал в колбочку, до того, когда она запускает нервный импульс, проходит несколько десятков миллисекунд[15] (далее — мс). Кажется, что это немного, но, например, теннисный мяч при умелой подаче за это время может пролететь один-два метра: чтобы его отбить, теннисисту нужно как можно точнее знать, где он находится, но у него нет ничего, кроме зрения с неизбежными задержками.

Оказалось, что когда изображение мяча перемещается по сетчатке, его проекция запускает волну активности вдоль ганглионарных клеток. Удивительным образом эта волна в точности соответствует положению мяча, если бы его перемещения отображались без задержки на передачу сигнала от колбочек [3]! Получается, что сетчатка способна рассчитывать прогнозируемое положение объекта без задержек на работу фоторецепторов, если этот объект стремительно, но без скачков перемещается в пределах нашей видимости — за счет коллективной активности ганглионарных клеток[16].

Мозг и зрение

Аксоны ганглионарных клеток собирают сигналы от сетчатки, образуют зрительный нерв, и он отправляется от сетчатки глаза внутрь мозга. Там часть волокон перекрещивается: аксоны от половины сетчатки, которая ближе к носу, меняются местами; в итоге то, что мы видим слева, анализирует правое полушарие, а тем, что справа, занимается левое. После перекреста зрительные нервы становятся зрительными трактами. От перекреста основная часть нервных волокон направляется к таламусу, хотя небольшая часть отправляется к верхним буграм четверохолмия и в некоторые другие зоны — например, через гипоталамус и спинной мозг к эпифизу, который занимается циклами сна и бодрствования. Верхние бугры четверохолмия отвечают за ориентировочные рефлексы — они управляют движениями глаз и способны оперативно переводить взгляд на новый стимул, который появился на периферии нашего поля зрения, чтобы мы могли быстро его рассмотреть, распознать и отреагировать, если требуется. Еще одна область, которая может получать зрительные сигналы напрямую, находится возле покрышки мозга: считается, что она помогает животным обходить препятствия во время перемещений [5].

Часто, резко переводя взгляд с одного объекта куда-то еще, можно увидеть как бы его отпечаток в пространстве. Он называется послеобразом.

Латеральное коленчатое тело — это отдел таламуса, который получает зрительную информацию и передает сигнал дальше к зрительной коре. Здесь сигналы распределяются по сегментам: отдельно от правого и левого глаза и отдельно от мелкоклеточных и крупноклеточных ганглионарных клеток: то есть мелкие детали изображения и перемещения объектов по сетчатке от каждой из них анализируются по отдельности параллельно друг другу. Отсюда сигналы попадают в первичную зрительную кору, где впервые происходит сопоставление сигналов от правого и левого глаза — благодаря этому изображения могут приобретать глубину и объем.

Зрительная кора расположена в затылочной части больших полушарий, большая ее часть прячется между полушариями на их срединной поверхности. Вокруг первичной зрительной коры (V1), связанной с таламусом, находятся более высокоуровневые отделы, получающие зрительную информацию после обработки в V1.

Устройство зрительной коры

Хотя мы не точно не знаем, происходит ли осознанное зрительное восприятие в первичной зрительной коре (скорее всего, нет), очевидно, что без работы V1 оно невозможно.

Люди с повреждениями в V1 обладают слепозрением: при таком расстройстве они не осознают, что могут видеть, но каким-то образом пользуются зрением неосознанно: обходят предметы, указывают на них или, например, просовывают письмо в прорезь ящика намного увереннее и точнее, чем слепые. Пациенты с такими повреждениями зачастую способны даже верно назвать цвет, форму и направление движения объекта, настаивая, однако, что лишь делают предположения и ничего перед собой не видят [6]. Еще одна особенность слепозренияя — неспособность к визуальному воображению: такие люди не могут мысленно представить предмет и не видят сновидений.

Первичная зрительная кора анализирует простейшие формы вроде точек и ориентированных полос и их перемещения в зрительном поле в различных областях сетчатки. Соседние области в коре V1 анализируют сигналы от соседних нейронов в сетчатке — это называется ретинотопией. Центральная область сетчатки больше представлена в коре, чем периферия, поскольку посылает больше информации.

Многие нейроны в V1 работают как детекторы признаков, где каждая клетка настроена на определенное сочетание параметров: например, нейрон может активироваться, только если замечает вертикальную красную полосу в определенной области сетчатки, и она движется справа налево. Если полоса движется слева направо, нейрон промолчит. Нейроны, предпочитающие определенное направление полосы, образуют вертикальные колонки. Если сдвигаться вдоль поверхности коры вбок, оптимальная ориентация постепенно будет поворачиваться, совершая полный оборот вокруг оси примерно 1 мм.

Из первичной зрительной коры V1 сигналы отправляются в V2 — это первый в иерархии ассоциативный зрительный отдел, где анализируются все более сложные признаки зрительных образов. V2 тоже обладает ретинотопией, она делится на четыре квадранта, где анализируется одна четверть зрительного поля — верхняя или нижняя половина правого или левого зрительного поля. Здесь анализируются не только сложные формы и их ориентация в пространстве, но и воспринимаемая глубина изображения, то есть мир приобретает объем.

Более высокоуровневые зоны изучены намного хуже, чем V1 и V2. Ученые делают предположения о том, чем они заняты, исследуя зрительное восприятие у обезьян и пациентов с повреждениями в этих отделах. Считается, что зоны с V3 по V6 анализируют различные движения объектов в поле зрения. Некоторые из этих зон активируются на особый тип зрительных иллюзий, когда человеку кажется, что объекты движутся, хотя на самом деле картинка неподвижна, то есть мозг может видеть движение там, где его нет. Зрительная кора V7, вероятно, связана с восприятием симметричных форм, а V8, скорее всего, нужна для нормального цветовосприятия.

Что, где и как в зрительной системе

Информация от обоих глаз сходится в первичной зрительной коре, но затем опять раздваивается. Как ни странно, у мозга не только два глаза, но и две независимые зрительные системы, которые по-разному используют то, что мы видим [5]. Из V1 информация отправляется по двум направлениям. Вниз, в сторону височной доли, идет поток, отвечающий за распознавание объектов, которые мы видим, — это путь ЧТО. Одновременно вверх, в сторону теменной доли, направляется второй поток, отвечающий за локализацию объектов в пространстве и за то, чтобы мы могли ими манипулировать, — это путь ГДЕ/КАК. В коре есть что-то вроде разделения труда: одни зоны заняты тем, что пытаются определить, ЧТО мы видим, а другие в это время стараются понять, ГДЕ это находится (и КАК это удобнее всего схватить).

Как это часто бывает, разобраться с тем, как устроены эти системы, помогли пациенты. У человека есть около трех десятков зрительных отделов, и повреждения в любом из них могут вызвать проблемы со зрением, но проявляться они будут по-разному [5]. Если у человека в обоих полушариях мозга поврежден вентральный (то есть нижний) путь ЧТО, у него развивается зрительная агнозия: он не может назвать или описать, что видит, но с легкостью берет предмет. Удивительно в этом синдроме то, что человек не может сказать или показать руками размеры блока, но при этом расставляет пальцы ровно на то расстояние, которое требуется, чтобы схватить блок рукой. Короче говоря, пациент со зрительной агнозией управляет движениями, полагаясь на зрительную информацию, о которой он понятия не имеет, если его об этом спросить.

Двусторонние повреждения дорсального (то есть верхнего) пути ГДЕ/КАК называются зрительной атаксией. В этом случае человек, наоборот, прекрасно видит, что перед ним, может описать форму, размер и ориентацию предметов, но не может взять предмет — он путается с тем, насколько широко нужно раскрыть ладонь и как далеко протянуть руку, чтобы удобно схватить то, что находится у него перед носом.

Крайне редко встречаются случаи, когда повреждения в дорсальном пути ограничены небольшими областями, избирательно реагирующими на передвижения объектов. Такие люди имеют почти нормальное зрение, вот только мир для них замирает и воспринимается как серия статичных кадров, в которых ничего не двигается, просто внезапно один кадр сменяет другой, где все совершенно иначе. Только что воды в стакане было на донышке, и вот уже она переполнила стакан, и вокруг него красуется лужица. Только что автомобиль был на горизонте, и внезапно он оказывается перед самым носом, а спустя время опять виднеется где-то вдали.

Наша сетчатка умеет (хоть и с опережением всего на несколько десятков миллисекунд) предсказывать будущее!

Если в результате инсульта у человека повреждаются определенные области в нижней части височных долей, может развиться прозопагнозия — проще говоря, он перестает узнавать лица, потому что отдел коры, который этим занимается, не работает.

Повреждения в различных областях затылочной и височной долей могут вызывать проблемы с восприятием цвета, симметрии, неподвижных объектов (при этом с подвижными все будет в порядке), с чтением (без проблем с письмом и пониманием речи на слух). Такие истории еще раз показывают, что зрительное восприятие — не пассивный процесс: множество отделов мозга слаженно работают, чтобы сконструировать модель видимого мира, и если какие-то из них перестают функционировать, модель мира лишается каких-то подробностей, которые мозгу просто нечем воспринимать.

Поток ЧТО не только отвечает за узнавание объектов, но и контролирует визуальное воображение и зрительную память. Чтобы мысленно представить себе что-то, нужен нижний поток, а чтобы сделать что-то прямо здесь и сейчас, не обойтись без верхнего. Вероятно, эти пути по-разному воспринимают видимый мир во времени и пространстве: зрение для действий должно оперативно анализировать картинку в целом, чтобы мы могли точно отбить теннисную подачу, а образное зрение позволяет рассматривать изображения в мельчайших подробностях, забыв о времени. В любом случае две эти системы прекрасно дополняют друг друга и выглядят единым целым до тех пор, пока каждая из них исправно работает.

О чем могут рассказать зрительные иллюзии

Мы часто забываем о том, что наше зрение отражает не физическую реальность, а то, что мозг думает о ней. Все потому, что чаще всего мозг чрезвычайно точен в своих интерпретациях. Используя плоские проекции с искажениями и неточностями на периферии — это все, чего можно добиться от сетчатки глаз, мозг выстраивает яркую и объемную картину. Вдобавок ко всему хитрый мозг самоустраняется из процесса восприятия: создает для нас впечатление, что наблюдаемый мир находится не в голове, а перед глазами и появляется там сам собой, без всякого участия зрительной коры.

Но иногда физическая реальность и то, как мы ее воспринимаем, расходятся настолько, что это нельзя не замечать, и тогда мы видим зрительные иллюзии. Иллюзии — это бреши в картине мира, которую рисует наш мозг, и через них можно подглядывать за тем, как он работает. Иллюзии появляются тогда, когда мозг не верит глазам и подправляет то, что мы видим. Подумать только: для мозга глаза — единственный источник зрительной информации, и тем не менее он считает, что ему виднее. Почему же так происходит?

Примеры зрительных иллюзий

Собственно, это как раз то, о чем нам могут рассказать зрительные иллюзии. И стоит признать, что у мозга есть веские причины «вносить правки». Ниже список самых важных причин, почему мозг не верит глазам [7]:

1. Сетчатка плоская, а мир объемный. Из трех измерений нам остаются только ширина и высота, а глубина мира схлопывается. В общем случае восстановить трехмерную реальность по двумерному изображению нельзя: любой плоской фигуре, попадающей на сетчатку, может соответствовать бесконечное множество форм в трехмерном мире. Например, шары, эллипсы, цилиндры и конусы самых разных размеров могут выглядеть на сетчатке как одно круглое пятно.

Мозг не полагается только на бинокулярное зрение и использует еще множество трюков, чтобы достроить третье измерение по плоским изображениям, которые мы видим.

Если дорисовать к линии еще несколько под разными углами, мозг использует эту дополнительную информацию, чтобы добавить в картину глубину, а затем применяет ее, чтобы сделать вывод о размерах объектов (даже если они ему примерещились) и длине отдельных линий.

2. Мы можем построить множество догадок о том, что сейчас перед нами, но мир вокруг один-единственный — проще говоря, нужна однозначность. Красная таблетка не может быть одновременно синей, а утка — зайцем. Если хороших вариантов несколько, мы можем переключаться между ними, но не воспринимать их одновременно.

3. Мозг умный. Когда ему приходится выстраивать трехмерное пространство по двумерным изображениям от глаз, он использует накопленный опыт, чтобы выбрать самый вероятный вариант. Мозг ставит на тот вариант, который чаще всего выглядит на плоскости так, как мы видим сейчас. Скажем, тонкая прямая полоска на картинке — это, скорее всего, спичка, а не монетка, потому что спичка выглядит как полоска со многих ракурсов, а монетка чаще — как эллипс или кружок. Прямые углы встречаются часто, а острые и тупые редко.

Комната Эймса легко обманывает умный опытный мозг. Это комната с непрямыми углами, где соотношения сторон и углов тщательно подобраны, а заглянуть внутрь можно через единственное окно. Только отсюда помещение с непрямыми углами выглядит так, как обычная прямоугольная комната. Мозг, как всегда, ставит на статистику и проигрывает, но в реальном мире эта ставка обычно срабатывает: прямоугольных комнат в миллионы раз больше, чем комнат Эймса.

Без способности мозга прогнозировать мы никогда не смогли бы «достроить» объем объектов, так как сетчатка — плоская.

4. Глаз не всегда видит все важные для восприятия детали, и мозгу приходится додумывать недостающее, анализируя контекст. Он дает дополнительную информацию, необходимую для правильного восприятия: скажем, цвета объектов зависят от цвета фона, потому что он помогает оценить освещение внутри сцены. Когда фон малоинформативен, и контекста недостаточно, мозг руководствуется тем, что знает о мире, и старается восполнить пробелы в восприятии.

Наверное, самой нашумевшей иллюзией такого типа стала фотография полосатого платья на пересвеченном фоне, которое люди воспринимали или как сине-черное на свету или как бело-золотое в тени. Этой иллюзии посвящено немало солидных научных статей — ученые пытались понять, почему люди видят платье на фотографии по-разному. Например, оказалось, что совы чаще видят платье сине-черным, а жаворонки — бело-золотым. Скорее всего, это связано с тем, какая схема освещения лучше знакома человеку и кажется более вероятной. Совы привычнее к электрическому свету, а жаворонки больше времени проводят на ярком солнце, поэтому они по-разному достраивают предпочтительный контекст для фото с платьем [8].

5. Наконец, мозг предсказывает будущее [9]. Глаз работает медленно, а мозгу нужно реагировать быстро. Сигналы от глаза поступают в мозг с запозданием: мы видим не то, что происходит сейчас, а то, что было 50–100 мс назад. А чтобы вовремя среагировать, нам нужно знать, что случится еще через 100–200 мс. Нервам и мышцам тоже требуется время, чтобы, например, отбить подачу ровно тогда, когда мяч окажется в зоне досягаемости (а информация от зрения еще только обрабатывается в сетчатке). Мозг действует, как королева из «Алисы в стране чудес»: все время стремится забежать вперед, чтобы не отстать слишком сильно.

Если мы видим линии в такой перспективе, как будто стремительно движемся, а горизонт и объекты вдоль нашего пути разбегаются по сторонам, мозг воспринимает происходящее на картинке как движение, поэтому он корректирует изображение так, как оно будет меняться на ходу. Это отлично срабатывает, когда мы несемся вперед, и видимый мир действительно меняется, как и предсказывалось. На статичном рисунке эти исправления выглядят странновато, но мозг автоматически подправляет картинку — ему так привычнее.

Глава 6

Как устроен слух

Слух играет в жизни человека особую роль, потому что люди разговаривают — обмениваются сведениями и впечатлениями, используя язык и способность уха воспринимать и моментально расшифровывать звуки речи собеседника. Когда человек говорит, воздух из его легких проходит через гортань с голосовыми складками и заставляет их вибрировать. Такие же вибрации издают и другие звучащие объекты — музыкальные инструменты, скрипящие двери, сталкивающиеся бильярдные шары, разбивающиеся тарелки и падающие на пол ножи и вилки. Эти механические колебания воздуха мы и воспринимаем как звуки.

С точки зрения слушателя звук можно описать как громкий или тихий и как низкий или высокий: на языке физических процессов им соответствуют амплитуда и частота колебаний воздуха.

Человеческое ухо способно слышать звуки в широком диапазоне частот — от 20 до 20 000[17] Гц, при этом звуки человеческой речи попадают в диапазон 100–10 000 Гц.

Амплитуда колебаний соответствует громкости, которая оценивается в децибелах. Встретившись с препятствием, воздушная волна будет давить на него с определенной силой, и это давление можно измерить и перевести в децибелы. Децибелы (дБ) — логарифмическая шкала: увеличивая давление на барабанную перепонку в десять, сто и тысячу раз, мы будем получать усиление громкости на 10, 20 и 30 дБ. Комфортная для нашего уха громкость звуков находится в диапазоне 50–60 дБ, 20–30 дБ — это очень тихие звуки, а 120–130 дБ — чрезвычайно громкие, вызывающие боль в ушах и повреждающие слуховой аппарат.

Чтобы мы могли что-то услышать, то есть чтобы мозг смог воспринять и интерпретировать волны, распространяющиеся по воздуху вокруг нас, механические колебания воздуха нужно преобразовать в электрические импульсы, которые через несколько промежуточных станций смогут попасть в первичную слуховую кору. Откровенно говоря, чтобы преодолеть этот путь и, скажем, превратиться из пара, выходящего через щель в металлической нахлобучке, в свист закипевшего чайника у нас в мозге, ему предстоит пройти множество превращений.

Где и как механическая волна превращается в электрический импульс

Среднее ухо

Первоначально воздушные волны пролетают через ушную раковину и наружный слуховой проход и с разбегу сталкиваются с барабанной перепонкой — тонкой пленочкой, отделяющей наружное ухо от среднего. Удар воздуха о перепонку приводит в движение три слуховые косточки: прикрепленный к перепонке молоточек толкает наковальню, наковальня передает удар дальше на стремя, а стремя, словно поршень, посылает колебания на овальное окно, за которым уже находится внутреннее ухо.

Система рычагов в среднем ухе работает как специализированный отдел по усилению сигналов: она может усиливать колебания, улавливаемые барабанной перепонкой, в 20 раз [6].

Строение уха

Из среднего уха воздух может проходить в носовую полость через евстахиеву трубу. Обычно этот проход закрыт клапаном, но иногда он может открываться. Это происходит, когда давление снаружи сильно меняется (например, когда человек летит в самолете), и из-за сильного перепада давления воздуха в наружном и среднем ухе барабанная перепонка слишком растягивается, вызывая сильную боль в ухе. Если в этот момент зевнуть или сглотнуть, клапан в евстахиевой трубе откроется, и избыточное давление на барабанную перепонку исчезнет.

Удивительная особенность среднего уха в том, что оно может менять коэффициент усиления между барабанной перепонкой и овальным окном, помогая нам адаптироваться к громким звукам. К молоточку и наковальне прикрепляются миниатюрные мускулы; в напряженном состоянии они могут сдерживать толчки между слуховыми косточками, придавая всей системе дополнительную жесткость. При этом низкие звуки ослабляются сильнее, чем высокие. Благодаря такой особенности мы можем слышать собеседника даже там, где очень шумно (звуки шума чаще всего более низкочастотны, чем голос). Этот же механизм включается, когда мы говорим сами: благодаря этому мы слышим свой голос более приглушенно, чем любые другие звуки той же громкости поблизости.

Очень громкие звуки действительно способны повредить наш слуховой аппарат.

Кроме того, этот механизм помогает нам защитить слух: слишком громкие звуки могут чисто механически повреждать нежные ткани внутреннего уха, а мышечный рефлекс в среднем ухе старается уберечь чувствительные клетки от повреждений. К сожалению, чтобы привести в действие защитный механизм, нужно время: речь идет о промежутках около 1/10 секунды, но даже этого времени достаточно, чтобы внезапный грохот (например, выстрел или взрыв) смог повредить внутреннее ухо. В крайних случаях человек может полностью потерять слух. Это называется баротравмой.

Внутреннее ухо

Через овальное окно колебания попадают во внутреннее ухо, которое делится на две функциональные части — улитку и лабиринт. Лабиринт состоит из полукружных каналов — они отвечают за равновесие, отслеживая положение головы в пространстве и направление ускорения, когда мы решаем изменить положение тела или покрутить головой.

Улитка — это слуховая часть внутреннего уха, отвечающая за превращение звуков в нервные импульсы. Здесь волны распространяются уже в виде колебания жидкости, заполняющей каналы внутри улитки.

Улитка представляет собой полую спираль длиной около 3 см и диаметром около 2 мм, поделенную на три отдельные полости, заполненные жидкостью. Полости внутри улитки называют лестницами. По барабанной лестнице механическая волна проходит по спирали внутрь от овального окна до самой верхушки и затем возвращается обратно по лестнице преддверия до круглого окна. Между ними расположена средняя лестница: на дальнем конце спирали у вершины улитки средняя лестница замыкается, а барабанная лестница соединяется с лестницей преддверия небольшим отверстием в мембране, позволяя остаткам колебаний внутри жидкости проходить от кончика обратно до круглого окна.

Внутри средней лестницы расположен миниатюрный кортиев орган. Он умеет улавливать звуковые волны и преобразовывать их в электрические потенциалы на поверхности нейронов. Ключевую роль в этом процессе играют волосковые клетки — главные уловители механических колебаний внутри кортиева органа. Они прикреплены сразу к двум мембранам: основанием — к гибкой основной мембране[18], отделяющей кортиев орган от барабанной лестницы, а верхушкой — к желеобразной, но довольно жесткой покровной (текториальной) мембране. Когда механическая волна бежит по жидкости от основания к вершине улитки, она способна деформировать податливую основную мембрану, смещая ее относительно покровной. Главный удар в этот момент берут на себя волосковые клетки, зажатые между двумя мембранами: пока основная мембрана колеблется, их колышет из стороны в сторону — эти колыхания и запускают процесс передачи нервного импульса.

Каким образом мозг отличает различные звуки — тонкий писк от утробного гудения (или, другими словами, высокочастотные колебания от низкочастотных)? Разные части улитки чувствительны к разной высоте звуков, это происходит благодаря различным свойствам основной мембраны у входа и на самом кончике спирали. При входе в улитку основная мембрана узкая и туго натянутая; здесь она легко входит в резонанс с самыми высокими тонами, попадающими в улитку. Чем дальше от входа, тем шире и слабее натянута мембрана, поэтому она резонирует с более низкими тонами, заставляя колебаться волосковые клетки и генерируя нервные импульсы.

Такое устройство напоминает клавиатуру пианино: слева расположен кончик улитки, справа вход и овальное окно, только диапазон октав в нашем ухе намного шире, чем в музыкальных инструментах. Получается, что каждый участок основной мембраны чувствителен к звукам определенной частоты, и место волосковой клетки, активирующей нейроны, однозначно определяет высоту звука, которое уловило ухо. Тренированное ухо может распознать всего около 1500 различных тонов [10].

Преобразования звуковой волны в электрические импульсы и сложный путь слухового сигнала в мозге

Сами волосковые клетки, раскачивающиеся вместе с участком основной мембраны, не относятся к нейронам; это сильно видоизмененные клетки кожи. В отличие от нейронов они еще не умеют генерировать нервные импульсы, зато, в отличие от других клеток кожи, уже умеют менять разность потенциалов на своей поверхности и выделять нейромедиатор. Волосковые клетки называются так неслучайно: на верхушке каждой клетки есть ирокез из жестких волосков[19], а на кончике каждого волоска находятся чувствительные к растяжению калиевые каналы. Когда клетка раскачивается из стороны в сторону, эти каналы то закрываются, то открываются, пропуская внутрь клетки калий.

Каналы соединяют богатую калием эндолимфу, заполняющую среднюю лестницу, с цитоплазмой, поток калия сбрасывает разницу потенциалов на клеточной мембране — клетка деполяризуется. Из-за этого открывается еще один тип ионных каналов, которые пропускают внутрь клетки кальций. Он связывается с пузырьками нейромедиатора глутамата, которые хранятся в основании клетки, и в итоге пузырьки схлопываются с клеточной мембраной, а нейромедиатор выбрасывается наружу. Его улавливают окончания нервных клеток, сидящих поблизости в спиральном ганглии, и уже оттуда нервный импульс отправляется в глубь мозга.

Нос и уши связаны друг с другом: воздух из среднего уха может проходить в носовую полость через евстахиеву трубу.

Я привожу этот процесс в таких подробностях, потому что с этим сложно устроенным механизмом связаны некоторые интересные вещи. Начать нужно с того, что волосковые клетки тоже бывают разными. Внешние волосковые клетки более многочисленны, в кортиевом органе они сидят компанией в три ряда, однако к ним «прислушивается» всего 5 % нейронов, отправляющих звуковые сигналы в мозг. Остальные 95 % нейронов подводят свои чувствительные окончания к внутренним волосковым клеткам, которых в ухе в три раза меньше, чем внешних, — они сидят отдельным рядком ближе к основанию кортиева органа.

Если большую часть звуковой информации формируют малочисленные внутренние клетки, чем же заняты многочисленные внешние? Ответ на этот вопрос звучит немного парадоксально: они танцуют. Кроме шуток: внешние волосковые клетки начинают активно раскачиваться в ответ на малейшие колебания основной мембраны.

Только у внешних волосковых клеток на мембране есть специальные подвижные белки, заставляющие клетку пританцовывать, используя разность потенциалов между цитоплазмой и эндолимфой. Раскачиваясь, внешние волосковые клетки усиливают колебания основной мембраны, увеличивая сигнал для неподвижной, но чуткой внутренней волосковой клетки.

Эти танцы внешних волосковых клеток могут приводить к необычному на первый взгляд явлению: ухо может не только воспринимать звуки, но и испускать их. Если перед самым человеческим ухом прозвучит отрывистый щелчок, чувствительный «микрофон» внутри слухового прохода сможет записать короткое эхо, которое издаст в ответ здоровое ухо с нормальными наружными волосковыми клетками. Иногда эти клетки могут совершенно спонтанно слегка подрагивать; если вокруг очень тихо, наш слуховой аппарат может уловить сигналы, возникающие во время этих подергиваний — это и есть то, что называют звенящей тишиной: в отсутствие любых звуков ухо начинает улавливать собственный едва заметный звон, издаваемый волосковыми клетками. Проблемы со слухом внутри улитки могут проявляться двояким образом: с одной стороны, в поврежденных участках улитки колебания наружных волосковых клеток могут становиться слишком сильными, и тогда в ушах возникает неприятный постоянный звон — тиннитус. С другой стороны, воздействие мощной ударной волны звуков за пределами болевого порога может настолько повредить волосковые клетки, что ухо станет беззвучным — оно потеряет способность улавливать звуки, и эха из уха доноситься тоже не будет [6].

1500 тонов — именно столько способно распознавать человеческое ухо (если перед этим хорошенько натренировать его).

Еще одна интересная особенность внутреннего уха в том, что оно не только отправляет сигналы в мозг, но и получает множество сигналов из него: они используются для того, чтобы максимально сконцентрировать восприимчивость основной мембраны в нужном диапазоне для получения более отчетливого сигнала. Этот механизм помогает нам слышать голос собеседника в гомоне других голосов в толпе, настраиваясь на его тембр [1].

Легко ли увидеть мир вверх тормашками?

На сетчатке мир отображается перевернутым, но видим мы его правильно: сверху небо или потолок (нижняя часть сетчатки), снизу земля или пол (верхняя часть). Если лечь на бок, изображение на сетчатке повернется, однако мы все еще правильно будем воспринимать направления: потолок теперь будет проецироваться на боковой части сетчатки, но мы по-прежнему будем воспринимать его сверху, а пол снизу. Каким образом мозг определяет, где верх и низ у изображений на сетчатке, и легко ли его обмануть, перевернув мир вверх тормашками?

Один из первых, кто задался этим вопросом, был Джордж Стрэттон — изобретатель инвертоскопа. Это такие специальные очки с зеркалами, которые переворачивают то, что мы видим, перед тем как это еще раз перевернет хрусталик: в итоге изображение на сетчатку попадает в правильной ориентации, а не в перевернутой. Каким же его видит мозг?

Стрэттон решил стать первым испытуемым, и в 1897 году носил свои необычные очки, не снимая, восемь дней подряд. По его собственным сообщениям, в первый день его тошнило, потом стало немного легче, и только на четвертый день все встало на свои места, и он перестал видеть мир перевернутым. На пятый день он смог перемещаться по дому без особых затруднений, однако если он присматривался к предметам, они опять начинали выглядеть перевернутыми. В общем, зрение адаптировалось к произведенному перевороту, но за неделю Стрэттон так и не смог полностью освоиться в перевернутом мире. Когда он снял очки, нормальное восприятие вернулось почти сразу, спустя несколько часов все выглядело как обычно.

Многие исследователи пытались повторить опыты Стрэттона, но ни один из испытуемых не сказал о том, что к нему вернулось нормальное восприятие мира, где все вернулось на свои места, — ни через четыре дня, ни через десять [11]. Они смогли приспособиться к этому странному ощущению, перемещаться без посторонней помощи и даже управлять велосипедом, но видимый мир упрямо отказывался вставать на свое привычное место. Испытуемые говорили, что все выглядит так, словно их перевернули вверх ногами в обычном мире. Когда мозг пытается сориентировать видимое изображение в пространстве, он полагается не только на зрение, но и учитывает сигналы от вестибулярного аппарата.

Вестибулярный аппарат определяет положение нашего тела в пространстве. Его сенсоры находятся во внутреннем ухе рядом с улиткой. Для этого используются волосковые клетки в полукружных каналах лабиринта и на специальных участках чувствительного эпителия, только здесь они воспринимают не звуковые колебания, а действие гравитации и силы ускорения, которые смещают волоски, погруженные в инертную желеобразную субстанцию, когда мы меняем положение тела. Если вестибулярный аппарат не работает как надо, это может проявляться по-разному: иногда люди дезориентированы в пространстве, не могут удержать равновесие и страдают от головокружений, но бывает и так, что человек чувствует себя нормально, вот только видит мир повернутым набок или вовсе перевернутым [12].

Тем не менее вполне здоровые люди могут увидеть мир перевернутым без инвертоскопа — правда, только в том случае, когда на них перестает действовать гравитация, как это случается с космонавтами в невесомости. По этой причине у космонавтов должно быть не только крепкое здоровье, но и нервы: сенсорный конфликт и мир, переворачивающийся перед глазами, неподготовленного человека могут свести с ума [13]. Тренировки перед космическом полетом могут могут походить на кошмар: человек, которого раскручивают на центрифуге с большим ускорением, может чувствовать тошноту, головокружение и… увидеть мир вверх тормашками, не покидая земли.

Вестибулярная система взаимодействует со зрительной, проставляя точки отсчета «верх — низ» для того, что мы видим. Видеть мир в правильной ориентации мы можем благодаря совместной работе глаз и ушей. Чтобы посмотреть на мир вверх ногами, достаточно встать головой вниз, но мозг все равно будет прекрасно понимать, где верх, а где низ. Чтобы увидеть мир по-настоящему перевернутым, нужно обмануть оба чувства или же серьезно повредить одно из них.

Путешествие звука от уха в глубь мозга

Сигналы о звуках (вместе с сигналами о равновесии от полукружных каналов) отправляются к стволу мозга по собственному черепному нерву — преддверно-улитковому. Как и в случае со зрительной системой, по пути часть волокон перекрещивается; правда, здесь нет никаких зрительных полей, и на другую сторону переходит не половина, а примерно 90 % всех волокон, несущих слуховую информацию. После перекреста информация из моноуральной становится бинауральной, то есть нейроны могут сопоставлять информацию от двух ушей и делать выводы об источнике звука, сравнивая время и интенсивность сигналов в каждом из них.

Наши уши способны вычленить из моря голосов только тот, который для нас важен, благодаря инструкциям от мозга.

Из ствола, где происходит перекрест сигналов, информация отправляется в нижние бугры четверохолмия. Вместе с верхними буграми, которые отслеживают зрительную информацию и движения глаз, они обеспечивают ориентировочные рефлексы, благодаря чему мы можем почти мгновенно обернуться на внезапный звук, и направление взгляда будет довольно точно соответствовать месту, откуда раздался звук.

Направление резкого звука мы можем определять благодаря ядрам, расположенным в стволе. Они специально «заточены» для того, чтобы оценивать разницу между моментами, когда звук достиг правого и левого уха.

Если источник находится прямо спереди или сзади, звук достигнет ушей одновременно, а если, например, доносится слева, то левого уха он достигнет примерно на полмиллисекунды раньше, чем правого. Вообще-то это крохотная разница, буквально одно мгновение, но возможности нашей слуховой системы определять ее просто поражают воображение: в слуховых ядрах ствола нейроны в состоянии улавливать различия меньше чем в 1/1000 секунды! Люди не столь точны в своих оценках, как нейроны в мозге, но тем не менее наша способность определять направление до источника звука тоже впечатляет: в экспериментах люди отмечали различия в 2 градуса — когда объект смещается на такой угол, разница во времени, за которое звуки долетают до правого и левого уха, меняется всего на 11 микросекунд.

Из нижних бугров четверохолмия информация отправляется в таламус и уже оттуда попадает в первичную слуховую кору, расположенную по верхней кромке височной доли. На протяжении всего путешествия от кортиева органа к коре нервные волокна, проводящие сигналы, сохраняют тонотопию — звуки разной частоты расположены в нейронах упорядоченно: низкие звуки, улавливаемые верхушкой улитки, попадают в участки слуховой коры спереди, и чем дальше назад вдоль слуховой коры, тем более высокие звуки там обрабатываются. Об организации первичной слуховой коры ученым пока мало что понятно: в ней обнаружены нейроны, которые чувствительны к звукам определенной интенсивности либо избирательно активируются на сигналы от одного уха и подавляют активность на сигналы от другого (или, наоборот, активируются только на сигналы, идущие от двух ушей). Кроме того, есть нейроны, различающие звуки одной частоты, но разной длительности. Некоторые нейроны в первичной слуховой коре реагируют на более сложные звуки — стуки, щелчки, шумы и звуки животных. Вероятно, нейроны первичной слуховой коры чувствительны к временным характеристикам звуков — это особенно важно для восприятия речи: имеет значение не только набор высоких и низких частот, но и конкретный порядок их появления, пока человек произносит какую-то фразу или слово [14].

В зависимости от нашего положения в пространстве звук может достигать обоих ушей одновременно или, наоборот, какого-то одного — в первую очередь.

Вблизи первичной слуховой коры расположены более высокоуровневые зоны: считается, что вторичная слуховая кора важна для восприятия гармонии, ритма и мелодии звуков (это не обязательно касается музыки; у речи тоже есть своя мелодия и ритм). Возможно, она отвечает и за то, чтобы мы могли отличать различные фонемы в речи (например, что произносит наш собеседник: «люк» или «лук»). Третичная слуховая кора, по всей вероятности, воспринимает более сложные и цельные слуховые образы.

Как устроено движение

Движение — это жизнь.

Аристотель

Животные (как царство[20]) отличаются от других многоклеточных организмов (растений и грибов) прежде всего способностью к целенаправленному движению и мозгами, причем мозги и движение идут рука об руку: чем сложнее поведение, тем больше мозг (с поправкой на физические размеры организма). Если ты проводишь всю жизнь, сидя на одном и том же месте, не имеет никакого смысла заводить себе такой дорогостоящий орган. Собственно, мозг нужен животным именно для того, чтобы эффективно двигаться в поисках пропитания, не врезаясь в препятствия и по возможности избегая неприятностей вроде естественных врагов и конкурентов. У кактусов и мухоморов мозга нет, а у гусеницы и червяка есть, потому что в случае кактусов и мухоморов для выживания можно обойтись сравнительно дешевыми защитными механизмами (вроде колючек или ядов), а пропитание грибы и растения добывают себе без лишней суеты, сидя на одном и том же месте.

Люди — не исключение из железного правила биологии «МОЗГ НУЖЕН ДЛЯ ДВИЖЕНИЯ». Хотя мышление людей устроено намного сложнее, чем у других представителей живого мира, наш мозг тоже предназначен прежде всего для движения. Об этом говорит хотя бы тот факт, что в отделах мозга, отвечающих за движение, находится большинство нейронов нашего мозга, а многие другие, недвигательные, задачи в нашем мозге, если присмотреться, оказываются тесно связанными с действиями.

Наши выдающиеся способности к познанию, анализу и самокопанию первоначально развивались, чтобы мы могли лучше двигаться — легче, быстрее, эффективнее, безопаснее, в правильном направлении и, по возможности, в сплоченном кругу единомышленников.

В нашем теле есть две взаимодополняющие системы, от которых мы зависим в любой деятельности. Сенсорная система получает информацию от систем осязания (и не только) и на ее основе формирует внутреннее представление о нашем теле во внешнем мире. Двигательная система, наоборот, отталкивается от этого внутреннего представления, чтобы изменить его в нужную сторону в реальном мире. Вот мы стоим на игровом поле, и в нашу сторону летит мяч. Мозг позволяет за считаные секунды оценить положение тела, направление и скорость движения мяча и отдать команду мышцам тела, чтобы спустя мгновение мяч оказался в наших руках (или полетел к другому игроку после паса ногой — все зависит от правил и навыков). Если вникнуть в то, как это происходит, это невероятная по сложности задача. Мозг в буквальном смысле на лету способен анализировать малейшие отклонения в движении объектов, чтобы моментально в точности скорректировать движения мышц для достижения нужной цели — сохранить равновесие, споткнувшись или наступив на шаткую поверхность; перехватить мяч, поменявший траекторию от порыва ветра; подхватить опрокинутый стакан или телефон, летящий из рук на асфальт. Хоть нам и не всегда удается все это сделать, поразительно, что довольно часто многое все-таки получается — двигательный контроль в мозге доведен практически до совершенства, и даже обидно, что мы так редко об этом задумываемся.

Надо сказать, что наша невнимательность и даже некоторая беспечность обычно не помеха для повседневных дел — большинство движений запускаются мозгом в обход осознания. Это весьма предусмотрительно, ведь внимание человека — это ценный и ограниченный ресурс, а мышц в организме больше полутысячи[21].

Если отслеживать шевеление каждой мышцы, можно просто сойти с ума. Даже если отслеживать не отдельные мышцы, а движения, задача остается чересчур сложной. Показателен пример: при каждом шаге движениями ног управляют несколько десятков слаженно работающих мышц.

Обычный человек ежедневно проходит хотя бы несколько тысяч шагов, и если бы нам приходилось в буквальном смысле сознательно контролировать каждый свой шаг, это было бы крайне утомительно (и, скорее всего, неэффективно). Однако именно потому, что все это проходит мимо нашего внимания, мы не подозреваем, насколько сложные процессы стоят даже за самыми тривиальными движениями.

В мозге есть целая иерархия отделов, которые занимаются контролем движения. Сначала в голове должна возникнуть цель, ради которой мы захотим пошевелиться. Желательно, чтобы в каждый момент времени она была одна: если их внезапно больше, придется думать, что выбирать или как исхитриться угнаться за обоими зайцами в одном забеге. После того как мы определились с выбором цели, нужен план действий, который поможет ее достичь. Дальше мозг должен превратить последовательность действий в партитуру для скелетной мускулатуры: какие мышцы и с какой силой нужно напрячь, в каком порядке подобрать для каждой нужный момент, чтобы запустить сокращение, отследить длительность и точность и т. д. Нашему внутреннему «моторному» дирижеру приходится согласовывать и направлять все эти штуки, и он справляется с этим блестяще — до такой степени, что мы даже не обращаем внимания на то, насколько это сложно[22].

После всех подготовительных этапов во время выполнения действий нужно постоянно получать обратную связь от тела, чтобы каждое мгновение вносить корректировки в то, что происходит: сменить темп и силу сокращений мышц ног и корпуса в зависимости от того, оказался ли пол под ногами скользким, покрытым ворсистым ковром или заваленным досками и мешками с цементом для предстоящего ремонта. Все это обычно проходит мимо нашего сознания, кроме самой верхушки айсберга — скажем, осознания, что сейчас надо подойти к двери и посмотреть, кто пришел.

Глава 7

Кто такой кортикальный гомункул и как он появился

Вначале было электричество. В том смысле, что долгий путь к созданию гомункула начался с того, что Луиджи Гальвани[23] взял дохлую лягушку и заставил ее задние лапы дергаться и сокращаться при помощи электрических разрядов в область седалищных нервов [1]. Гальвани заинтересовался происходящим и решил лучше разобраться с тем, почему электричество заставляет мертвую лягушку трепыхаться, словно она живая. Он подошел к феномену не как физик, а как физиолог: тщательно исследовал вновь открытое явление и заключил, что электричество способно оживлять обездвиженные мышцы, потому что заменяет собой электрические импульсы, которые в живом организме генерирует головной мозг. Так Луиджи Гальвани стал отцом-основателем электрофизиологии, а сотни его последователей начали изучать биоэлектричество и его роль в жизни животных.

Следующими в ряду праотцов гомункула стали Густав Фрич и Эдуард Гитциг: они решили посмотреть, что будет, если стимулировать не периферические нервы, а кору головного мозга животных. Оказалось, что реакция будет зависеть от того, куда конкретно направить электрический разряд. Если стимулировать участки мозга, расположенные примерно посередине каждого из полушарий, можно наблюдать сокращения мускулов на противоположной стороне тела животного. Прикладывая электрод к разнообразным участкам коры, ученые в конечном счете обнаружили, что в мозге есть двигательная полоска — узкая вертикальная полоса серого вещества, вдоль которой расположены центры управления скелетными мышцами на противоположной стороне тела[24]. Разным мышцам соответствовали разные участки двигательной полоски, то есть двигательный контроль в коре головного мозга имел выраженную топографическую организацию, где каждый из участков коры отвечал за движения определенной части тела.

Электрическая стимуляция мозга помогает понять во время нейрохирургической операции, все ли идет по плану.

С развитием нейрохирургии электрическую стимуляцию мозга стали применять нейрохирурги. Когда в мозге развивается опухоль, ее нужно удалить, чтобы спасти пациента, но сначала важно разобраться, где проходит граница между здоровой и перерожденной тканью. Если этого не сделать, со всех сторон поджидают неприятности: если быть осторожным и оставить в мозге часть опухоли, она может вырасти вновь, а если перестараться и удалить лишнее, можно повредить здоровые участки коры, нарушив нужные и важные процессы. Поэтому нейрохирурги проводят тестовую электрическую стимуляцию вокруг опухоли перед тем, как ее удалять. Таким образом медики проверяют, где заканчивается опухоль и начинаются здоровые ткани, заметно увеличивая шансы пациента на благополучный исход и снижая риск потери неврологических функций.

Этот подход помогает не только пациентам, но и ученым [2]. В 1937 году Уайлдер Пенфилд и Эдвин Болдри опубликовали в журнале Brain статью, где рассказывали о результатах стимуляции той самой двигательной полоски в головном мозге 126 пациентов, которых Пенфилд прооперировал под местной анестезией. В основу работы легли отчеты о том, где и какие ощущения замечали пациенты, пока хирург перемещал стимулирующий электрод вдоль центральной борозды, разделяющей лобную и теменную доли. Эти данные помогли понять, как у человека организованы отделы коры, отвечающие за ощущения и управление телом.

Карта тела в коре головного мозга сильно отличается от реальных пропорций тела.

Тщательно проанализировав толстую кипу протоколов операций, ученые получили первую всеобъемлющую карту с расположением зон человеческого тела вдоль моторной и соматосенсорной коры. На 42-й странице статьи Пенфилда и Болдри читатель встретит небольшое перевернутое изображение человека-лягушки с непропорционально большой головой и руками — это был сенсомоторный гомункул собственной персоной. Своим появлением он отражал то, как, по мнению ученых, усредненный мозг соотносился с усредненным человеческим телом[25].

Примерно так выглядит гомункул

В нашем головном мозге отделы коры, отвечающие за движения и ощущения в теле, расположены в прямом смысле бок о бок. Они разделены довольно глубокой центральной бороздой, отделяющей лобную долю от теменной. Спереди от борозды расположена первичная моторная кора — она контролирует наши движения; сзади — соматосенсорная, которая получает от тела обратную связь и затем отправляет ее к моторной коре. Вдоль двух узких полосок находятся различные участки, которые, как и у животных, организованы топографически, представляя собой карту ощущений и движений тела.

Исследуя своих пациентов, Пенфилд обратил внимание на то, что карта нашего тела в коре больших полушарий мало похожа на то, как мы видим себя в зеркале. Во-первых, тело человека в коре как бы перевернуто: ближе к макушке расположены участки, управляющие движениями ног, затем чуть ниже появляются участки, управляющие руками: предплечьями, ладонями и отдельными пальцами, а еще ниже расположены участки, отвечающие за движения лицом, ртом и языком. Сзади параллельно и в том же порядке идут зоны коры, отвечающие за чувствительность в этих частях тела. Вторая необычная особенность кортикального гомункула заключается в том, что карта тела в коре совершенно не соответствует пропорциям нашего тела в действительности. Зоны, отвечающие за лицо и кисти рук, чрезвычайно увеличены по сравнению с зонами, отвечающими за все остальное тело.

Если вдуматься, у такой диспропорции в представлениях коры о нашем теле есть определенный смысл: лицо и кисти рук — это одни из самых важных зон в повседневной жизни человека. Лицо и рот служат не только воротами в наш организм (и обратно), пока мы дышим, глотаем, жуем и облизываемся, чихаем и кашляем. Помимо этого, нос, рот, гортань и несколько полостей внутри головы образуют тот самый речевой аппарат, с помощью которого мы разговариваем. Чтобы четко и без запинки выговорить «Клара у Карла украла кораллы», нужно поистине виртуозное владение мышцами речевого аппарата. Чтобы четко говорить с приемлемой скоростью, нужно тщательно координировать мельчайшие движения и делать это чрезвычайно быстро. Опять-таки, чтобы написать или напечатать ту же самую скороговорку, а также продеть нитку в иголку, завязать шнурки или съесть тарелку риса китайскими палочками, понадобится уже тонкая моторика рук. С другой стороны, когда нам нужно двигать ногами или корпусом, такая филигранная и точно скоординированная работа мускулатуры не нужна, поэтому подвижность и чувствительность этих зон (как и их представленность в коре больших полушарий) намного скромнее.

Зоны мозга, отвечающие за лицо и руки, сильно увеличены по сравнению с другими зонами.

В дальнейшем оказалось, что двигательный ответ на электрическую стимуляцию первичной моторной коры зависит от длительности воздействия. Короткие импульсы длительностью около 1/20 секунды обычно вызывали короткие сокращения отдельных мускулов. Однако если продолжать стимулировать участок коры, ответ становится куда более сложным и неоднозначным. Скажем, если стимулировать определенный участок полсекунды, можно вызвать сложное движение, которое не просто затрагивает несколько мышц, но и зачастую задействует несколько частей тела, например руку и лицо (когда обезьяна будто бы брала что-то невидимое из воздуха, подносила к лицу и открывала рот, чтобы съесть, или поднимала руку и строила угрожающую гримасу, словно защищаясь от чего-то).

Простое соответствие между нейронами в моторной коре и частями нашего тела оказалось не таким уж простым.

Можно сказать, что карта нашего тела в первичной моторной и соматосенсорной коре — это не просто карта биотопов нашего тела, когда на определенном участке либо «растет лес» (кодируются движения рукой), либо «простирается степь» (кодируются движения лица). Скорее это что-то вроде карты народов, которые предпочитают селиться рядом со своими, но могут перемешиваться с соседями. Где-то этнос живет изолированно: в этой области длительная электрическая стимуляция запускает движение только пальцев руки, только движение ногой и т. д. Чем ближе к центральной борозде, разделяющей соматосенсорную и моторную кору, тем больше «мультикультурность»: в некоторых участках непосредственно вблизи от борозды можно запустить программу движений, охватывающую практически все части тела [2].

Гомункул оказался очень необычным и наглядным, но все-таки излишне упрощенным представлением того, как устроена связь между корой головного мозга и телом. Тем не менее он верно отражает две важные закономерности. Во-первых, в коре головного мозга сверху расположены участки, контролирующие нижнюю часть тела, а внизу — те, что контролируют рот и лицо, расположенные выше всего, то есть карта нашего тела «нарисована» вверх тормашками. Во-вторых, в этой карте есть очевидная диспропорция: огромные области внутри мозга заняты управлением сравнительно небольших по размеру частей — рук и лица, — которые играют чрезвычайно важную роль в нашей повседневной жизни и общении с другими. Тем не менее участки коры вдоль центральной борозды с расположившимся там гомункулом — далеко не единственные отделы, напрямую связанные с движениями.

Глава 8

Кто есть кто: как кора головного мозга управляет движениями

Если анализ информации от органов чувств начинается с первичной зрительной и слуховой коры, то в случае движений первичная моторная кора (ее еще сокращенно называют М1) — конечная станция двигательного планирования. Это и есть та двигательная полоска, от которой сигналы идут уже непосредственно к мотонейронам, управляющим отдельными мышечными волокнами. Первичная моторная кора, запускающая движения, — это узкий участок коры, идущий спереди вдоль центральной борозды, разделяющей лобную и теменную долю. Сзади от той же центральной борозды идет примерно такой же узкий участок, отвечающий за чувствительность нашего тела — соматосенсорная кора. И над М1 существует целая начальственная иерархия из структур двигательного контроля, которые занимаются тем, как соотнести наши хотелки и нужды с поведением, то есть как преобразовать наши высокие (или не очень) намерения в подходящую для этих целей последовательность мышечных сокращений.

Даже для того, чтобы намеренно не двигаться, мозг активирует отделы, отвечающие за контроль движений.

Например, если кто-то просит уступить ему место, вариантов может быть примерно три: встать и уступить место, отказаться вставать или же просто проигнорировать просьбу. Во всех трех случаях нужно реализовать ту или иную двигательную программу — напрячь мышцы ног и корпуса, чтобы встать, задействовать речевой аппарат (открыть рот и сказать «нет») или отвести взгляд и по возможности не подавать вида, что просьба вообще прозвучала. Даже для того, чтобы ничего не делать и никуда не двигаться, требуется работа отделов двигательного контроля — от принятия решения до его последствий (мозг обязательно отслеживает, к чему привела та или иная реакция, чтобы использовать это в будущем).

«Основные игроки», принимающие активное участие в двигательном контроле, и распределение обязанностей между ними

Спереди от М1 есть два отдела, связанные с планированием движений, — премоторная и дополнительная моторная кора. Если стимулировать эти отделы, то, вместо того чтобы сразу двигаться, пациент почувствует острое желание пошевелиться. И только если продолжить стимуляцию, намерение будет выполнено, и мышцы придут в движение [1]. Во время стимуляции пациенты чувствуют неодолимое желание выполнить определенное действие — схватить какой-нибудь (не важно, какой) объект в поле зрения или согнуть и подвинуть ногу под себя. Пациенты прекрасно осознают, что именно они хотят сделать, но никак не могут контролировать или подавить это желание до тех пор, пока не закончится стимуляция.

Премоторная кора помогает нам не падать, даже когда мы стоим на «качающейся» поверхности.

Дополнительная моторная кора участвует в планировании и организации последовательностей движений; кроме того, она нужна для того, чтобы вовремя остановить привычные автоматические действия, которые человек машинально выполняет в определенной ситуации, и сделать взамен что-то другое [3]. Если дополнительная моторная кора начеку, скорее всего, у нас получится заскочить в ремонт обуви или химчистку по дороге домой, даже если мы бываем там крайне редко. Если дополнительная моторная кора «проспит», автопилот доведет нас до дома, и только там мы вспомним о костюме и туфлях, которые собирались забрать по пути домой.

Премоторная кора наиболее активна непосредственно перед тем, как M1 запустит команду двигаться: она собирает информацию о том, куда именно сейчас будет направлено движение и как расположено наше тело относительно цели. Скажем, если нам нужно перешагнуть с пирса на борт лодки, которая немного покачивается на волнах, премоторная кора поможет не промахнуться мимо борта лодки и не потерять равновесие, когда мы сделаем шаг над водой.

Хотя в коре полушарий головного мозга есть всего три отдела со словом «моторный» — первичная моторная, премоторная и дополнительная моторная кора, — на самом деле контроль наших действий задействует практически все отделы новой коры. Чтобы совершать целенаправленные действия, нужно понимать, в каком положении находятся отдельные части тела, куда и как их необходимо переместить и каким образом это можно сделать. Дальше нам зачастую приходится держать весь план действий в голове и следить за тем, не поменялось ли чего, — в этом случае план нужно скорректировать под новую ситуацию [4]. Одной моторной корой в таком случае не обойдешься.

При стимуляции разных зон мозга, отвечающих за движение, пациенты описывают возникшее желание двигаться по-разному.

Тем не менее в мозге есть еще одна зона, связанная с движением и двигательным планированием самым непосредственным образом, — ассоциативная соматосенсорная кора в верхней теменной дольке. Если проводить электрическую стимуляцию этой зоны, пациенты также сообщают о субъективном желании двигаться, однако в этом случае они описывали это желание совершенно иначе, чем во время стимуляции премоторной и дополнительной моторной коры. Во-первых, у пациентов не было ощущения, что это неодолимое и неконтролируемое желание, во-вторых, они обычно не могли толком объяснить, какое именно движение хотят совершить. Самое интересное, что, когда исследователи увеличивали силу и продолжительность стимуляции, пациенты все равно оставались неподвижными, но при этом были уверены, что уже совершили движение. Фактически во время стимуляции задних отделов теменной коры пациенты испытывали иллюзорные движения!

Вероятно, в теменной доле расположены отделы, контролирующие выполнение движений и сопоставляющие их с обратной связью от тела [1]. Теменная доля хорошо подготовлена для выполнения таких задач: в ассоциативную теменную кору поступает зрительная информация о том, где расположены интересующие нас объекты относительно текущего положения в пространстве, а расположенная рядом верхняя теменная долька получает тактильную информацию от первичной соматосенсорной коры. На основе этой информации формируется внутренний образ тела; у пациентов с повреждениями в этой зоне наблюдаются большие проблемы с восприятием своего тела — вплоть до того, что человек вообще перестает воспринимать определенные части тела как собственные [4]. В неврологии это называется нарушениями схемы тела.

Кора головного мозга контролирует сложные тонкие движения, необходимые для речи и письма. Для кашля и чихания, смеха или плача существуют зоны в стволе мозга, контролирующие эти жизненно важные движения, а кора здесь играет малозаметную роль, если играет вообще. Вероятно, именно поэтому такие действия невозможно выполнять по собственной воле[26]: моторная кора просто не может вмешаться в процессы, которыми управляет ствол мозга, ведь такие произвольные вмешательства в жизненно важные процессы могут обернуться большими неприятностями [3].

Кора головного мозга управляет речью, а вот кашель она может разве что подавить, но не запустить — здесь вступает в игру ствол мозга.

Потенциал готовности и свобода воли: кто управляет нашими решениями?

Все началось с того, что в 1964 году Ганс Гельмут Корнхубер[27] и его аспирант Людер Дике[28] захотели исследовать что-то более интересное, чем пассивные реакции мозга на стимулы [5]. Они решили посмотреть, как выглядят записи электроэнцефалограммы (ЭЭГ) у добровольцев, совершающих произвольные движения. Чтобы избежать помех, участники сидели неподвижно, шевелить им разрешалось только кистью руки. Усреднив множество таких записей, ученые обнаружили на записях ЭЭГ потенциалы готовности — небольшие сдвиги напряжения электрического поля к отрицательным значениям уже за секунду (!) до того, как человек сделает движение.

У потенциала готовности две фазы. Ранняя фаза более слабая, начинается за 1–1,5 секунды до движения, проявляется в области дополнительной моторной и поясной моторной коры, где движения планируются. Поздняя, более заметная, возникает примерно за полсекунды до самого мышечного сокращения в первичной моторной коре, запускающей движение.

В 1980-х годах Бенджамин Либет[29] решил узнать, как соотносится потенциал готовности с сознательным решением человека совершить определенное действие. Чтобы максимально точно засечь время решения, Либет просил добровольцев смотреть на специальный циферблат с точкой, которая совершала полный оборот за 2,56 секунды. Добровольцы должны были ждать, когда у них возникнет спонтанное желание шевельнуть рукой, и максимально точно запомнить положение точки в этот момент. Затем время на часах сравнивали с записями ЭЭГ и электрической активностью в мышцах.

В эксперименте обнаружилось два любопытных результата. Во-первых, люди способны довольно точно оценить, когда именно чувствуют сознательное желание действовать: в каждом из 40 испытаний волонтеры сообщали о том, что почувствовали намерение за 200 мс до начала движения (точность оценки составляла всего 20 мс, то есть разброс по времени между испытаниями был на удивление мал). Во-вторых, поздняя фаза потенциала готовности (той, что связана непосредственно с запуском движения в первичной моторной коре), наступала на 350 мс раньше, чем человек ощущал сознательное намерение двигаться! Сознательное желание пошевелиться отставало от момента запуска движения в премоторной коре на 300–400 мс — это оценка почти не менялась в 40 испытаниях для каждого из девяти участников эксперимента Либета.

Получается, что наш мозг сам заранее принимает решение без нашего участия, довольно запоздало уведомляя сознание о том, что сейчас будет происходить. Многие восприняли эти результаты как свидетельство того, что свобода воли — не более чем иллюзия, оформляющая поведение человека для него самого задним числом. В чем же смысл такого странного распорядка внутри нашей головы и зачем вообще нужна иллюзия осознанного решения?

Одно из объяснений заключается в том, что задача сознания — оценить решение, принятое в двигательных отделах мозга, и при необходимости дать команду остановиться, пока не поздно. Можно сказать, что мы осознаем свои намерения в самый последний момент: примерно за 200 мс до запуска движения как раз проходит точка невозврата, после которой человек уже не сможет остановить движение, даже если обстоятельства внезапно поменялись.

Это удалось показать в одном исследовании: на всех трех его этапах участников просили смотреть на экран и ждать, когда загорится зеленая лампочка, затем подождать примерно две секунды и нажать на педаль — в любой удобный момент, но до того, как лампочка загорится красным. Если они успевали, зарабатывали очки; если нет, теряли заработанные баллы. На первом этапе ученые обучали компьютер предсказывать действия участников по записям ЭЭГ, на втором оттачивали алгоритм, чтобы улучшить эффективность прогноза, а на третьем компьютер играл против участника, переключая лампочку на красную, когда засекал на ЭЭГ команду нажать на педаль.

Оказалось, что, если компьютер переключал лампочку на красную больше чем за 200 мс до начала движения, люди успевали остановиться, заметив запрещающий сигнал. Если красная лампа зажигалась позже, оставалась лишь одна возможность не проиграть компьютеру — как можно быстрее поменять траекторию текущего движения, чтобы нога прошла мимо педали [6].

Результаты этих экспериментов породили ожесточенные дискуссии и новые эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть существование свободной воли и прояснить ее взаимоотношения с нашими действиями и процессами в мозге. Многие вопросы упираются в терминологию и личные пристрастия спорящих и вряд ли вообще разрешимы. Тем не менее из всех этих исследований можно сделать несколько довольно любопытных выводов.

Во-первых, планирование поведения и запуск движений поначалу идут неосознанно, то есть на самых ранних этапах двигательная программа в мозге разрабатывается без осознания происходящего. Тот момент, когда мы ощущаем намерение выполнить определенное действие, по-видимому, наступает намного позже, когда все уже готово. Некоторые из спорящих о свободе воли считают, что главная задача сознательного контроля — не инициировать поведение, а мгновенно оценить то или иное действие, чтобы дать добро или наложить на него вето. В этом случае свободу воли понимают как способность произвольно остановиться и воздержаться от нежелательных действий.

Во-вторых, осознанность и произвольность — это совсем не одно и то же. Люди могут выполнять некоторые вещи машинально, одновременно думая о чем-то еще — такое часто бывает с отточенными навыками и привычками. Это абсолютно нормально: обычно мы не думаем о том, сколько рутинных (но довольно сложных) вещей выполняем машинально. Наша двигательная система берет на себя колоссальный объем задач, которые буквально поглотили бы все наше внимание, если бы нам приходилось их сознательно контролировать.

Гораздо подозрительней выглядит ситуация, когда движения осознанны, но непроизвольны. Существуют различные расстройства, при которых человек воспринимает свои действия как непроизвольные, — начиная от тиков при синдроме Туретта[30] и заканчивая довольно экстравагантными случаями вроде синдрома чужой руки[31]. При синдроме чужой руки у человека складывается впечатление, что рука обладает собственной волей и двигается помимо его желания.

Такое состояние может возникать при повреждениях в теменной коре в месте сочленения с височной корой. Некоторые ученые считают эту зону одним из очагов нашей субъектности, то есть ощущения, что это наше собственное тело, и мы сами хозяева своим действиям [7]. Эту гипотезу подтверждают и некоторые другие научные данные: скажем, нарушая работу мозга в области височно-теменного узла, можно вызвать у здоровых людей внетелесный опыт — ощущение выхода из собственного тела [8]. Мозг собирает информацию о положении нашего тела от органов чувств, чтобы создать цельный образ собственного «Я», а нарушения внутри этого процесса могут приводить к ощущению, что тело или отдельные его части нам не принадлежат. По тому, как человек описывает свой внетелесный опыт, можно узнать, какой поток информации барахлит: например, когда люди ощущают, что парят над своим телом, нарушен вестибулярный поток, а если рассказывают, что находились сбоку от своего тела, вестибулярный аппарат ни при чем.

Глава 9

Почему так непросто сохранять непроницаемое лицо

Мне хотелось бы написать, что мы разобрались с двигательными отделами в коре больших полушарий, но нет, это еще не конец. Внутри мозга между большими полушариями есть еще два моторных отдела коры, которых снаружи не видно, поэтому они долгое время оставались скрытыми от ученых, изучавших двигательный контроль с помощью электрической стимуляции.

Речь идет о моторных зонах М3 и М4, спрятанных с изнанки больших полушарий в центре поясной коры. Эти отделы тесно связаны с лимбической системой: она отвечает за эмоции, определяет ценность стимулов, с которыми мы сталкиваемся, восприимчива к наградам и наказаниям. Похоже, что как раз через эти спрятанные от глаз ученых двигательные зоны эмоции управляют нашим поведением [9].

Непроизвольное и намеренное выражение эмоций на лице заметно отличаются друг от друга.

Зоны M3 и М4 расположены одна впереди другой и довольно похожи. Обе посылают сигналы в премоторные отделы коры, влияя на план наших действий. Зона, которую первооткрыватели обозначили как М3, расположенная спереди, отвечает прежде всего за эмоциональный контроль, а зона, обозначенная как М4, — за ориентировочные реакции. Они реагируют как на положительные, так и на отрицательные эмоции, включая боль, причем в этом контексте боль не обязательно должна быть физической. Например, передний и средний участки поясной коры отзываются на социальную боль — это когда нас исключают из группы, к которой мы себя относим. Эти зоны активируются и тогда, когда человек сталкивается с внутренним конфликтом при принятии решений или совершает какие-то ошибочные действия. Считается, что эта зона способна сопоставлять действия и их результаты и важна для того, чтобы мы могли учиться на своих ошибках и удачных решениях.

Когда в результате инсульта поражается участок премоторной коры, человек не может улыбнуться по своему желанию.

Самая интересная особенность моторных отделов в поясной коре заключается в том, что они напрямую связаны с миндалевидным телом. Миндалина играет ключевую роль в наших эмоциях и в том, чтобы распознавать эмоции окружающих [10]. Именно благодаря этим связям между «эмоциональной» миндалиной и «двигательной» срединнопоясной корой эмоции буквально отражаются у нас на лице, в жестах и позе, подчас помимо нашего желания.

После инсульта картина на лице пациента вполне соотносится с картиной на снимках мозга: если повреждена премоторная кора, пациент не может вежливо улыбнуться, когда ему захочется, или, скажем, показать зубы. Если поврежден участок поясной коры между полушариями мозга, пациент, наоборот, не может искренне улыбнуться или рассмеяться на шутку обеими сторонами лица — в поврежденной половине сигнал не пройдет, и она останется неподвижной. Справа изображены горизонтальные срезы мозга для каждого из состояний с локализованными повреждениями от инсульта.

Фактически выражение нашего лица может быть либо произвольным, соответствующим тому, что мы умышленно хотели бы на нем выразить, либо непроизвольным, управляемым эмоциональными центрами мозга помимо нашей воли. Врачи-неврологи знакомы с тем, что инсульт может отражаться на мимике по-разному, в зависимости от того, какой участок мозга пострадал.

Пациенты с повреждениями в области первичной моторной и премоторной коры в одном из полушарий не могут произвести симметричную улыбку в ответ на просьбу исследователя, но искренне улыбаются во весь рот в ответ на смешную шутку. Когда инсульт повреждает срединную область поясной коры, картина ровно обратная: пациент может изобразить на лице ослепительную улыбку, но когда его кто-то рассмешит, улыбаться и смеяться он будет довольно криво, хоть и совершенно искренне.

Наша мимика очень важна для общения с другими людьми: считывая эмоции, испытываемые другими людьми, мы можем гораздо лучше понять контекст ситуации и принять правильное решение. У нас есть две системы контроля выражения лица — произвольная и непроизвольная, управляемая чувствами. Это помогает понять, почему люди довольно уверенно отличают искренние улыбки на лицах от неискренних: мы просто не в состоянии управлять своим лицом так, как им помимо нашей воли управляют двигательные области на изнанке больших полушарий.

Глава 10

Маленький мозг и большой мозг: баланс, координация, тайминг

Мозжечок — это буквально маленький мозг[32]. Так называют особый небольшой отросток с очень характерной поверхностью (и внутренним строением), расположенный между большими полушариями и спинным мозгом. Размеры мозжечка примерно в десять раз меньше размеров большого мозга, однако поразительным образом на этот скромный объем приходится 80 % всех нейронов головного мозга — 69 миллиардов нейронов из 86! В то же время на кору больших полушарий приходится 82 % от массы мозга и какие-то жалкие 19 % всех нейронов [11]. В общем, если учитывать не только объемы, но и принимать в расчет число нервных клеток, еще неизвестно, кто тут большой мозг, а кто маленький.

Зачем же небольшому мозжечку такая невероятная плотность нервных клеток? Чем они там заняты в таком количестве? Как это часто бывает, у ученых на этот счет есть множество увлекательных версий. Во всяком случае совершенно ясно, что внушительные вычислительные мощности мозжечка используются для того, чтобы максимально четко координировать самые разнообразные движения. Это могут быть мелкие, ювелирные манипуляции кистей рук; стремительные и энергичные прыжки, толчки и махи спортсменов, идущих на мировые рекорды; сложнейшие, отточенные движения танцоров и акробатов, когда малейшая осечка, промедление или спешка могут обернуться серьезной травмой и поломанной карьерой. Во всех этих случаях важно точно скоординировать силу, время начала и продолжительность сокращений десятков и сотен мышечных волокон, чтобы правильно выбрать силы и направление движения тела, рук и ног (когда мы прыгаем на одной ноге или пытаемся попасть клюшкой по летящей шайбе), кистей и пальцев (когда печатаем, пишем и вышиваем крестиком), языка, губ и гортани (когда пытаемся произнести без запинки «параллелограмм» и «шарикоподшипниковый»). Нарушения работы мозжечка приводят к раскоординации и двигательному дисбалансу, которые могут проявляться по-разному в зависимости от того, где расположено повреждение.

Мозжечок контролирует нас: то ли мы делаем, что запланировали? Совпадает ли реальное действие с нашим намерением касательно его?

Основная вычислительная задача мозжечка — проверять, насколько совпадает то, что мы собирались сделать, с тем, что делаем на самом деле. Когда нам нужно выучить новое сложное движение, поначалу мы повторяем за тренером и сравниваем себя с ним. Обычно человек видит отличия своих неуклюжих действий от того, что должно получаться, но требуется много повторений, чтобы уверенно выполнить нужное движение как следует.

Пока человек тренируется, мозжечок усердно работает, пытаясь отловить нужную траекторию и настроить правильную и скоординированную работу мышц. К нему сходятся внушительные потоки информации от различных отделов мозга и с периферии от проприоцепторов — так называются особые рецепторы в мышцах и сухожилиях, оценивающие сокращение и растяжение мышечных волокон.

Благодаря чувству проприоцепции человек может уверенно определить положение всех частей своего тела в пространстве.

Мозжечок сравнивает свой внутренний образ идеального движения с обратной связью от мышц, чтобы оценить, каким движение было в действительности. Информацию о расхождениях между желаемым и действительным мозжечок отправляет к первичной моторной коре, откуда команды отправляются через спинной мозг непосредственно к мышцам. В коре эти сигналы используются для корректировки движения, чтобы оно больше походило на то, что нам хочется выполнить. По мере того как раз за разом мы тренируем одно и то же движение, мозжечок подгоняет реальную траекторию к внутреннему идеалу, и движение становится все более точным [4].

Как устроен мозжечок

Мозжечок состоит из трех основных частей, которые отличаются тем, откуда именно они получают информацию. Самый большой и самый новый отдел мозжечка — цереброцеребеллум — получает информацию от коры больших полушарий и занимает основную часть своих боковых областей. У человека он развит лучше, чем у большинства позвоночных: здесь координируются сложные движения, в которых требуется большая точность мелких движений во времени и пространстве. В центральной части мозжечка находится более старый отдел — спиноцеребеллум, отвечающий за связь мозжечка со спинным мозгом. Важная часть этого отдела — червь, расположенный посередине и делящий мозжечок на правую и левую половины: здесь координируются осевые движения нашего тела, от которых зависят поза, походка и равновесие тела. В самом низу у основания расположен древнейший отдел мозжечка — вестибулоцеребеллум, состоящий из клочковой и узелковой долек: эти структуры тесно связаны с вестибулярным аппаратом и отвечают за баланс и поддержание равновесия.

Мозжечок очень интенсивно обменивается информацией с другими отделами мозга: нервные окончания, которые несут потоки информации от мозжечка и обратно, образуют три пары плотных хорошо различимых тяжей — их называют ножками мозжечка. Кора мозга посылает к мозжечку порядка 40 миллионов нервных волокон (по 20 на полушарие). Кроме этого мозжечок получает сенсорную информацию от тела и головы — вестибулярную, слуховую и зрительную; от проприоцепторов и механорецепторов — все, что помогает ему максимально точно определить положение каждого участка тела в пространстве.

Вся поступающая информация в мозжечке существует в двух копиях: одна сразу попадает в ядра мозжечка, а вторая отправляется туда же после этапа дополнительной обработки в коре.

Сопоставляя обработанную и необработанную копии, ядра мозжечка способны сгенерировать корректирующие сигналы о том, что и насколько надо изменить, чтобы движение получилось как следует, а не как придется. Эти сигналы отправляются обратно к моторной коре (с промежуточной «пересадкой» в таламусе), а также к вестибулярным ядрам и к верхним холмикам в стволе мозга, которые управляют движениями глаз и координируют их с поворотами и наклонами головы[33].

Мозжечок выглядит совсем не так, как большой мозг: он почти в десять раз меньше, но поверхность коры мозжечка так плотно упакована, что сопоставима по площади с корой каждого из больших полушарий (на срезе мозжечок напоминает дерево — в многочисленных щелях, идущих в глубину, опять-таки прячутся бороздки коры). В коре мозжечка сидят четыре из пяти всех нейронов, которые есть в нашем мозге. Главные «действующие лица» здесь — чрезвычайно крупные клетки Пуркинье и многочисленные мелкие клетки-зерна, а также три типа волокон, которые образуют между собой невообразимое количество контактов, позволяющих с невероятной точностью рассчитать время, силу и направление каждого мышечного сокращения в любом движении из нашего репертуара.

Мозжечок гораздо меньше большого мозга, но поверхность его коры по площади такая же, как площадь коры каждого из полушарий!

Самая необычная часть мозжечка — это его кора, там находится подавляющее большинство нейронов. В коре выделяют три слоя с очень характерным устройством — молекулярный, слой клеток Пуркинье и зернистый слой. Нервные клетки плотно упакованы внутри коры, а кора — вдоль поверхности мозжечка, образуя дольки (или, по-другому, листки), рассеченные довольно глубокими щелями: получается, что у сравнительно небольшого мозжечка (примерно 10 см в ширину и всего 3–4 см в высоту) площадь поверхности сопоставима с площадью каждого из полушарий большого мозга.

В коре мозжечка расположены, наверное, самые удивительные и красивые клетки мозга — клетки Пуркинье. От тела нейрона отходит чрезвычайно густая и очень своеобразная «древесная крона» из дендритов. Своеобразие состоит в том, что крона эта практически двумерная: она чрезвычайно широко ветвится, если мы смотрим на клетку Пуркинье анфас, и почти плоская — если в профиль. Клетки Пуркинье идут одна за другой, словно карты в колоде, а в перпендикулярном направлении их кроны пронизывают параллельные волокна. Вместе они образуют рекордное число синапсов: на одну клетку Пуркинье приходится до 200 тысяч синапсов с проходящими через нее параллельными волокнами! В мозжечке 15 миллионов клеток Пуркинье получают сигналы от 40 миллиардов клеток-зерен, которые и образуют параллельные волокна, — это обеспечивает мозжечок огромными вычислительными мощностями, которые используются, чтобы практически моментально сравнивать текущие параметры с изначально заданными и вносить поправки в идущие процессы. На завершающем этапе в каждом из сотен вычислительных модулей в мозжечке сигналы от 100 миллионов параллельных волокон сходятся примерно на полсотни нейронов в одном из ядер мозжечка, откуда информация отправляется к месту назначения — прежде всего, в первичную моторную кору, откуда запускаются наши движения [12]. Таким образом, чрезвычайно структурированная сеть внутри мозжечка рассчитывает и моментально исправляет малейшие ошибки в наших действиях.

Необычное устройство мозжечка с колоссальным числом нейронов и связей между ними делает его суперцентром, позволяющим выполнять обучение с учителем (supervised learning), — так называется один из алгоритмов работы, в котором набор данных сравнивается с эталоном, чтобы определить расхождения и внести корректировки. На выходе такой алгоритм выдает целый набор поправок для множества параметров: в случае мозжечка ими могут быть точное время, сила и скорость сокращений для каждого из десятков и сотен мышечных волокон, которые и образуют плавное и скоординированное движение [13].

Глава 11

Быть или не быть: как работают базальные ганглии

Базальные ганглии — это отдел в подкорке мозга, который занимается проблемой выбора. В то время как мозжечок разбирается с тем, КАК делать, базальные ганглии, пытаются решить, ЧТО ИМЕННО. Действительно, даже если стремительное движение руки к кнопке лифта получилось верхом изящества (благодаря мозжечку), это не особенно поможет, если палец в итоге устремился к кнопке двенадцатого этажа вместо пятого. Хорошо, если в каком-то случае проблема выбора вообще не стоит, и нам абсолютно ясно, что делать. Гораздо сложнее определяться с выбором, когда есть несколько конфликтующих вариантов. Совсем плохо, если вариантов нет никаких, а что-то делать все равно надо, приходится действовать наугад. В любом из этих вариантов в дело вступают базальные ганглии[34].

Базальные ганглии прячутся в основании переднего мозга, глубоко внутри больших полушарий. Это самые крупные подкорковые ядра в мозге человека: снаружи находится крупное овальное образование с хвостом, которое, как матрешка, прикрывает собой еще два, спрятанные одно под другим. Это полосатое тело, состоящее из скорлупы и хвостатого ядра, под которым прячутся два сегмента бледного шара — внешний и внутренний. Еще сюда относят два небольших ядра: субталамическое, которое получило свое название, потому что расположено в среднем мозге прямо под таламусом, и черная субстанция, расположенная прямо под субталамическим ядром.

Черная субстанция в некотором смысле имеет черную славу: она играет ключевую роль в развитии болезни Паркинсона, второго по распространенности заболевания головного мозга, связанного с нарушением работы базальных ганглиев.

При болезни Паркинсона люди испытывают огромные сложности с движениями — помимо дрожания рук и ног у таких пациентов есть еще ряд довольно характерных симптомов: им сложно начать движение, особенно когда нет какого-то внешнего импульса (скажем, встать по просьбе другого человека им проще, чем по собственному желанию), их движения будто скованны, шаги при ходьбе очень мелкие, а мышцы даже в расслабленном состоянии будто деревянные. Все эти проблемы начинаются с того, что в черной субстанции умирают нейроны, которые производят дофамин для нормальной работы базальных ганглиев[35]. Несмотря на то что в коре головного мозга все в порядке и все двигательные отделы работают нормально, движение не запускается, как надо.

Повреждения субталамического ядра, наоборот, могут приводить к избыточным движениям — это выглядит как повторяющиеся непроизвольные взмахивания руками или ногами, человек не может спокойно сидеть на месте, конечность словно постоянно пляшет, а человек не может ничего с этим сделать. Существует еще несколько состояний с непроизвольными движениями, которые возникают при повреждениях в базальных ганглиях: это хорея — в Средневековье ее называли пляской святого Вита, когда человек словно исполняет какой-то дьявольский танец помимо своей воли, а еще дистония — когда какие-то части тела непроизвольно сокращаются, иногда до спазма, нарушая нормальное положение тела или головы.

При болезни Паркинсона двигательные отделы коры не повреждены, но из-за проблем с работой базальных ганглиев движения не получаются.

В общем, нарушения в базальных ганглиях приводят к двигательным расстройствам, когда контроль движений смещается от нормы к одному из полюсов: либо человек не может сделать то, что хочет, либо, наоборот, неконтролируемо делает то, чего не хочет, и не может остановиться. К нарушениям нормальной работы базальных ганглиев относят и обсессивно-компульсивное расстройство и различные формы аддикций: в этих случаях человек тоже в некотором смысле делает не совсем то, что хочет, и тоже обычно не может остановиться. Почему так происходит?

Как устроены базальные ганглии

Базальные ганглии — это сложная система ядер, сообщающихся между собой целой паутиной прямых и обратных связей. Принципиальная схема, по которой информация идет через базальные ганглии, такова: сначала полосатое тело получает ее практически от всех отделов коры, затем сигналы отправляются циркулировать внутри базальных ганглиев по двум путям — прямому и непрямому, и затем через внутренний сегмент бледного шара некое общее решение отправляется в таламус, а оттуда в кору. Непрямой путь подавляет все лишние действия, а по прямому отбирается единственная подходящая команда. Кроме этого у коры полушарий есть «запасной стоп-кран» — гиперпрямой путь: если что-то поменялось и нужно немедленно остановиться, сигнал отправляется не к большому полосатому телу с довольно обширными путями циркулирования сигналов, а в компактное субталамическое ядро, и текущее поведение немедленно прекращается.

Базальные ганглии обмениваются информацией с отделами коры больших полушарий и ядрами таламуса, формируя петли, по которым информация может циркулировать внутри мозга и влиять на наши решения. Внутри самих базальных ганглиев все ядра связаны в сложную систему, задача которой — отобрать нужную программу действий, запуская их одно за другим в нужное время и в правильном порядке

В целом все три пути внутри базальных ганглиев направлены на то, чтобы не дать коре сделать что-нибудь лишнее, но при этом избирательно пропустить к таламусу и коре именно те команды, которые положат начало нужным действиям [14]. Как и в случае мозжечка, работа базальных ганглиев идет незаметно для человека, ее нельзя сознательно проконтролировать или изменить. Внутри общей системы базальных ганглиев есть отдельные специализированные «департаменты» с обособленными, хоть и частично перекрывающимися потоками информации. Помимо двигательного департамента, отвечающего непосредственно за движения тела, есть исполнительный, который занимается, скорее, стратегическим планированием действий в далекой перспективе; еще есть зрительный департамент, заведующий исключительно движениями глаз, и мотивационный — в некотором роде, он снабжает всю систему принятия решений топливом — энергией эмоций, основанной на ожидании и поиске удовольствий и избегании неприятностей.

Мы не можем контролировать работу базальных ганглиев сознательно, она происходит автономно, без нашего на то желания.

Благодаря такому сложному устройству можно сказать, что базальные ганглии служат арбитром между разумом и чувствами — они соединяют двигательные отделы с рациональной префронтальной корой и эмоциональной лимбической системой, которые вечно конфликтуют за то, кто победит в схватке разума и желаний: съесть пироженку или решительно закрыть холодильник и сделать зарядку? Позависать на развлекательных сайтах или взяться, наконец, за дела, чтобы вечером отдыхать с чистой совестью? Сделать как следует или схалтурить? Это лишь некоторые из экзистенциальных конфликтов, с которыми сталкиваются люди. Пока мы себя контролируем, префронтальная кора берет управление в свои руки и директивным образом выбирает рациональное решение, подавляя сигналы со стороны эмоций. Однако стоит ей утомиться, лимбические отделы берут свое, и мы идем на поводу у желаний.

Базальные ганглии можно назвать главной системой тормозов внутри мозга: основные отделы внутри этой системы тормозят активность друг друга, а вся система целиком тормозит работу таламуса и коры, запускающих те или иные действия.

Фактически внутри нашего мозга есть своя система сдержек и противовесов, задача которой — «придержать коней» в двигательной коре, пока внутри системы не будет принято окончательное решение о том, что сейчас нужно делать, и затем «растормозить», то есть высвободить из-под запретов ту самую команду, которая лучше всего подходит к ситуации. Благодаря этому можно располагать богатым репертуаром решений на все случаи жизни, но не метаться, пытаясь одновременно перепробовать все варианты решений, а выбрать что-то одно и действовать согласно выбранному плану.

Решения, которые принимаются в базальных ганглиях, могут обновляться — благодаря этому они могут обучаться и по мере приобретения нового опыта все эффективнее разрабатывают план действий, учитывая все новые факторы, которые могут повлиять на успех. Вот одна смешная и грустная история, которая иллюстрирует, как меняется поведение в одной и той же ситуации в свете новых данных, и что даже у удачных решений могут быть непредсказуемые последствия. Итак, хозяева одного сообразительного кота приучили его испражняться в унитаз, а не в лоток (это здорово экономит время на уборку). У них было все прекрасно, пока не приключился инцидент, положивший конец идиллии. Однажды, когда кот сидел на стульчаке и никого не трогал, на него сверху предательски прилетела крышка от унитаза. Кот, пораженный такой подлостью до глубины души, поразмыслив, решил все же не изменять своим привычкам и стоически продолжил писать в унитаз, но теперь он стал усаживаться на ободок унитаза исключительно мордой к крышке, чтобы не спускать с врага глаз. Выходит, в глубине души (точнее, в глубине базальных ганглиев) под впечатлением от произошедшего обновилась поведенческая программа. Крышка унитаза была там всегда, но вела себя прилично, усыпляя бдительность, — кот жил, не ощущая затаившейся рядом угрозы. Теперь же, наученный жизнью, он учитывает в своих действиях исходящую от крышки опасность и бдит (и конечно, частенько промахивается). Надо сказать, что не всегда перемены в жизни настолько резкие и трагичные: иногда люди перестают что-то делать, потому что это перестало радовать и надоело — нам просто хочется чего-то новенького, и за такое переключение в поисках новизны тоже отвечают базальные ганглии [15].

У животных из-за работы базальных ганглиев тоже могут меняться поведенческие программы.

Как же происходит обновление программ, благодаря которым мы можем перестраивать поведение? По большому счету, этим вопросом занимаются целые исследовательские лаборатории, и на эту тему можно написать отдельную книгу. Если коротко, то внутри системы базальных ганглиев встроено что-то вроде шкатулки с предсказаниями: когда мы решаем выбрать определенный вариант поведения, внутрь этого варианта уже вшит прогноз — то, что мы ожидаем получить в результате своих действий. Этот прогноз затем можно сравнить с тем, что вышло на самом деле, и по итогам этого сравнения дофаминовая система выступает чем-то вроде жюри, выставляя оценку тому, что получено, по сравнению с тем, что ожидали получить. Если получилось лучше, чем ожидалось, дофамина выделится много: скорее всего, мы возьмем удачное решение на заметку и попробуем использовать его чаще. Если получилось хуже, чем хотелось, появится дофаминовый провал: тогда мы будем пробовать другие варианты действий или вообще постараемся избегать ситуаций, которые оборачиваются неприятностями [16]. Таким образом, успешные действия постепенно закрепляются, а неудачные варианты отбрасываются — этот процесс на языке алгоритмов называется обучением с подкреплением [13]. При этом базальные ганглии обновляют не только программы действий, но и прогнозы, чтобы они лучше соответствовали действительности. В злополучной истории с котом обстановка в туалете осталась прежней, изменился только прогноз, а вместе с ним и программа действий, которая представляется коту оптимальной: теперь он учитывает существование крышки, которая нависает над ним и в любой момент может прилететь на голову, если он потеряет бдительность.

Мозг постоянно строит прогнозы и, в зависимости от того, оказались они удачными или нет, корректирует действия.

Система базальных ганглиев постоянно оценивает последствия тех или иных действий, чтобы мы могли скорректировать поведение. Скажем, кто-то останавливает закрывающийся лифт, потому что видит, как к нему бежит человек, а потом оказывается, что это потенциальный начальник, который проводит собеседование и заранее проникается к нему симпатией. Дофаминовая система выдает удивление и радость — человек не ожидал, что его формальная вежливость обернется такой удачей. Скорее всего, в будущем он будет стараться дожидаться других людей. А кто-то другой точно так же дождался бегущего к лифту человека, а спустя пять минут обнаружил, что у него из пиджака пропал бумажник: вероятно, ему встретился вор-карманник. В этом случае дофаминовая система «обваливает акции» такого невинного действия, как дождаться попутчика в лифте. Результат оказался настолько хуже прогноза, что теперь любые незнакомые люди поблизости долгое время будут вызывать подозрения. Пробуя разные варианты и оценивая их последствия, базальные ганглии обучаются выбирать оптимальные стратегии действий, которые с наибольшей вероятностью приведут нас к цели. Так жизненный опыт постепенно выстраивается в довольно стройную систему жизненных стратегий на любой случай — конечно, если новые ситуации напоминают те, с которыми мы сталкивались в прошлом.

Прелесть этой системы в том, что она не только постоянно мониторит наши действия и их последствия, но еще и умеет оптимизировать свою работу.

Действия, используемые нами в стандартных ситуациях и всегда приводящие к стандартному результату, автоматизируются: когда прогноз в шкатулке с предсказаниями постоянно совпадает с нужным результатом, программа действий не нуждается в обновлениях — очевидно, она уже достаточно хорошо настроена.

Если исходные данные не меняются, можно просто подготовить стандартный шаблон действий и всегда использовать его в нужной ситуации, не заморачиваясь проблемами выбора. Благодаря этому мы можем машинально отправиться знакомой дорогой домой или на работу, «не приходя в сознание». Система базальных ганглиев подключает автопилот, в котором необходимые пересадки и повороты уже собраны в нужный маршрут: он доведет куда нужно, даже если мы плохо соображаем из-за усталости или недосыпания. Эта же система формирует наши привычки — наборы стандартных действий, к которым мы прибегаем на автомате в типовых ситуациях. Такая автоматизация здорово экономит время и ресурсы и позволяет нам ежедневно выполнять множество стандартных вещей, освобождая внимание, чтобы можно было подумать о чем-нибудь постороннем [17].

В здоровом теле здоровый дух: жизнь в движении и работа мозга

То, что нормальная работа мозга нужна для движения, вполне предсказуемо. А вот то, что жизнь в движении нужна для нормальной работы мозга, уже не так очевидно. Легко объяснить, каким образом занятия спортом улучшают физическое здоровье, а вот связь между спортом и ментальным здоровьем выглядит более запутанно. Однако научное знание не стоит на месте: сегодня мы намного лучше понимаем, как все это работает [18, 19].

Прежде всего регулярные физические упражнения, как аэробные, так и силовые, улучшают работу мозга по целому ряду параметров. Физкультура благотворно влияет на способность сосредотачиваться, рабочую и долговременную память, способность справляться с умственными нагрузками и быстро и эффективно обучаться новому.

Кроме того, физические нагрузки снижают риски многих проблем со здоровьем. Регулярно занимающиеся спортом люди реже страдают от депрессивных и тревожных расстройств, обладают более крепким иммунитетом против воспалительных и инфекционных заболеваний. (Правда, тут нужно знать меру: регулярные занятия спортом умеренной интенсивности полезны для здоровья, а вот редкие и чрезмерно интенсивные нагрузки могут, наоборот, обернуться травмами и воспалением.)

Люди, которые в зрелом возрасте ведут здоровый образ жизни и регулярно занимаются спортом, могут избежать многих проблем в старости — бег и физкультура откладывают наступление когнитивных ухудшений, деменции и проблем с памятью. Спортивные люди в старости легче сосредотачиваются и быстрее справляются с задачами, где надо напрячь мозги, а объем серого вещества в их мозге достоверно выше, чем у тех, кто вел малоподвижный образ жизни. Занятия спортом могут снижать риск нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также, по-видимому, способны замедлить прогрессирование этих заболеваний и улучшать качество жизни пациентов [20].

Физическая активность перестраивает не только наши мышцы, в мозге тоже происходят структурные изменения. Спортивные нагрузки приводят к тому, что мозг лучше кровоснабжается, в нем образуется в два-три раза больше нервных клеток (да-да, нервные клетки в мозге все-таки восстанавливаются — точнее, образуются новые нервные клетки из особых клеток-предшественников, правда, только в нескольких специально отведенных местах и в очень небольших количествах) [18].

Главный посредник между физическими нагрузками и благополучием мозга — это нейротрофический фактор роста (BDNF, от англ. brain-derived neurotrophic factor). Нейротрофины, к которым относится BDNF, это что-то вроде удобрений для нервных клеток: эти вещества стимулируют развивающиеся нейроны, помогая им созревать и образовывать связи с другими нейронами. Кроме того, если в среде достаточно BDNF, нейроны лучше выживают после воздействия неблагоприятных факторов. После физических нагрузок уровень BDNF в плазме крови и мозге повышается, причем чем выше потребление кислорода во время нагрузки, тем больше растет после нее BDNF [19].

А еще физическая активность может улучшать настроение: нагрузки помогают справляться с чувством тревоги и дают общее ощущение благополучия. Во время физических упражнений растет уровень дофамина, особенно в базальных ганглиях, которые играют активную роль в движениях и контроле над ними. Похоже, что в этом случае между физической активностью и дофамином наблюдается замкнутый круг с положительной обратной связью: чем больше дофамина, тем легче начать активно двигаться, но чем больше хочется двигаться, тем сильнее растет дофамин. А еще во время нагрузок растет уровень эндорфинов и эндоканнабиноидов — это вещества, которые ослабляют восприятие боли, а еще могут дарить внезапное переживание счастья посреди долгой стайерской дистанции — для этого феномена есть даже специальный термин — эйфория бегунов (англ. runner’s high) [19].

В общем, если хочется прожить насыщенную жизнь, не впадая в уныние и депрессию, и заодно избежать проблем с головой в старости, для начала стоит подружить голову с телом, начать больше двигаться и полюбить физкультуру, а тренированное тело в ответ позаботится о голове.

Как устроена память

Призрачно все в этом мире бушующем.

Есть только миг — за него и держись.

Есть только миг между прошлым и будущим.

Именно он называется жизнь.

Фрагмент песни из к/ф «Земля Санникова» на слова Леонида Дербенёва

Слова про «миг между прошлым и будущим» стали крылатыми. Эта песня входит в сотню самых популярных песен на русском языке[36] и прекрасно передает мысль о том, что мы живем в одном коротком мгновении, которое сразу же уходит в небытие. Время стремительно несется сквозь нашу жизнь, пока мы тратим бесценные мгновения на повседневные занятия, не особенно-то задумываясь, что секунда за секундой настоящее становится эфемерным прошлым, которого уже не воротишь. В то же время люди обычно воспринимают свою жизнь как нечто протяженное, растянутое на многие десятилетия, и неспешно обдумывают, как она поменялась за последние пять или десять лет и чем бы им хотелось заниматься еще через десять. Как же так получается?

След, который остается в нашем прошлом и объединяет прожитые мгновения в связную историю чьей-то жизни, называется памятью. Словно хвост от кометы или след от самолета в небе, он не дает прошедшему опыту мгновенно раствориться и придает нашему восприятию жизни ощущение протяженности, длительности, задавая направление движения из прошлого в будущее. Постепенно этот след слабеет и растворяется: то, что происходило несколько минут назад, мы помним в мельчайших деталях, но чем больше времени проходит, тем менее четкими и подробными становятся наши воспоминания. Картины прошлого постепенно теряют четкость очертаний, отдельные детали исчезают и размываются, и со временем от большей части наших ощущений и переживаний остается в лучшем случае лишь смутное впечатление.

Только самые важные моменты нашей жизни, центральные вехи жизненного опыта прочно впечатываются в память и остаются с нами на протяжении десятилетий.

Память — это очень важно. Воспоминания о том, что с нами происходило (и что мы при этом чувствовали), во многом формируют личность, на них строится подавляющее большинство наших занятий и взаимоотношений с другими людьми. Человек, как ни одно другое живое существо, зависит от своей памяти: в нашем мозге слишком многое определяется обучением и способностью формировать воспоминания: использование всевозможных предметов, ходьба, речь, чтение и письмо, арифметика и логика, гигиена, образ жизни, правила поведения и общения — всему этому нам приходится учиться, чтобы стать полноправными членами человеческого общества. И как тут обойтись без памяти? Никак.

Память — это очень важно, но изучать ее непросто. Во-первых, воспоминания — довольно эфемерная штука. Их невозможно измерить секундомером, линейкой или весами, перевести в надежные измерения, которые понятно как анализировать и интерпретировать. Во-вторых, изучая память человека, ученый обычно не может проверить достоверность воспоминаний, связанных с давними событиями. Наконец, не все факторы, влияющие на нашу память, можно воспроизвести в лаборатории: здесь бывают и чисто технические, и серьезные этические ограничения.

При исследовании памяти у животных возникает другая проблема — они не могут рассказать о том, что помнят.

Ученым приходится придумывать способы проверить, что помнит животное, но довольно часто одно и то же поведение можно интерпретировать по-разному, и с этим ничего не поделать.

Однако самая главная проблема кроется в том, что под словом «память» люди понимают довольно обширный спектр вещей, которые умеет делать наш мозг. В самом широком смысле память — это способность нашего прошлого опыта и произошедших событий влиять на нас в настоящем и будущем. В таком понимании память — это не только то, что человек может рассказать о себе или чему он научился за свою жизнь, но и то, что он меняет привычный образ жизни из-за травмы колена, язвы желудка, женитьбы или переезда в другую страну. С другой стороны, когда собака начинает пускать слюнки, услышав звонок, предвещающий лакомство, это тоже происходит благодаря работе памяти.

Глава 12

История изучения памяти

Где же в мозге прячется память? Первым, кто попытался ответить на этот вопрос, был Карл Лешли[37] [2]. Для этих целей он проводил эксперименты на крысах: обучал их ориентироваться в лабиринте и пытался найти область мозга, ответственную за память животных о том, куда повернуть, чтобы найти еду. Первоначально идея Лешли состояла в том, что память — это усиление связи между определенными зонами мозга: скажем, в одной зоне хранится правильная последовательность движений в лабиринте, а в другой — информация о том, что в конце лабиринта поджидает лакомство. Чтобы крыса правильно ориентировалась в лабиринте, ей нужно знать, куда двигаться, чтобы достичь цели. Бежать по лабиринту в правильную сторону крыса будет только в том случае, если она одновременно знает направление и цель своих действий, которые связаны между собой в единое воспоминание. Если разрушить эту связь, можно добиться того, что крыса забудет, как (или ради чего) ей бегать по лабиринту.

Кора головного мозга отвечает в том числе и за запоминание, например, маршрутов к цели.

Рассуждая таким образом, Лешли стал делать разрезы перпендикулярно поверхности коры в крысиных мозгах. Он предполагал, что рано или поздно один из таких разрезов должен будет перерезать ключевую связь и разрушить воспоминание. В итоге ученый буквально исполосовал кору, перебирая вероятное расположение и направление соединений, но так и не добился успеха: несмотря на все его манипуляции, крысы прекрасно ориентировались в лабиринте.

Тогда Лешли решил действовать более радикально: раз не получается найти связь между зонами, надо попытаться хотя бы найти хоть какую-нибудь из зон, где формируется воспоминание. Теперь он разрушал ту или иную часть коры мозга крысы и смотрел, что остается от выученного поведения. В этот раз тактика сработала: повреждения коры действительно мешали крысам справляться с заданием. Проблема, однако, состояла вот в чем: трудности, которые испытывали крысы, оказавшись в лабиринте, увеличивались с размером внесенных повреждений (чем больше была площадь поврежденной коры, тем сложнее приходилось крысе), но мало зависели от того, где именно располагалось это повреждение. Складывалось ощущение, что кора головного мозга впитывает знания, как губка: если удалить небольшую ее часть, общую картину происходящего можно восстановить по оставшимся кусочкам пазла в уцелевшей части коры; если же удалена значительная часть, вероятно, «дыра» в памяти будет более серьезной и, вполне возможно, залатать ее на основе остатков информации уже не получится.

После ряда экспериментов выяснилось, что в коре мозга нет какой-то конкретной маленькой точки, отвечающей за всю память.

Подводя итог своих исследований, в 1950 году озадаченный Лешли написал: «Эта серия экспериментов дала много информации о том, чем память не является и где не находится. <…> Рассматривая данные по поводу локализации памятного следа, я иногда чувствую, что неизбежный вывод заключается в том, что обучение вообще невозможно. Трудно представить себе механизм, который мог бы удовлетворить поставленным условиям. Тем не менее, несмотря на свидетельства против его существования, обучение все-таки иногда происходит» [3].

Портрет человека, который помог ученым совершить прорыв в изучении мозга и памяти

Неизвестно, как бы продолжились поиски ученых, ищущих следы памяти в мозге, если бы не случай, произошедший три года спустя. Главным героем этой истории стал Генри Молисон, он страдал от тяжелейшей эпилепсии и 25 августа 1953 года оказался на операционном столе — это был последний шанс облегчить его состояние. Нейрохирург удалил большой объем вещества в височных долях с обеих сторон: было известно, что очаги эпилепсии часто располагались в гиппокампе, который находится в глубине височных долей. До этого нейрохирурги удаляли гиппокамп и расположенные поблизости участки, чтобы снизить частоту и тяжесть эпилептических припадков — правда, операции всегда проводили только в одном из двух полушарий. Генри Молисон стал единственным пациентом, кому удалили оба гиппокампа. Операция помогла облегчить эпилепсию, но обернулась непредсказуемыми последствиями: Генри Молисон полностью потерял способность запоминать [4].

Любая информация держалась в голове Генри Молисона не более минуты, после чего исчезала бесследно, если только он не повторял ее про себя специально, чтобы удержать. Стоило ненадолго отвлечь Генри, как из его головы все вылетало: он не запоминал лиц и имен медицинского персонала, не знал, какое сегодня число и сколько ему лет, о чем только что шла речь, что он недавно ел и ел ли вообще[38].

Неспособность удерживать информацию дольше минуты называется антероградной амнезией.

Помимо этого у Генри Молисона выявили частичную ретроградную амнезию: хотя детские воспоминания у него сохранились в нормальном объеме, произошедшее в последние несколько лет он помнил хуже обычного, а события, произошедшие незадолго до операции, полностью стерлись из его памяти.

Произошедшее стало трагедией для Генри, который лишился нормальной жизни, но одновременно произвело революцию в исследованиях памяти. До этого ученые мало что понимали о работе гиппокампа, не считая факта, что он нередко становится источником эпилепсии. Теперь стало очевидно, что в этой небольшой по объему структуре, спрятанной внутри височных долей, каким-то образом формируются воспоминания, но храниться они могут по всей коре головного мозга. Вероятно, это и сбило с толку Карла Лешли, который исходил из того, что запись и хранение происходят в одном и том же месте, и тщетно искал следы работы гиппокампа на поверхности коры, не догадавшись проверить участки, скрывающиеся в глубине.

Сколько у нас видов памяти?

Память — далеко не единая система внутри нашего мозга. Внутри памяти выделяют несколько разных систем, которые работают параллельно и дополняют друг друга [5]. Это особенно хорошо заметно в случаях, когда нарушение внутри одной из этих систем приводит к тому, что у человека появляются проблемы с каким-то видом памяти, в то время как другие остаются целыми и невредимыми, продолжая работать как ни в чем ни бывало. Конечно, Генри Молисон далеко не единственный пациент, испытывавший проблемы с запоминанием и попавший в поле зрения исследователей, хотя его проблемы с памятью действительно поражают воображение.

После операции Генри больше не мог сохранять воспоминания о том, что с ним происходит, и помнить то, что узнавал, — за это отвечает декларативная память, которую он утратил вместе с гиппокампом. Декларативная память — это все то, о чем можно сказать «я знаю, что…». Мы активируем ее, когда мысленно обращаемся к своей внутренней картотеке произошедших с нами событий и имеющихся у нас сведений, чтобы поведать об этом в разговоре или просто использовать для любой другой цели. В свою очередь, декларативную память разделяют еще на два типа — эпизодическую и семантическую.

К эпизодической памяти относят воспоминания о том, что с нами происходило в течение жизни: обо всех взлетах и падениях, неприятностях и торжественных моментах — они врезаются в нашу память, и мы делимся ими с близкими. Обычно люди легко вспоминают наиболее значимые вехи своей жизни: необычные путешествия, всевозможные «первые разы» (первое свидание, первый секс, первая работа, первое публичное выступление и т. п.), яркие праздники, выпускные, переходы с одной работы на другую, встречи с любимыми, громкие ссоры и трогательные примирения с родными, рождения, свадьбы, похороны — все то, что трогает и заставляет испытывать яркие эмоции.

Семантическая память обычно не так эмоционально заряжена, но не менее важна: сюда относится не то, что мы пережили на собственном опыте, а знания и факты, которые составляют наше представление об устройстве мира. Когда мы говорим о том, что Земля круглая, а шимпанзе и люди имеют общего предка, который жил примерно 10 миллионов лет назад, мы используем именно семантическую память. Этот вид памяти может относиться и к какому-то конкретному эпизоду: например, восстание декабристов, случившееся 14 декабря 1825 года в Санкт-Петербурге, вполне себе событие с конкретной датой и локацией, а не просто знание без определенного времени и места действия. Но такие события не имеют привязки к конкретной точке времени и пространства нашей собственной жизни: мы узнаем о них из каких-то источников, а не переживаем на собственной шкуре.

На стыке семантической и эпизодической памяти иногда выделяют автобиографическую память: сюда относятся личные сведения и факты — фамилия-имя-отчество, дата рождения, адрес и т. п. — и происходившие с нами события, а также устойчивые представления о том, кто мы такие, о собственных ценностях и убеждениях, которыми мы руководствуемся по жизни.

Хотя Генри Молисон полностью утратил способность запоминать события и факты, изучавшие его случай психологи обнаружили, что некоторые виды памяти у него все-таки сохранились. Например, у Генри сохранилась рабочая память, и он нормально справлялся с заданиями, в которых нужно было удерживать в голове определенные данные: например, он мог повторить за исследователем последовательность слов, цифр или букв и удерживать такую информацию до тех пор, пока его не отвлекали.

Рабочая память имеет ограниченную емкость и для эффективной работы требует от человека сосредоточенного внимания. От нее во многом зависят интеллектуальные способности: многие задания из тестов на IQ проверяют в том числе рабочую память. Внутри рабочей памяти выделяют несколько отдельных доменов. Наша способность к мысленным пространственным преобразованиям и работа с формами и фигурами мало пересекается с другими задачами, где мы используем внутреннюю речь (например, когда повторяем про себя нужный текст или номер телефона, высматривая, куда бы записать эту информацию, пока она не исчезла из памяти). Кроме того, есть еще эпизодический буфер — он связывает другие домены рабочей памяти с восприятием и долговременной памятью. В нем могут храниться важные сведения или детали, которые необходимо учитывать во время работы над задачами, собирая все элементы в общую картину. Над всем этим стоит управляющий исполнительный блок, позволяющий перемещать внимание от одного объекта к другому, фокусироваться на важном и игнорировать отвлекающие сигналы, не имеющие отношения к текущей задаче [6].

Когда речь зашла о том, что может запомнить Генри Молисон, несмотря на амнезию, дело не ограничилось рабочей памятью. Оказалось, что, несмотря на неспособность запоминать информацию, Генри не потерял способность учиться. Речь идет о процедурной памяти — способности осваивать новые навыки и после тренировки справляться с определенной деятельностью намного быстрее, чем в первый раз. К величайшему удивлению исследователей, Генри довольно быстро осваивался с управлением джойстиком или зеркальным рисованием (это когда нужно нарисовать объект, наблюдая за движениями руки и линиями только в зеркальном отражении) [4]. Через несколько дней тренировок он действовал гораздо увереннее и практически не совершал ошибок, пока его вновь и вновь просили выполнить одно и то же задание. При этом Генри абсолютно не помнил о том, что уже делал это задание — как ни странно, этого и не требовалось: тело Генри безошибочно выполняло знакомые действия, не особенно-то нуждаясь в том, чтобы сам он мог что-то припомнить о прошлом опыте.

Процедурная память — это второй важнейший тип нашей долговременной памяти, он не зависит от гиппокампа. Это все, о чем можно сказать «я знаю, как…». На самом деле неважно, знаем ли мы о своем умении или нет — оно может появиться и проявляться, даже если бы мы об этом не догадывались, как, например, не догадывался Генри.

Обычно две системы долговременной памяти работают параллельно и почти независимо, благодаря чему нормальный человек все же знает, умеет ли он рисовать, глядя в зеркало, плавать, кататься на велосипеде или управлять посадкой межпланетного модуля, хотя отточенные автоматизированные навыки совершенно не требуют осознанных воспоминаний о том, как и при каких обстоятельствах они появились. Поэтому процедурную память относят к имплицитной (т. е. неявной, неосознаваемой). К эксплицитной же (т. е. осознаваемой, определенной, выраженной, явной) относят декларативную память. Разница в том, насколько для работы памяти важно осознавание: нельзя неосознанно вспомнить первые пять элементов таблицы Менделеева, а вот неосознанно положить ключи на полку и потянуться к выключателю, чтобы зажечь свет в прихожей собственного дома, — еще как. Для выработки навыка осознание не так уж важно (хоть и полезно), достаточно просто день за днем выполнять одно и то же стандартное действие, и навык выработается сам собой.

Глава 13

Как работает гиппокамп

Гиппокамп прячется глубоко внутри мозга, и до него не так-то просто добраться, чтобы как следует разглядеть. На рисунке на странице 175 в левом нижнем углу изображен вид головного мозга снизу; в левом полушарии все закрывающие гиппокамп отделы мозга, включая внешние слои височной коры, удалены, чтобы обнажить гиппокамп и расположенное чуть спереди и ближе к середине мозга миндалевидное тело. В правом полушарии темный сегмент показывает примерное расположение участка мозга, который удалили Генри Молисону в обоих полушариях. Сверху на рисунке, показывающем срез мозга, изображен гиппокамп и как он выглядит, если отделить его от окружающих тканей.

Карлу Лешли не повезло: гиппокамп снаружи не увидишь, он расположен с изнанки мозга и спрятан в подворотах височной доли. В поисках места, где формируются воспоминания, Лешли до гиппокампа так и не добрался.

Гиппокамп переводится с греческого как «морской конек»: если развернуть серое вещество и извлечь гиппокамп из его укрытия, действительно, что-то общее у них есть. Гиппокамп — это тоже кора больших полушарий, но, в отличие от основной ее части, это кора старая, а не новая.

Старая и новая кора отличаются по анатомическому строению и количеству слоев нейронов; кроме того, в старой коре гиппокампа преобладают нейроны, которые, единожды возбудившись, легко остаются в таком состоянии довольно длительное время. Поначалу их нелегко «пронять», и чтобы активировать такой нейрон, требуется сразу несколько сигналов, которые достигнут его практически одновременно. Зато, активировавшись единожды, эти нейроны надолго остаются в состоянии повышенной готовности и пропускают даже слабые сигналы, которые до этого проигнорировали бы. За счет этого они легко образуют контуры — внутри них сигнал может циркулировать очень долго, не затихая. Это явление называется долговременной потенциацией и играет важную роль в формировании памяти [7].

У участков коры в мозге, будь она старая или новая, есть своя специализация. Зрительная кора в затылочной доле занимается обработкой визуальной информации, слуховая кора в височной специализируется на звуковой. Сенсомоторная кора в теменной доле отвечает на прикосновения к той или иной части тела. Чем же занимается кора гиппокампа, спрятанная в изнанке височных долей?

Поначалу ответить на этот вопрос было непросто: к тому моменту ученые уже научились вживлять электроды в мозг животных, чтобы записывать активность нервных клеток, но только у обездвиженных животных. Такие записи работы мозга ничего не давали. Чтобы раскрыть загадку гиппокампа, пришлось ждать до 1970-х — именно тогда наконец были изобретены миниатюрные системы с чувствительными электродами, позволяющие записывать активность мозга, пока животное относительно свободно разгуливает по вольеру.

Когда ученые вживили такие чувствительные электроды в гиппокамп крысы, они не обнаружили ничего похожего на устройство записи воспоминаний. Перед ними была довольно совершенная система навигации [8]. Клетки гиппокампа отвечали на то, в какой точке пространства находилась крыса, причем каждая из клеток избирательно реагировала на определенный уголок пространства и замолкала, когда крыса оттуда уходила. Однако, если крысу переносили в новую клетку или вольер, те же клетки заново перераспределяли обязанности и зоны ответственности на новом месте, составляя новую карту местности (на английском языке этот процесс называется remapping — перекартирование).

Без гиппокампа невозможно было бы сформировать долговременные воспоминания. Это открытие двинуло науку о мозге вперед.

Чем пристальнее и дольше ученые изучали гиппокамп и окружающие его зоны, тем больше любопытных подробностей открывалось. Например, оказалось, что, если крысу поместить в колесо и подкармливать каждые 15–20 секунд, но только если она все это время бежит в колесе, в гиппокампе обнаруживаются клетки, отсчитывающие время (в этом случае пространство для крысы никак не меняется).

А еще неподалеку от гиппокампа, в энторинальной коре, ученые нашли целое созвездие нейронов с разными специализациями, которые помогают ориентироваться в пространстве. Во-первых, там обнаружились нейроны решетки: они реагируют, когда животное пересекает узлы воображаемой координатной сетки, наложенной на локацию. У разных нейронов решетки такая виртуальная координатная сетка имеет разный масштаб, благодаря чему энторинальная кора может отслеживать как наши шатания по квартире, так и перемещения на десятки километров.

В какую бы сторону ни двигалось животное, нейроны решетки внутри энторинальной коры будут подавать сигналы через регулярные промежутки, отсчитывая пройденное расстояние с учетом направления движения. Кроме того, там же есть нейроны границы: пока животное перемещается по открытой части, они пассивны, но когда животное подходит к стене вольера или клетки, активируются. Там же есть нейроны скорости, следящие за тем, в каком темпе животное движется из точки A в точку B; нейроны положения головы, которые вносят поправку в навигационные маршруты, когда животное поворачивает голову вправо или влево.

В общем, в гиппокампе и по соседству с ним располагается мощнейший навигационный аппарат, который постоянно мониторит, где находится животное, куда и с какой скоростью направляется, сколько времени прошло и т. п. Отслеживая все перемещения животного, она помогает ему сориентироваться и найти дорогу/составить маршрут из одного места в другое.

Гиппокамп работает в связке с несколькими соседними отделами мозга, включая энторинальную кору. Нейроны места в гиппокампе и нейроны решетки, границы и еще несколько типов клеток отслеживают перемещения крысы по вольеру. Чтобы понять, чем занимается нейрон, ученые накладывают периоды активности нейрона (темные пятна) на карту перемещений животного (серые линии). Таким образом можно получить рецептивное поле для каждого отдельного нейрона, который находится возле контакта электрода в мозге крысы.

И при чем здесь память?

Итак, в поисках памяти ученые нашли в гиппокампе сложно устроенную навигационную систему. А как же воспоминания? Когда удалось провести более сложные эксперименты с одновременной записью работы гиппокампа, выяснилось, что в него попадает не только информация о месте, где находится животное, туда же сходятся все остальные данные, помогающие ориентироваться животному и важные в той или иной ситуации. Если крыс обучали перемещаться по вольеру по запаховым меткам в поисках спрятанных приманок, то в гиппокампе обнаруживалась информация о запахах. Зрительные, слуховые и тактильные сигналы, помогающие животному сориентироваться, достигали гиппокампа и влияли на активность его нейронов [8].

Гиппокамп отвечает за контроль перемещений человека в пространстве и за составления «плана-карты» в незнакомом месте.

По большому счету, навигация и способность сориентироваться на местности, чтобы найти еду, питье или укрытие, избежав при этом встречи с голодными хищниками и любыми другими неприятностями, — это очень важно. Из этого и состоит подавляющая часть жизни обычной зверушки, и иметь мозг, способный оперативно составить карту местности и привязать к ней самые значимые стимулы — все источники благ и угроз, которые встречаются в твоей среде обитания, — это очень разумно и полезно. Этим как раз и занимается гиппокамп, отслеживая перемещения своего хозяина в знакомых местах или составляя план незнакомой местности на будущее: мало ли, вдруг пригодится. Гиппокамп отслеживает наши действия и перемещения, а также то, что в этот момент происходит вокруг, — это и есть ткань воспоминаний, которые мы потом пересказываем друг другу. Все истории, которыми люди делятся друг с другом, те, что легли в основу литературы, театра и кинематографа, состоят из событий, которые происходят с героями: кто куда пошел, с кем встретился, что там сделал и сказал и что из-за этого вышло.

Оказываясь в незнакомом месте, человек сначала мыслит маршрутами. Переехав в незнакомый район или другой город, он первым делом запоминает путь до ближайшей остановки общественного транспорта, в магазин и обратно, из дома на работу, до ближайшей аптеки, парикмахерской, до кафе неподалеку от дома. Однако по мере того как район становится все более знакомым, из отдельных маршрутов начинает формироваться карта: теперь уже не надо идти от автобуса домой и только оттуда в магазин; можно срезать и сразу пройти к магазину через дворы. Иногда, наоборот, есть время и настроение прогуляться, и мы выходим из автобуса раньше, чтобы дорога до дома была длиннее, или идем к дому широкой петлей через парк или сквер. Теперь вместо набора маршрутов у нас в голове есть карта района, где мы живем: она не требует специальной последовательности поворотов, чтобы дойти из точки А в точку Б, можно перемещаться по ней как угодно, прекрасно понимая, где мы находимся в каждый момент времени и где относительно нас находятся все остальные точки притяжения (дом, остановка, сквер, магазин и т. п.).

Похоже, что гиппокамп — идеальное место для формирования карт на основе маршрутов.

И это касается не только тех карт, о которых шла речь выше. Гиппокамп умеет создавать когнитивные карты, увязывая вместе элементы разных событий и вычленяя общие связи и закономерности [9]. Скорее всего, именно таким образом на основе эпизодических воспоминаний формируются знания, которые составляют семантическую память: вычленяются важные повторяющиеся паттерны/связки в информации, с которой мы сталкиваемся день за днем [10]. Если я переезжаю на улицу Ленина — это эпизодическое воспоминание, но вот проходит неделя или месяц, и теперь в моей семантической памяти появляется новый факт: теперь я живу на улице Ленина. Или я люблю фильмы о дикой природе и читаю книги Джеральда Даррелла[39], регулярно хожу в зоопарк и биологические музеи, и знание о том, что слоны живут в Африке и Индии, белые медведи — в Арктике, а пингвины — в Антарктиде, спустя какое-то время кажется мне самоочевидным. Обстоятельства каждого из отдельных эпизодов чтения книг и просмотра фильмов стираются, остается только то общее, что дополняет нашу картину мира новыми знаниями и фактами.

Память, энграммы и схемы

В истории науки часто бывает так, что сначала появляются теории, а возможность проверить их на практике представляется гораздо позже. В нейробиологии такое тоже есть: сначала мыслители придумали термины для следов, которые память оставляет в мозге, и только многие годы спустя ученым удалось обнаружить в нем то, о чем теоретизировали мыслители прошлого.

О том, что память о каком-то событии должна оставлять в ткани мозга физический след, люди спорили очень давно, а на рубеже XIX–XX веков биолог и теоретик Рихард Земон предложил термин «энграмма», чтобы обозначить «стойкое, хотя изначально скрытое изменение возбудимой субстанции, производимое стимулом» [2]. Он полагал, что каждое памятное взаимодействие с окружающим миром оставляет в нервной системе физический след. Именно его пытался обнаружить Карл Лешли, обучая крыс ориентироваться в лабиринте и стараясь затем разрушить этот навык точным воздействием на ту или иную область в мозге. Однако в то время биологи не располагали инструментами, которые помогли бы им обнаружить те крохотные следы, которые оставляет пережитый опыт в ткани мозга. Единственный доступный вариант — действовать грубой силой, разрушая целые популяции нервных клеток в разных областях мозга, — оказался не слишком эффективным.

Потребовалось целое столетие, чтобы разработать и применить методы, которые помогли бы найти энграмму, не вызывая масштабных разрушений в нервной ткани. Сейчас ученые используют сложные молекулярные технологии, позволяющие помечать клетки, активные в определенный момент времени, а затем находить их, отслеживать работу или избирательно менять их активность.

Новый подход оказался очень действенным: ученые смогли увидеть, что, когда животное обучается какой-то задаче, активируется определенная, сравнительно небольшая группа нейронов, расположенных в разных уголках его мозга. Когда мышь запоминает набор необходимых действий, связи между этими клетками укрепляются: нейроны формируют слаженный ансамбль. Если спустя некоторое время активировать этот нейронный ансамбль, мышь начнет действовать так, как ее обучили; если же, наоборот, специально подавить работу именно этих клеток, мышь будет вести себя так, словно все забыла. Эти клетки, их связи и особенности активности и представляют собой энграмму, сохраняющую воспоминание о конкретном опыте животного: если разрушить эти клетки, мышь забывает именно кодируемую ими задачу, но помнит другие, каким обучалась, даже если задачи довольно похожи.

Энграмма — это не совсем воспоминание; скорее это инфраструктура внутри мозга, позволяющая при необходимости извлекать воспоминания из памяти. Пока мы заняты другими вещами, нейроны, составляющие энграмму, остаются неактивными. Воспоминание представляет собой пробуждение такого ансамбля, открывая возможность поменять связи внутри энграммы; затем она опять становится неактивной [11].

По мере того как воспоминания «взрослеют», теряя детали и подробности, они становятся все более схематичными — энграмма превращается в схему, а эпизодическая память о событиях постепенно превращается в семантическую.

Термин «схема» появился в самом начале XX века для обозначения структуры, которую люди используют, чтобы организовать свои текущие знания и обеспечить основу для понимания в будущем. Этот же термин применялся для того, чтобы объяснить, как дети выучивают закономерности в окружающем мире, изменяя схемы или встраивая новые факты в уже существующие [12].

Схемы — это сеть сформированных воспоминаний, которые помогают быстро усваивать новый опыт, но только в том случае, когда он соответствует тому, что мы уже знаем [13]. Можно представить схемы как уже собранные фрагменты головоломок, которые составляют нашу картину мира. Получая новую информацию, мы пытаемся присоединить новый кусочек к уже существующим схемам, чтобы достроить картину. Когда это удается, встроенной в схему информации есть за что цепляться и меньше шансов, что она сразу же вылетит из головы.

Глава 14

Жизненный цикл воспоминания

У любого воспоминания в нашей памяти есть свой жизненный цикл. Перед тем как стать воспоминанием, информация поначалу поступает в мозг в виде опыта, полученного нами в ощущениях, затем обрабатывается сенсорными системами мозга и уже оттуда попадает в гиппокамп.

На первом этапе формирования памяти поступающая информация кодируется внутри гиппокампа в памятный след [14]. Разрозненные элементы происходящего соединяются в объединенное представление, отдельные люди, их реплики и действия, звуки, объекты и запахи составляются в цельный эпизод, который хранится в гиппокампе и связанных с ним отделах. Затем памятный след проходит этап консолидации — с течением времени некоторые детали стираются из памяти, остальное прочнее закрепляется в сети воспоминаний.

Именно в гиппокампе информация, поступающая в мозг, кодируется, чтобы преобразоваться в памятный след.

Наиболее яркие и значимые воспоминания могут оставаться с нами на долгие десятилетия или даже на всю жизнь. Некоторым воспоминаниям уготована другая судьба — самые важные их элементы утратят связь со временем и местом и станут частью сети наших знаний и представлений, переместившись из эпизодической памяти в семантическую.

Воспоминания не любят храниться без дела — от этого они слабеют, теряют точность и постепенно забываются. В памяти выживают и надолго остаются только те, которыми мы регулярно пользуемся, то и дело извлекая из памяти и активируя памятный след. Те воспоминания, которые мы не используем, постепенно стираются из памяти и в какой-то момент могут бесследно исчезнуть — этот процесс, как нетрудно догадаться, называется забыванием.

Кодирование

На этапе кодирования из разрозненных впечатлений формируется общий памятный след — впоследствии он может исчезнуть или глубоко впечататься в память. Чтобы такой след мог сформироваться, первоначально вся воспринимаемая информация, поступающая от органов чувств, преобразуется во внутреннее представление, которое мы пытаемся каким-то образом интерпретировать и осмыслить. На этом этапе к памятному следу иногда подключаются элементы того, что мы уже знали до этого, если они имеют отношение к нашим нынешним намерениям и переживаниям. Затем такое внутреннее представление преобразуется в устойчивый след, который позволяет первичному впечатлению всплыть на поверхность сознания в любой момент, когда это понадобится, — формируется энграмма [14].

Пациенты с повреждениями в обеих височных долях, которые, как и Генри Молисон, страдают от антероградной амнезии и не могут запоминать информацию, могут при этом активно участвовать в беседе и приводить аргументы или рассказывать истории, имеющие отношение к теме разговора. То есть первая стадия кодирования воспоминания — формирование памятного следа с включением элементов прошлого опыта — у них проходит вполне нормально. Но устойчивости такой памятный след так и не приобретает: едва целостное представление о предмете текущего разговора перестает быть активным и выпадает из сознания, оно тут же исчезает, не закрепляясь внутри поврежденной сети гиппокампа.

Однако и у здоровых людей не вся информация, которая попадает в гиппокамп, становится впоследствии воспоминанием.

Большинство впечатлений, ощущений и новых фактов, с которыми мы сталкиваемся в течение дня, канет в Лету.

Как мозг проводит процесс отбора и решает, какую информацию стоит запомнить, а что можно предать забвению? Существуют факторы, которые могут повлиять на то, впечатается ли наш новый опыт в память или нет.

Во-первых, мы гораздо лучше запоминаем информацию, которая хорошо согласуется со знаниями и фактами, которые уже хранятся в нашей голове [12]. Если человек придерживается научной картины мира, он вряд ли запомнит обстоятельства, которые не очень-то согласуются с его взглядами, и, наоборот, мистик будет игнорировать научные объяснения тех фактов, которые представляются ему Провидением или знаками Вселенной. Если мы искренне восхищаемся человеком, то, скорее всего, пропустим информацию, что он повел себя нетактично в какой-то ситуации, но если этот тип давно нам не нравился, его некрасивый поступок станет неопровержимым подтверждением подозрений и наверняка отложится в памяти. Информация, которая хорошо согласуется с тем, что мы считаем верным, легко встраивается в уже существующие в нашей голове схемы и становятся еще одним доводом в пользу правоты и правильности того, что мы понимаем о мире.

Кроме того, люди гораздо лучше запоминают эмоционально окрашенные события — неважно, приятные или тяжелые чувства будут связаны с воспоминанием. Эмоции — один из лучших индикаторов важности происходящего. То, что вызывает бурю эмоций, скорее всего, может здорово повлиять на нашу жизнь, поэтому такая информация играет особую роль и прочно врезается в память. При этом мы не только лучше запоминаем сам факт произошедшего: такие воспоминания содержат больше подробностей, включая нейтральные (например, цвет футболки, человека, который нас обидел, или что было изображено на плакате за его спиной).

Эмоции вызывают выброс нейромедиатора норадреналина, который активирует миндалевидное тело [15]. Миндалина — это один из главных эмоциональных центров нашего мозга, она находится в непосредственной близости от гиппокампа. Такое соседство вряд ли случайно.

Стоит миндалине возбудиться, она начинает дополнительно активировать гиппокамп, усиливая связи внутри нейронной сети, которая потом сформирует воспоминания. Умеренный стресс на короткое время способен улучшить наши способности к запоминанию, но хронический ухудшает память и снижает объем серого вещества в гиппокампе. Одна из причин такого эффекта — эксайтотоксичность: длительное перевозбуждение нервных клеток приводит к тому, что они начинают гибнуть[40].

Еще один важный фактор, облегчающий запоминание, — новизна. В новой обстановке люди лучше усваивают материал, который необходимо запомнить. Вероятно, новизна создает временное окно, когда обучение происходит более эффективно, — вполне возможно, что не последнюю роль здесь играет дофамин, выделяющийся в ответ на новизну [12].

Консолидация

Когда мы активно получаем новые впечатления, они укладываются в отдельные памятные следы, которые поддерживаются в гиппокампе в основном за счет изменения активности в уже существующих сетях нервных клеток. Затем наступает стадия консолидации — связи между нервными клетками, где хранятся отдельные элементы памятного следа, перестраиваются и укрепляются. Теперь запоминание полагается не только на электрическую активность, которая может в любой момент исчезнуть. Во время консолидации изменения становятся физическими: на мембране нейронов появляются новые рецепторы к сигнальным веществам, образуются новые синапсы между нейронами (или, наоборот, исчезают уже существовавшие синапсы), новые нейроны встраиваются в существующие нейронные сети и меняют их работу [16].

Воспоминания чаще всего закрепляются во сне. Именно поэтому перед экзаменом лучше всего хорошенько выспаться!

Закрепление воспоминания чаще всего совершается во сне, но может происходить и просто во время перерывов от активной деятельности, когда мы расслабляемся и отдыхаем. Во время консолидации из памятного следа пропадают мелкие детали, отсеивается лишнее, и только самое важное, что было в определенном эпизоде, попадает на долгое хранение.

Сон — один из самых эффективных способов закрепить в памяти нужную информацию. Когда мы спим, ничто не мешает процессу, лежащему в основе консолидации памяти, — проигрыванию нейронной активности в гиппокампе [17]. Фактически во сне гиппокамп воспроизводит активность, которая проявлялась в нем, пока мозг учился чему-то новому.

Как всегда, пронаблюдать этот процесс вживую ученые смогли в исследованиях на животных. Крыс обучают ориентироваться в лабиринте, одновременно записывая активность клеток гиппокампа, отслеживающих перемещения животного. Чтобы крыса могла как следует запомнить правильный путь в лабиринте, ей нужно поспать. Пока крыса спит, мозг меняет соединения между нейронами, закрепляя выученный материал в памяти; при этом в гиппокампе регистрируется та же активность, что и в момент обучения наяву, только в более быстром темпе. Если разбудить крысу, когда гиппокамп занят проигрыванием событий или заблокировать эту активность, крыса не выучит маршрут в лабиринте и будет справляться с задачей хуже, чем напарницы, которым дали выспаться, не вмешиваясь в работу мозга. Такое проигрывание активности в гиппокампе активирует всю сеть нейронов, формирующих памятный след, в том числе за пределами системы гиппокампа, постепенно усиливая связи между нейронами, образующими энграмму [18].

По мере того как память консолидируется, активность гиппокампа становится все менее важной; воспоминание постепенно «переезжает на постоянное место жительства» в разные отделы коры больших полушарий. Благодаря этому перемещению из гиппокампа в новую кору воспоминания, которые сформировались достаточно давно, уже не зависят от гиппокампа и сохраняются даже в том случае, когда он поврежден или вообще вырезан из мозга, как произошло в случае Генри Молисона. Семантическая часть воспоминания (отвечающая на вопрос «ЧТО», очищенный от «ГДЕ» и «КОГДА») встраивается в сеть наших знаний, которую формируют связанные между собой идеи и факты.

Жизненный цикл воспоминания в мозге: свежие воспоминания собирает воедино гиппокамп, а старые не зависят от его активности

Когда люди играют в ассоциации, они мысленно перемещаются по узлам этой сети от одной точки к соседней, и подчас маршруты получаются весьма причудливыми: некоторые объекты и идеи в нашей голове связаны очень нетривиальным образом. Однако большинство людей, особенно если их объединяют общая культура и занятия, назовут очень похожие ассоциации к определенному слову. Люди очень похожи друг на друга — благодаря этому мы легко находим общий язык, понимая собеседников с полуслова.

Извлечение

Нельзя сказать, что извлечение воспоминаний из памяти — это простой пассивный процесс. Каждый раз, когда нам нужно что-то вспомнить, мы заново воссоздаем воспоминание из отдельных элементов памятного следа, которые могут храниться в самых разных уголках коры головного мозга.

Всякий раз, когда мы обращаемся к информации, хранящейся в памяти, памятный след усиливается и связи между отдельными нейронами внутри энграммы укрепляются. Один из эффективных способов лучше запомнить какую-то информацию — время от времени проверять себя и свою память, стараясь не упускать важных деталей (или делать перерывы в обучении, возвращаясь к материалу день за днем или даже с перерывом в несколько дней — это работает по тому же принципу).

Извлекая воспоминания, мы опираемся на контекст, в котором это происходит. Одну и ту же историю мы совершенно по-разному расскажем маме, начальнику и закадычному другу: отличаться могут не только акценты и стиль повествования — в зависимости от ситуации могут пропадать и появляться отдельные элементы воспоминания.

Воспоминания — это вовсе не цельная сущность вроде файла на компьютере.

Файлы занимают определенное место на жестком диске, имеют фиксированный размер и расширение. Где бы и когда бы мы ни открыли файл, он будет одним и тем же (конечно, если есть подходящая программа, которая умеет его читать). С воспоминаниями не так: мы храним их как сеть разрозненных деталей и каждый раз, когда нужно что-то вспомнить, заново реконструируем события, собирая в основном те части, которые нужны сейчас. Скажем, если нужно рассказать мастеру о поломке телефона, человек скорее будет концентрироваться на технических деталях, которые помогут понять, что же произошло; рассказывая о проблемах с телефоном друзьям — описывать свои эмоции или то, как сломанный телефон перечеркнул все рабочие дела или планы на выходные.

Воспоминания хранятся в мозге не «одним файлом», а в виде разрозненных деталей.

При извлечении воспоминаний другую роль играет и контекст ситуации: нам легче вспомнить то, что хотя бы частично воспроизводит обстоятельства, в которых мы эту информацию запоминали. Места, запахи, образы, звуки, настроение — любая из деталей может помочь пробудить воспоминание к жизни. Мозг активно использует такие подсказки при работе с воспоминаниями, и в этом определенно есть смысл: если что-то произошло в каком-то месте или при встрече с некоторыми людьми, вполне вероятно, что в будущем случится нечто похожее, и учитывать прошлый опыт в такой ситуации не помешает. Эту способность извлекать все воспоминание целиком по любому из элементов памятного следа обеспечивает гиппокамп — он удерживает связи между отдельными кусочками внутри воспоминания [19].

Как определяется контекст? Благодаря работе медиальной префронтальной коры (мПФК), тесно связанной с гиппокампом: она напрямую получает оттуда информацию и отправляет сигналы обратно. Взаимоотношения в паре мПФК — гиппокамп можно объяснить с помощью метафоры железнодорожного сообщения. Гиппокамп отвечает за формирование и хранение отдельных воспоминаний, укладывая рельсы, которые могут перенести нас в прошлое, к событиям конкретного эпизода; мПФК способна переводить стрелки между многими путями, пересекающими ландшафт нашей памяти.

Медиальная ПФК улавливает и отбирает определенные аспекты нашего опыта, которые формируют контекст, объединяющий некоторые ситуации: одни и те же участники событий, общее место или время или же набор правил, которым можно руководствоваться при принятии решений [20]. Таким образом обеспечивается стратегический контроль при извлечении воспоминаний, определяющий, что конкретно может пригодиться прямо сейчас с учетом наших намерений и того, как мы воспринимаем ситуацию. Гиппокамп способен извлекать воспоминания самостоятельно, без участия мПФК, но именно последняя обеспечивает избирательное извлечение воспоминаний, соответствующих ситуации.

Тесные двусторонние связи обеспечивают плотный обмен информацией между гиппокампом и мПФК, выделяя в повседневных событиях похожие сценарии, происходящие при известных обстоятельствах. Благодаря этому в мПФК формируются некие правила, которыми мы чаще всего руководствуемся в определенном контексте. Как только мы попадаем в такой контекст — дом, рабочее место или магазин, — гиппокамп отправляет информацию в мПФК, которая определяет режим действий в знакомой ситуации, подавляя другие воспоминания и режимы действия, не соответствующие контексту. Благодаря этому мы обычно легко собираем в корзину стандартный набор регулярно покупаемых продуктов, но почти наверняка забудем о батарейках или лампочке, которые обновляются не чаще раза в полугодие. Редко приобретаемые товары просто не попадают в привычный контекст и алгоритм действий в магазине.

При сильном стрессе извлечение воспоминаний может представлять большую сложность: трудно вспомнить даже то, что хорошо знаешь.

Стресс — еще один фактор, влияющий на извлечение воспоминаний. Когда сильно нервничаешь, сложно вспомнить то, что вообще-то хорошо знаешь, причем это касается не только людей, но и крыс [15].

Если в эксперименте исследователи заставляют крыс нервничать, те хуже справляются с выученными задачами — им трудно вспомнить правильную последовательность действий. Происходит это потому, что активированная миндалина мешает нормальной работе гиппокампа: если ее активность заблокировать, проблемы с памятью исчезают (по крайней мере, у крыс). В таком случае эффект стресса временный: когда мы успокаиваемся, память перестает подводить и можно снова нормально ею пользоваться (хоть это и слабое утешение для тех, кто боится экзаменов, публичных выступлений и собеседований, где как раз требуется быстро вспоминать то, что сейчас нужно сказать).

Реконсолидация

Каждый раз, когда мы редактируем файл на компьютере, в системе появляется отметка о том, когда были внесены последние изменения. С воспоминаниями, конечно, опять все иначе: они могут меняться незаметно для человека. Этот процесс называется реконсолидацией.

Вспоминая информацию, мы заново реконструируем ее из отдельных элементов, хранящихся в разных уголках нашего мозга. Что получится на выходе, зависит в том числе и от того, в каких условиях и с какой целью нам приходится вспоминать информацию. В момент активации энграмма, которая лежит в основе воспоминания, может видоизменяться, теряя старые элементы или включая в себя новые. Когда извлечение воспоминания совпадает с другими событиями, посторонняя информация нередко встраивается в существующее воспоминание. В результате оно обрастает чужеродными элементами, которых не было в исходном эпизоде. Мы не так часто обращаем на это внимание, перебирая собственные воспоминания, но иногда такое можно заметить у других людей, когда история, случившаяся с рассказчиком, постепенно превращается в байку, обрастая все новыми невероятными подробностями.

Процесс реконсолидации, по-видимому, лежит и в основе ложных воспоминаний: когда человек конструирует воспоминание о событии, которого в реальности не было. Если постараться, вызвать ложные воспоминания не так уж сложно: в зависимости от того, как проводить эксперимент, от четверти до половины людей можно убедить в том, что в их детстве было событие, которого на самом деле никогда не случалось [21, 22].

Забывание

Большинство воспоминаний задерживаются в нашей памяти ненадолго и вскоре исчезают. Раньше считалось, что забывание — это скорее пассивный процесс: время постепенно стирает памятный след, разрушая связи между отдельными клетками, формирующими энграмму. Однако оказалось, что в мозге активно идут процессы, ускоряющие забывание, — если их отключить, воспоминания сохраняются значительно дольше [16].

Если подумать, в забывании есть определенный смысл: если в мельчайших подробностях помнить все, что с нами происходило, мозг будет просто завален лишними воспоминаниями, и это наверняка здорово осложнит работу с информацией.

Поначалу мозг не знает, какая информация важна, а какая нет, поэтому на первых порах он сохраняет ее как можно больше, но затем большую часть забывает. Забывание работает как фильтр, отсеивая информацию, которая оказалась неважной (или показалась таковой нашей психике — внутри мозга работает своя внутренняя логика организации всех процессов, она оттачивалась в процессе эволюции и направлена прежде всего на то, чтобы избегать угроз и получать ресурсы, обеспечивающие процветание нам и ближайшим сородичам).

Большинству из воспоминаний суждено со временем стереться из памяти (если только мозг не посчитал их важными).

Когда контакт между двумя нейронами не активен, он вскоре исчезает — для этого внутри нейронов есть специальные белки, разрушающие молчащие синапсы. Если искусственным образом заблокировать работу этих белков, мыши будут сохранять воспоминания намного дольше. Если, наоборот, усилить работу этой системы, мышь будет почти сразу забывать то, что выучила.

Другой механизм забывания — нейрогенез, то есть образование новых нейронов в мозге. С одной стороны, он важен для сохранения новых воспоминаний; однако новые нейроны снижают стабильность старых, уже сформированных. Новые нейроны встраиваются в существующую сеть и нарушают работу старых энграмм. При этом сильнее всего повреждаются свежие воспоминания, а старые не так подвержены разрушению. Вероятно, это происходит потому, что более старые воспоминания перемещаются из гиппокампа в новую кору на долговременное хранение, где их не так-то просто потревожить. Нейрогенез проявляет свой эффект намного медленнее, чем белки, разрушающие синапсы: требуется по крайней мере несколько недель, чтобы вновь образованные нейроны проросли в существующие, но неактивные энграммы, нарушив извлечение воспоминаний.

Что происходит с информацией, которую мы какое-то время помнили, а потом забыли? По-видимому, она не исчезает бесследно, и какие-то ее фрагменты остаются в нервной ткани не доступными для извлечения. Однако люди и животные гораздо быстрее выучивают материал, который учили когда-либо до этого: энграмма словно занимает уже знакомое, но опустевшее место. Возможно, когда что-то забываем, мы просто теряем ключи доступа к информации, которая в каком-то виде продолжает храниться в нейронной сети [23].

Глава 15

Сколько может запомнить человек?

Есть ли пределы емкости у человеческой памяти и каковы они? Ответ на этот вопрос во многом будет зависеть от того, говорим ли мы о конкретном человеке или человечестве вообще. Дело в том, что люди очень отличаются по возможностям своей памяти, и во многом эти различия определяются нашими генами [24]. Считается, что ресурсы нашей памяти на 50–70 % связаны с наследственностью: если человеку достались неудачные гены, его возможности улучшить память далеко не безграничны.

Если мы что-то знали, но забыли, во второй раз будет проще и быстрее это выучить.

Тем не менее память можно тренировать: мнемонические техники и упорные тренировки (особенно помноженные на хорошую наследственность) порой дают поистине невероятные результаты. Люди дошли до того, что соревнуются друг с другом в запоминании информации. Такие соревнования распространились в конце XX века; в 1991 году прошел первый чемпионат мира по запоминанию, и с тех пор такие соревнования проводятся ежегодно. Как и во многих молодых видах спорта, участники таких соревнований стремительно бьют рекорды: победители смогли запомнить за 15 минут 1168 цифр, 809 абстрактных картинок и 335 случайных слов [25]. Рекорд по количеству знаков числа π, которые смог запомнить человек, на сегодняшний день принадлежит японцу Акире Харагучи: он смог запомнить 111 700 знаков (!) [26].

А еще в мире существуют уникумы, которым феноменальная память дана от рождения. Такие люди могут отличаться в том, что именно они способны запоминать лучше всего, но объединяет их способность быстро и точно воспроизвести огромные объемы информации спустя дни, недели и годы после того, как они ее запомнили. Большинство людей с феноменальной памятью — саванты: они испытывают трудности при общении с другими людьми на фоне нарушений развития головного мозга[41].

Память можно тренировать, но изначально ее ресурсы ограничены набором унаследованных генов.

Люди, обладающие экстраординарной памятью без расстройств аутистического спектра, встречаются крайне редко, однако они тоже не особо рады своему дару. Обычно они жалуются на то, что их буквально накрывает флешбэками[42], стоит им увидеть что-то, вызывающее в памяти те или иные события, даже если они произошли много лет назад, и такой поток воспоминаний почти невозможно остановить [16]. Феноменальная память, доставшаяся человеку, способна осложнить ему жизнь: такие люди могут вспомнить любой день своей жизни в мельчайших подробностях, но испытывают большие проблемы с тем, чтобы анализировать полученную информацию, делать на ее основе выводы и обобщения и принимать решения. Абсолютную память сложно назвать хорошей штукой, когда дело доходит до того, чтобы эффективно ею пользоваться.

Глава 16

Почему забывать важно?

Надо сказать, что мозг развивался в ходе эволюции вовсе не как устройство для хранения данных, а как система управления поведением, способная обеспечить выживание и продолжение рода. Главная задача мозга — постоянно анализировать поступающую информацию, чтобы решить, как дальше действовать, а затем отследить, к чему это привело. Память о том, что произошло в прошлом, может быть очень полезна, когда мы вновь предстаем перед проблемой выбора.

Мозг постоянно анализирует поступающую информацию, для этого ему важно уметь помнить… и забывать.

Проблема в том, что не все детали произошедшего в нашем прошлом одинаково полезны. Скажем, человеку предлагают взять на себя новую срочную задачу и ему нужно немедленно дать ответ. В такой ситуации очень кстати будет вспомнить о том, чем закончились прошлые похожие случаи — благодарностью от руководства или тем, что исполнителя в итоге сделали крайним и свалили на него все шишки. Но, чтобы определиться с ответом, бесполезно вспоминать, какое число было тогда на календаре или какая погода была за окном.

Мы живем в мире, который сочетает в себе порядок и хаос, предсказуемость и непредсказуемость. Даже довольно стандартные события никогда во всех деталях не повторяют прошлое (если, конечно, мы не в фильме «День сурка»).

Если день за днем какие-то ситуации повторяются, полезно держать в голове аспекты, отличающиеся постоянством, и не обращать внимания на те, что каждый раз меняются: скажем, помнить, что за зимой придет весна, полезно, а о том, что в прошлом и позапрошлом году 7 апреля температура была +8, довольно бессмысленно.

Память должна быть устойчивой, когда дело доходит до вещей, способных влиять на нашу жизнь в будущем. Память должна быть меняющейся и быстротечной, когда разговор заходит о тех особенностях нашего опыта, которые вряд ли когда-то повторятся и не смогут хоть как-нибудь повлиять на нашу жизнь. Мы должны постоянно адаптироваться к миру вокруг, учитывая условия, в которых действуем сейчас, и те, что существовали в нашем прошлом.

Гиппокамп и связанная с ним система, отвечающая за память, должны сочетать одновременно стабильность и гибкость, чтобы эффективно работать и быть полезными как в очень стандартных, так и в самых необычных ситуациях, которые могут нам встретиться. В некоторых случаях полезно хранить в памяти подробности того, что и в каком порядке происходило, в других достаточно вывести закономерность и придерживаться определенных правил и процедур, чтобы не возникало лишних проблем. Иногда хорошо просто не забывать о том, что до сих пор, преодолевая трудности, мы полагались на собственные стойкость и оптимизм и это помогало справиться с испытаниями и не опустить руки. Или, например, вспомнить, что мир изменчив, и в нынешних условиях разумнее подождать, пока представится возможность сделать что-то, что от нас зависит.

Со временем наш мозг упрощает воспоминания, оставляя только самые важные, существенные моменты.

Ежедневно мозг пропускает через себя тонны информации, отбирая из песков повседневных впечатлений крупицы бесценного опыта, который может пригодиться в будущем. Память — это иерархическая и очень гибкая система, поддерживающая достаточно прочную сеть наших знаний о мире, позволяя ей меняться, если жизненные обстоятельства этого потребуют.

Гиппокамп развивался прежде всего как навигационная система, которая позволяла животному изучить среду своего обитания и без проблем перемещаться от одного значимого места к другому, избегая тех участков, где может таиться угроза. Оптимальная стратегия поведения — научиться предсказывать то, что, скорее всего, может произойти в том или ином уголке нашего мира, с учетом всех известных обстоятельств.

Упрощение того, что мы помним, связано не столько с ограниченной емкостью нашей памяти — как показывает практика, емкость человеческой памяти может быть совершенно фантастической. Упрощение — необходимое условие для адаптивной памяти. Опуская лишние подробности, мы можем эффективнее пользоваться воспоминаниями просто потому, что упрощенные схемы помогают лучше прогнозировать, выделяя самую важную информацию из прошлого, чтобы предугадать, что может и чего не может произойти в будущем.

Когнитивная карта, которую выстраивает наш мозг, нужна, чтобы предугадать, что ожидает нас за углом (или в завтрашнем дне). Память помогает сохранять события нашей жизни, действия и их последствия, места, где нам бывает особенно хорошо или плохо, нанося обстоятельства, последовательность событий, наши горькие или радостные выводы, принципы и убеждения, маршрут нашей жизни на мысленную карту представлений о том, как устроен мир. Память — то, что связывает прошлое с будущим, продлевая тот миг, в котором мы живем и действуем прямо сейчас.

Глава 17

Что происходит с мозгом, когда…

Может показаться, что я ничего не делаю, но на клеточном уровне я очень занят!

Неизвестный автор

Что происходит в мозге, когда он ничем не занят

Что происходит, когда мы ничем не заняты? На первый взгляд, ничего особенного. Примерно как в детском стишке: «Кто на лавочке сидел, кто на улицу глядел, Толя пел, Борис молчал, Николай ногой качал». Ничего особенного не происходит — ни снаружи, ни внутри. Что интересного может быть в таком необычно простом вопросе и ответе на него?

Оказывается, и в самом вопросе, и в ответе кроется много любопытного. Так часто бывает в науке. До XIX века никто не задавался вопросом о том, почему параллельные прямые не пересекаются и сколько их проходит через точку в пространстве: математики не сомневались, что только одна. А в XIX веке Николай Лобачевский задумался, так ли уж однозначен ответ на этот вопрос, и создал первую неевклидову геометрию. Точно так же ответ на вопрос о том, что происходит в мозге, когда человек ничем не занят и предоставлен сам себе, открывает новое измерение в работе нашего мозга — существование разных функциональных сетей и режимов работы мозга. Но обо всем по порядку.

В разное время, в зависимости от стадии технического прогресса, мозг сравнивали с поршневым двигателем, телеграфом и компьютером.

А что, так можно было?

Начнем с вопроса. Вообще говоря, вопрос о занятиях мозга, когда он ничем не занят, только на первый взгляд кажется простым. Такие, казалось бы, тривиальные вопросы часто имеют схожую судьбу: до поры до времени их никто не задает, а потом находится ученый, который вдруг всерьез интересуется тем, что стоит за таким вопросом. Так ли уж верны наши текущие представления об устройстве вещей? Что, если ответ на вопрос не так прост, как кажется? Так было со многими важнейшими научными теориями — теорией эволюции Дарвина, геометрией Лобачевского, с теорией относительности Эйнштейна. Ответ на вопрос о занятиях мозга положил начало удивительным открытиям, и вполне возможно, что многое еще только предстоит открыть.

Нейробиология — очень молодая наука, а мозг — очень сложный орган. Мы до сих пор знаем о его работе не так уж и много. Есть любопытная теория: то, как ученые описывают мозг, зависит от того, насколько у них сложные представления о мире. Чем выше технологический уровень и сложнее устройства, которые человек в состоянии создать, тем сложнее теории, придумываемые людьми, чтобы объяснить мышление [1].

В древности люди описывали устройство человека, руководствуясь гончарным ремеслом (и библейскими текстами): человек создан богом из глины, и от глины его отличает душа, или дух, который и есть основа нашей личности и психики. С появлением первых гидравлических механизмов появилась теория о том, что поведением человека управляют гуморальные жидкости, определяющие его темперамент (наверное, выражение «моча в голову ударила» дошло до нас как раз из тех времен). Когда люди придумали паровые машины, возобладала новая идея: мозг устроен как сложный поршневой механизм, в котором поршни и пружины приводят в действие мышцы, — таким образом мозг реагирует на те или иные воздействия. В середине XIX века Герман фон Гельмгольц[43] сравнил работу мозга с работой телеграфа — новейшего изобретения той эпохи, позволяющего людям передавать сообщения на сотни километров за считаные минуты. Когда люди разработали первые компьютеры — мощные вычислительные машины, способные проводить расчеты, выполнять различные программы, записывать и хранить нужные файлы на жестком диске, — возникла и быстро стала популярной новая метафора устройства мозга: мозг — это очень сложный (и миниатюрный) компьютер.

Есть очень важное отличие мозга от компьютера: первый все время чем-то занят. Даже когда не занят ничем.

Эта метафора завоевала умы ученых: большинство современных проблем работы мозга описываются в тех же терминах, применимых и в информатике. Как происходит обработка сигналов? Как мозг кодирует информацию? Где и в каком виде хранятся воспоминания — как они формируются и извлекаются из памяти? Какова емкость кратковременной и долговременной памяти?

Каждая из метафор работы мозга, приходивших на смену друг другу, отражает самые передовые технологии, которые были доступны человечеству. Однако любая из них исключает вопрос о том, что происходит с мозгом, когда он ничем не занят: ни гидравлический аппарат, ни механизм, ни телеграф, ни компьютер не имеют никакой особой внутренней деятельности; вся их активность сводится к тому, что необходимо для решения той или иной задачи, а все остальное время любой из этих приборов просто простаивает без дела, безжизненный, пассивный и пустой.

Нейробиологи и психологи по-разному смотрят на то, что и каким образом можно изучать в голове человека. Психологи изучают психику — то есть внутренний мир человека, его мысли, чувства и установки. Нейробиологи смотрят на устройство внутреннего мира человека в основном с материалистических позиций: за какие процессы отвечают отдельные зоны мозга, что в них происходит и как это можно проверить. Тем не менее мозг и психика настолько сложно устроены, что невозможно изучать сразу все, что там происходит, — приходится выбирать что-то одно, чтобы разобраться в деталях происходящего и хоть что-нибудь понять.

Как изучать происходящее в мозге: найди десять отличий

Когда мы ищем ответ на вопрос, чем занят мозг, проблема кроется не только в метафорах. Сами по себе исследования мозга — очень непростое занятие, можно сказать, целое искусство. В самом деле, каким образом можно подступиться к тому, как работает мозг, имея не слишком-то продвинутые инструменты, а именно такими располагали ученые на протяжении почти всего XX века[44].

Если говорить об исследованиях работы мозга у здоровых людей, то до 70-х годов ХХ века чуть ли не единственным методом изучения оставалась электроэнцефалограмма — запись слабых электрических токов с поверхности головы. Запись электроэнцефалограммы для неспециалиста выглядит довольно запутанно: это множество хаотических колебаний разной амплитуды, где мелкая рябь высокочастотных вибраций располагается на поверхности все более крупных низкочастотных волн. Она напоминает скорее шум, чем осмысленные сигналы, и в ней невозможно различить активность отдельных нейронов — только больших и слаженно работающих популяций. На ЭЭГ мы видим какофонию из множества одновременных сигналов и можем распознать только очень заметные события, затрагивающие тысячи клеток, расположенных рядом друг с другом и вблизи поверхности мозга. То есть, чтобы что-то различить на ЭЭГ, нужно, чтобы одновременно выполнялось несколько важных условий — вся остальная активность в мозге скрыта от исследователя, изучающего ЭЭГ.

Скажем, мы хотим узнать, как прослушивание музыки влияет на ЭЭГ. Для этого недостаточно записать электрическую активность с поверхности головы, пока играет музыка: мозг — орган с очень насыщенной внутренней жизнью, и даже очень заметные внешние стимулы влияют на его электрическую активность лишь в незначительной степени. Сигналы, регистрируемые с поверхности мозга, будут связаны не только с музыкой: в мозге одновременно происходит множество самых разнообразных процессов — некоторые из них, похоже, генерируются самой нервной системой независимо от внешних сигналов.

Чтобы выяснить, каким образом именно прослушивание музыки влияет на ЭЭГ, мы можем применить два подхода: либо сравнить записи ЭЭГ у одного человека в тишине и пока играет музыка, либо записать ЭЭГ у множества людей, которые слушают одну и ту же композицию, и усреднить их. В идеале стоит применить оба подхода и записать ЭЭГ многих людей — в тишине и когда играет музыка. В обоих случаях мы пытаемся изолировать эффект музыки от всей остальной активности на ЭЭГ, которая нам в этот раз не важна и которой мы пренебрегаем. Если мы исследуем, как музыка влияет на работу мозга, нам не важно, что еще происходит в мозге помимо восприятия музыки, поэтому берем две группы записей ЭЭГ и просто ищем отличия между ними, а все остальные сигналы на записи относим к бессмысленному (для нашей задачи) шуму, от которого лучше избавиться.

Нельзя заставить мозг заниматься лишь только одним делом, он все равно будет решать одновременно множество задач.

Такой подход к изучению активности мозга оказался очень продуктивным: было описано множество вызванных потенциалов — специфических изменений в ЭЭГ в ответ на различные стимулы. Такие потенциалы возникают в ответ на зрительные, слуховые или тактильные стимулы и могут многое рассказать специалисту — например, о нарушениях работы мозга. А еще оказалось, что существуют потенциалы, возникающие за секунду до того, как человек начнет двигаться — они регистрируются еще перед тем, как человек решил выполнить движение, — и это породило ожесточенные дискуссии о том, есть ли у человека свобода воли. Есть и специфические потенциалы, связанные с мыслительными процессами: например, исследователь может увидеть изменения на ЭЭГ, когда человек осознал ошибку или когда его ожидания были нарушены (скажем, он ожидал, что загорится зеленая лампочка, а загорелась красная или синяя).

Проблема в том, что всей остальной активностью на ЭЭГ в этом случае мы просто пренебрегаем. Задача отчасти напоминает игру «Найди десять отличий» — вот только ученые ищут значимый сигнал, как бы накладывая одно изображение на другое и пытаясь отыскать те участки, где линии не совпадают. При этом ученые, конечно же, работают не с картинками, а со сложными данными, которые еще требуют интерпретации: представьте, что перед вами не сама картинка, а компьютерный код, где каким-то (непонятным нам) образом закодировано цветовое значение каждого пикселя. Чтобы обнаружить, что изменилось от файла 1 к файлу 2, мы просто пренебрегаем всей той информацией, которая совпадает между двумя файлами, и смотрим только на те данные, где между ними есть отличия. Мы не знаем, что на картинке, а просто ищем участки записи, связанные с нашим экспериментом, которые меняются при изменении условий (громкость музыки, темп, жанр и т. п.). Ученые нечасто задумываются о том, что осталось за бортом в результате кропотливого поиска отличий между состояниями: в рутинной деятельности исследователя, озабоченного отличиями, все остальные данные — всего лишь шум, который надо отфильтровать, чтобы найти значимую информацию — несовпадения в данных.

Изучая конкретное явление, влияющее на мозг, ученые пренебрегают отражением его активности, не связанной с этим явлением.

Когда мы очень увлечены мелочами, нам довольно тяжело ухватить общую картину и составить целостное впечатление: работа нейробиолога в основном состоит в поиске и описании таких мелочей. В итоге многие ученые придерживаются позиции, что все, что нельзя интерпретировать в контексте различий, — это не более чем бессмысленный шум. Получается как у кошки из стихов Маршака[45]: все, кроме мышки на ковре, проходит мимо внимания, даже если ты оказываешься в королевских чертогах — все остальное просто не соответствует жизненному опыту, взглядам и имеющимся инструментам, с помощью которых взаимодействует с миром кошка (или нейробиолог).

Пора заглянуть внутрь: что же происходит в мозге, когда мы ничем не заняты?

С приходом и развитием томографии появилась возможность заглянуть внутрь черепа и увидеть наконец мозг живого (и здорового) человека. Впервые в распоряжении ученых появился метод, с помощью которого можно разглядеть отдельные борозды и извилины, волокна и скопления серого вещества глубоко внутри головного мозга, и все это не требовало проведения опасных хирургических манипуляций для вскрытия черепной коробки и рассечения нервных тканей.

Вслед за магнитно-резонансной томографией (МРТ), позволяющей получать четкие трехмерные изображения структур головного мозга, появилась ее модификация — функциональная МРТ (фМРТ), которая оценивает, насколько меняется кровоток в разных участках мозга прямо в процессе восприятия и мышления. Когда какой-либо участок мозга активно работает, расположенные там нейроны потребляют много кислорода и нуждаются в активном кровоснабжении. Технология фМРТ позволяет оценить, как меняется насыщение крови кислородом, и таким образом сравнить изменение активности отдельных зон мозга, когда человеку дают разные задания, которые можно выполнить, лежа в томографе. Наконец-то ученые могли (почти вживую) наблюдать за тем, что происходит в мозге здорового человека, и отслеживать, как разгорается и гаснет активность в разных зонах мозга, пока человек в томографе смотрит на картинки, слушает музыку, проводит вычисления в уме или пытается припомнить, что ел вчера на завтрак.

Функциональная МРТ позволила увидеть, чем отличается «базовая активность» мозга от вызванной активности.

Первые экспериментаторы, использующие фМРТ для изучения работы мозга, исходили из подхода чистой прибавки [2]. В основе лежит довольно простая идея: любую деятельность мозга можно описать как вызванную активность, которая будет заметно выделяться на фоне постоянно идущей базовой активности. Фактически ученые представляли базовый уровень как нечто похожее на режим ожидания, от которого можно «отмерять» интересующие ученых мыслительные процессы.

Далее из концепции чистой прибавки следует, что если мы сталкиваемся с какой-то задачей, то дополнительно к базовому уровню мозг подключает отделы, отвечающие за тот или иной процесс в мозге. В зависимости от типа задачи мозг задействует разные компоненты нервной деятельности — зрительные или слуховые зоны, ресурсы рабочей памяти, способности к пространственному, логическому или абстрактному мышлению и т. п. — все зависит от того, из каких компонентов состоит задача.

Общая томографическая картина работающего мозга при таком подходе напоминает пиццу по индивидуальному рецепту: то, что вы получите, складывается из обязательной основы (лепешка и томатный соус) и дополнительных ингредиентов, каждый из которых добавляет какие-то оттенки вкуса готовой пицце (и прибавляется к итоговой сумме заказа). Концепция чистой прибавки говорит, что любой мыслительный процесс можно разложить на отдельные ингредиенты.

Примерно как гавайская пицца состоит из разложенных на лепешке ананасов, ветчины и курицы, так и любую задачу на восприятие и мышление можно разложить на отдельные ингредиенты, где каждый участок мозга делает что-то свое.

Где-то нейроны оценивают форму объекта, в отделах по соседству определяют цвет фигуры, неподалеку прикидывают, движется фигура или нет, при этом отдельно оценивают поворот вокруг своей оси, отдельно — перемещение объекта относительно фона. Чтобы понять, какие участки мозга подключены, нужно просто сравнить фоновую активность (основу) с активностью в ответ на задание (ингредиенты поверх основы) и затем вычесть одно из другого.

Если нужно выделить в задаче один-единственный компонент, мы сравниваем две задачи — они должны быть идентичны во всем, кроме этого компонента. Скажем, мы хотим понять, где в мозге происходит различение цветов. Тогда в первой задаче человеку говорят нажимать на кнопку, когда зажжется лампочка, а во второй просят нажать, только если загорается лампочка зеленого света. Различия на двух томограммах можно отнести на счет различения цветов. Предполагается, что, добавляя к задаче один новый компонент, мы точно так же добавляем к работе мозга один новый компонент, ничего больше не меняя; мозг решает обе задачи одинаково, за исключением нюанса с цветом лампочки. Таким образом, контроль в фМРТ-исследованиях представлял собой точно такую же задачу с одним-единственным отличием. О том, что происходит в мозге, когда он не решает никакую задачу, исследователи задумывались редко.

Наглядное изображение того, сколько энергии тратит мозг в состоянии покоя

Все изменилось в самом начале XXI века. Маркус Рэйкл стал одним из первооткрывателей и исследователей особого режима работы мозга. В лаборатории, где он работал, перед контрольной задачей всегда записывали активность мозга в состоянии покоя: это пошло еще с тех времен, когда там анализировали реакции мозга на простейшие стимулы вроде геометрических фигур или вспышек света. Контролем в этом случае было просто отсутствие всякого стимула. Так и повелось, что исследователи обязательно регистрировали работу мозга волонтеров, пока они лежали, ожидая начала эксперимента [3].

Когда исследователи начали сравнивать томограммы, полученные в покое и с различными заданиями, неожиданно оказалось, что нет никакого базового уровня, на который можно наложить активность в отделах мозга. Какую бы задачу ни брали ученые, в воображаемой основе обнаруживалось несколько «дырок» — всегда в одних и тех же местах. Это никак не укладывалось в рамки концепции чистой прибавки и возмутительным образом нарушало то, как ученые представляли себе работу мозга. Не важно, какое это было задание — зрительное, слуховое, на слова, на внимание, на арифметические расчеты, — в мозге всегда находились одни и те же зоны, которые отключались, а не подключались, стоило волонтеру переключиться на задание. «Дырки» на томограмме означали и прорехи в существующих научных знаниях о работе мозга.

Энергетический баланс мозга

Субъективно кажется, что это два очень разных состояния — когда мы бездельничаем и когда мы напряженно работаем, обдумываем сложный материал, проводим вычисления в уме или пытаемся запомнить новую информацию. В первом случае мы прохлаждаемся и «проветриваем» мозг, а во втором он рано или поздно «вскипает» и голова вот-вот лопнет от перенапряжения.

Удивительно, но, если рассчитать потребление энергии отдыхающим и интенсивно работающим мозгом, разница едва ли составит 5 %! Различие в умственном напряжении, кажущемся нам гигантским, образует лишь крошечную верхушку айсберга, а под водой кроется огромный массив скрытых от восприятия, но очень энергоемких процессов, о которых мы не догадываемся.

Вообще-то мозг — очень «прожорливый» орган и в покое тратит около 20 % всей энергии, которую мы расходуем. Когда же нам нужно как следует сосредоточиться и включить голову, энергопотребление мозга увеличивается с 20 до 21 % — прямо скажем, малозаметная разница.

Получается, что мозг потребляет чертову прорву энергии — в среднем в 10 раз больше, чем все другие органы и ткани в организме человека. Одна пятая всей энергии в спокойном состоянии идет на нужды мозга, даже если он ничем не занят, хотя весит мозг около 1,5 кг. На что же тратится эта энергия?

Самая очевидная догадка для ученого — энергия тратится в основном на ионный насос, чтобы поддерживать нейроны в состоянии боевой готовности. Эти насосы покрывают мембраны нейронов и постоянно откачивают из клетки натрий, а калий закачивают внутрь нее. На этой разнице электрических потенциалов и работает нейрон, при этом сам по себе нервный импульс проходит вдоль нервной клетки без затрат энергии, просто сокращая разницу между уровнем ионов внутри и снаружи.

Однако дело не в насосе и не в проведении нервных импульсов: по последним оценкам, для нейрона все это стоит недорого. Нейрон тратит от 60 до 80 % энергии, передавая сигналы другим нейронам, то есть большинство потребляемой мозгом энергии тратится в синапсах — местах контакта нервных клеток: там выделяются пузырьки с нейромедиаторами, которые запускают импульсы в следующей клетке. Закачать нейромедиатор в синаптические пузырьки, отправить их в синаптическую щель и затем как можно быстрее убрать нейромедиаторы из синапса, чтобы точно дозировать силу сигнала, — на это и тратится энергия, пока нейроны взаимодействуют друг с другом.

Биосинтез — еще одна статья расходов глюкозы, главного источника энергии для мозга. Мозгу необходимо восстанавливаться и перестраиваться, и для этого ему нужна не только энергия, но и «строительные материалы». В мозге взрослого человека около 12–15 % глюкозы идет на то, чтобы получить новые аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды — нервной ткани необходимо постоянно обновляться и перестраиваться. У младенцев таким образом расходуется около 30 % глюкозы в мозге, а у недоношенных детей этот показатель может доходить почти до 100 %!

Еще одна интересная деталь: вечером мозг потребляет существенно больше энергии, чем утром: митохондрии в нейронах усиливают активность почти на 20 %, а доля глюкозы, которая идет на перестройку нервной ткани, меняется с 11 % ранним утром до 19 % поздним вечером. Такие суточные колебания можно объяснить, если вспомнить, что больше всего энергии расходуется в синапсах. По мере накопления дневных впечатлений синапсы все активнее проводят сигналы и расходуют все больше энергии. Полученный опыт преобразуется затем в изменения связей между нейронами — это и есть нейропластичность [4].

Все приведенные выше факты не дают ответа на важный вопрос: почему организм готов платить за работу мозга такую цену? Это сейчас люди практически решили проблему голода, а на протяжении миллионов лет предки человека постоянно сталкивались с угрозой голодной смерти. Тем не менее пятая часть всего съеденного отправлялась на нужды мозга. Зачем нужна вся эта непрерывно идущая работа и что с этого получают люди?

Один из первооткрывателей дефолт-системы мозга Маркус Райхл считает, что мозг непрерывно занят построением внутренней модели окружающего мира, которая помогает мозгу предсказывать, что случится дальше, и подготовиться к грядущим событиям, используя этот прогноз. При этом лишь небольшая часть этой работы доступна для осознания. Но если прогнозы не сбываются, это непременно обращает на себя наше внимание. Жители крупных городов сталкиваются с этим, когда наступают на ступеньки неработающего эскалатора, и внезапно ощущают что-то вроде толчка: наш мозг ожидает, что эскалатор будет работать, и заранее компенсирует ускорение, которое организм испытывает, попадая на эскалатор. Обычно мы не ощущаем работу этого внутреннего механизма — до тех пор, пока прогноз совпадает с действительностью: наш мозг прекрасно справляется с такими задачами, не подключая сознание. Вполне возможно, что в глубине энергореактора, каковым служит наш мозг, идут и другие процессы, которые ученым еще только предстоит открыть [5].

Как устроена дефолт-система мозга

После того как ученые тщательно перепроверили все выкладки и результаты, провели множество дополнительных экспериментов с использованием разных техник, сомнений не осталось: в мозге есть участки, которые наиболее активны, когда человек ничем не занят, предоставлен сам себе и считает ворон[46], и снижают активность, стоит нам погрузиться в задачу. Эти зоны назвали сетью пассивного режима работы мозга, или дефолт-системой[47]. Концепция чистой прибавки оказалась несостоятельной: мышление — это нечто большее, чем арифметическая сумма процессов, на которые можно разбить задачу, и работа мозга устроена сложнее, чем представлялось до этого. В дополнение к зрительной, слуховой, сенсомоторной и другим системам, о которых ученым было известно, было обнаружено еще несколько важных функциональных систем, обеспечивавших разные режимы работы мозга. За следующие два десятилетия число работ, посвященных работе отдыхающего мозга, выросло лавинообразно, и сегодня в научных журналах выходят сотни работ[48], посвященных разным аспектам работы дефолт-системы мозга.

Дефолт-система мозга состоит из нескольких зон. В ней обнаруживаются крупные хабы — узлы, которые взаимодействуют между собой, одновременно координируя активность подконтрольных зон [7]. Спереди основной участок активности сосредоточен в медиальной префронтальной коре: это обширный участок в передней части лобной доли в глубине между правым и левым полушариями. Сзади центр активности тоже спрятан между полушариями в районе задней поясной коры. Кроме того, в состав сети входят участки, расположенные в срединной височной доле, — там расположен гиппокамп и несколько связанных с ним зон мозга, которые отвечают за ориентацию во времени и пространстве и формирование воспоминаний. Давайте попробуем разобраться, за что отвечают эти зоны и какое значение играет дефолт-система во внутренней психической жизни людей.

Разница по затратам энергии во время активной и «пассивной» работы мозга составляет всего 5 %!

Задняя поясная кора — это коммуникационный центр дефолт-системы. Этот участок еще относят к верхней части лимбической доли мозга (к нижней относят гиппокамп и окружающие его парагиппокампальную и зубчатую извилины, которые тоже сообщаются с дефолт-системой). Этот участок сообщается с несколькими системами мозга и считается важным для процессов осознания и непроизвольного внимания. У пациентов в состоянии наркоза и комы активность задней поясной коры снижена. Нейроны, расположенные здесь, активно общаются с участками мозга, отвечающими за воспоминания, а еще с зонами, связанными с эмоциями и социальным поведением. Считается, что задняя поясная кора получает информацию от органов чувств, сопоставляя ее с тем, что мы помним, и направляет непроизвольное внимание. Участок задней поясной коры потребляет довольно много энергии — ее оценивают по расходу кислорода и глюкозы в разных отделах мозга. Интенсивность кровотока здесь существенно выше, чем в среднем для тканей мозга. Это неудивительно для главного узла системы — считается, что она активна примерно половину времени, которое мы проводим не во сне [7]. Задняя поясная кора активируется в ответ на эмоциональные переживания независимо от того, приятные они или нет.

Как работает дефолт-система человеческого мозга

Задняя поясная кора контролирует один из двух хабов дефолт-системы, координирующих участки коры поблизости и зоны, расположенные рядом с гиппокампом, которые отвечают за память и пространственное мышление. В состав этого узла входит угловая извилина, которая соединяет внимание с пространственным мышлением и действиями, а еще помогает с извлечением эпизодических воспоминаний.

Интересно, что в работе этой подсистемы есть отчетливые суточные циклы: к вечеру, с накоплением дневных впечатлений, внутри сети усиливаются связи между височной корой и гиппокампом, который важен для формирования воспоминаний. Утром, после сна, связи с гиппокампом внутри дефолт-системы почти незаметны. Эти связи важны не только для автобиографических воспоминаний (когда нужно вспомнить, что и когда с нами происходило), но и для пространственного мышления и обучения. Соединения между задней поясной корой и гиппокампом влияют на то, как работает наша память.

Как я писала выше, задняя поясная кора реагирует на сильные переживания. Возможно, это объясняет, почему мы лучше запоминаем эмоциональные события — чем сильнее переживания, тем лучше произошедшее врежется в память.

Второй, передний центр дефолт-системы расположен внутри лобной доли — у человека эти участки созревают позднее других и отвечают за многие чисто человеческие качества: волю, самоконтроль, способность планировать действия и придерживаться этого плана. Здесь главным узлом считается медиальная префронтальная кора. Эта часть сети, по-видимому, отвечает за процессы, связанные с нашей концепцией «я». Медиальная префронтальная кора обрабатывает личную информацию и воспоминания, отвечает за самоощущение, саморефлексию и самооценку, планирование будущего и принятие решений. Эта зона вовлечена в социальное поведение, контроль настроения и мотивации, то есть влияет на личностные особенности человека. Она важна для социального мышления и поведения и откликается не только на мысли человека о самом себе, но и на размышления и переживания о значимых близких людях. Нижняя часть медиальной префронтальной зоны участвует в обработке позитивных эмоций, особенно когда деятельность человека вознаграждается тем, что ему ценно и важно.

Ученым до сих пор не до конца известно, зачем нужна дефолт-система мозга.

Для чего нужна дефолт-система?

Нам до сих пор еще мало известно о том, для чего именно нужна дефолт-система мозга. На этот счет существует множество предположений разной степени обоснованности. По всей видимости, работа системы важна для обработки эмоционального состояния, процессов, связанных с самоосознанием и воспроизведением впечатлений и опыта человека. Некоторые ученые считают дефолт-систему основой для понимания себя и других. Считается, что именно здесь закладываются основы теории разума[49], или модели психики человека, — способности понимать намерения, объяснять и прогнозировать поступки и мотивы других людей. Предполагается, что эта способность критически важна для нормального общения с другими людьми, хотя все это не так-то просто оценить, когда человек лежит в томографе. Еще одно вероятное немаловажное назначение дефолт-системы — она может помогать человеку выстраивать личные смыслы на основе персонально значимой информации. Проще говоря, когда человек начинает анализировать жизненный опыт и личные качества, стараясь найти свое предназначение, без участия дефолт-системы мозга, похоже, не обходится [7].

Считается, что дефолт-система активна, когда человек погружен в себя. Если в ней наблюдается высокая активность, человеку проще вспоминать эпизоды своей биографии, но он хуже запоминает, что с ним происходит в этот конкретный момент. Некоторые ученые считают, что работа дефолт-системы мешает как следует сосредоточиться на задаче и ухудшает производительность труда, но в более широком контексте ее работа может быть очень полезна.

Люди погружаются в собственные мысли с поразительной частотой и постоянством. В одном из экспериментов добровольцы получали уведомления в случайные моменты времени; каждый раз им требовалось отметить, чем они сейчас заняты. Оказалось, что 30–50 % времени люди посвящают размышлениям, не связанным с их текущими занятиями. Мы постоянно отвлекаемся на собственные мысли и обычно недооцениваем время, которое на это уходит.

Одна из задач дефолт-системы мозга, по мнению ученых, состоит в обработке эмоционального состояния человека.

О чем же думают участники таких исследований? Обычно это то, что прямо сейчас имеет большое значение для них лично или же предметные мысли о собственном прошлом и будущем. Возможно, такие размышления помогают людям конструировать и проигрывать альтернативные сценарии своей жизни, пересматривать планы и (морально) готовиться к тем событиям, которые предстоят в ближайшем (или отдаленном) будущем. Вероятно также, что, размышляя о событиях текущего дня, мы помогаем мозгу выделить главное и структурировать информацию так, чтобы уложить в памяти наиболее значимые для нас события.

В опытах на животных выяснилось, что во время отдыха они проигрывают активность нейронов гиппокампа, которые помогают животному сориентироваться в лабиринте, и это позволяет крысам правильно выбирать направления в последующих испытаниях.

Некоторые исследователи видят пользу от работы дефолт-системы в гораздо более простых вещах: вполне возможно, что, отвлекаясь от насущной деятельности, человек подключает креативное мышление или может спланировать, чем будет заниматься дальше. Когда человеку предстоит решать сразу несколько задач, переключение внимания между ними может происходить через активность дефолт-системы. Кроме того, отвлекаясь, мы иногда просто спасаем себя от скуки. Чем скучнее занятие, тем чаще мы отвлекаемся на собственные мысли, при этом, похоже, время для нас течет чуть быстрее, и скучное занятие уже не представляется таким чудовищно бесконечным.

С появления термина «дефолт-система» прошло чуть менее 20 лет, и до сих пор в этой теме вопросов больше, чем ответов. Однако даже за этот небольшой по меркам научного знания срок ученым удалось выяснить о дефолт-системе довольно много любопытного.

Во-первых, работа этой системы мозга меняется при многих психологических и неврологических расстройствах — начиная от депрессии и посттравматического стрессового расстройства и заканчивая аутизмом, хроническими болями, шизофренией и болезнью Альцгеймера. Если можно сказать, что глаза — зеркало души, можно добавить, что дефолт-система — зеркало душевного здоровья. Слишком слабые связи между участками внутри сети, как и слишком сильные, говорят о том, что что-то не в порядке.

Разные клинические состояния по-разному меняют работу этой системы. Например, при аутизме, когда человеку сложно находить общий язык с другими людьми, связь между двумя центральными узлами (хабами) дефолт-системы тоже ослаблена. Чем тяжелее аутизм и хуже коммуникация с окружающими, тем слабее координация между медиальной префронтальной корой (мПФК) и задней поясной корой (зПК). С другой стороны, во время первого эпизода депрессии связность внутри системы, наоборот, излишне усиливается. Вероятно, так внутри мозга проявляется руминация (навязчивые мысли): люди постоянно пережевывают в голове одни и те же депрессивные мысли и идеи, зацикливаются на своем тяжелом состоянии и чувстве вины и не способны переключиться на что-то другое, например на поиск выхода из сложившейся ситуации.

Наши внутренние размышления и раздражители внешнего мира находятся в постоянном противодействии.

Все это говорит о том, что изменения внутри дефолт-системы отражают то, как люди воспринимают себя, других и происходящие в мире события. То, о чем люди думают, отражается и на том, в каком направлении обращены их мысли. Выяснилось, что люди, сталкивающиеся с негативом, чаще думают о прошлом, когда же человек размышляет о себе, он чаще сосредотачивается на будущем. Временная направленность размышлений, в свою очередь, влияет на баланс положительных и отрицательных мыслей: думы о прошлом чаще вызывают в памяти печальные события, а о будущем скорее приведут к более позитивным [7].

Задачи, которые решают волонтеры в томографе, не всегда ориентированы на внешние объекты. Иногда от участников требуется представить себе что-то, оценить собственную реакцию на тот или иной стимул или дать оценку происходящему. В таких задачах активность внутри дефолт-системы подавляется лишь отчасти или остается на том же уровне, что и в покое. Дефолт-система активно вовлекается в мышление, когда внимание участника направлено прежде всего не на внешние стимулы и их взаимодействие, а на какие-то аспекты внутреннего мира человека, которые требуют от него моральных суждений о собственном состоянии или мотивах других, опираются на его опыт в прошлом или задействуют его воображение и способности планировать или прогнозировать будущее.

Дефолт-система находится в противодействии с другой — дорсальной системой внимания: она активируется, когда решение новой задачи требует от человека сосредоточения на внешних стимулах. Взаимоотношения между этими системами можно описать метафорами: «погрузиться с головой в задачу» (дорсальная система внимания) — «погрузиться в себя» (дефолт-система мозга).

Стоит нам подумать о чем-то своем, и объем информации, которую мы воспринимаем извне, радикально снижается.

Когда нас что-то отвлекает вовне, мысленная текучка сразу останавливается (этим особенно хорошо умеют пользоваться родители маленьких детей, которые только что столкнулись с чем-то несправедливым и упоительно страдают, пока их внимание не отвлекут на птичку, собачку и что угодно еще — главное, чтобы оно было достаточно интересным для переключения внимания). Одновременно сосредоточиться на том, что происходит вокруг, и задуматься о чем-то своем не получится: внимание переключается, словно тумблер, и находится либо вовне, либо внутри.

Что нужно, чтобы увидеть работу дефолт-системы во время задания, а не в покое? Дать задачу, в которой человеку придется хорошенько покопаться в себе, чтобы найти ответ на вопросы исследователя. Как я уже писала, внутри дефолт-системы есть разделение обязанностей: первая группа отделов координируется в основном из медиальной префронтальной коры и решает задачи, связанные со взаимодействием человека с другими людьми и поведением в социуме — другими словами, с теорией разума. Эти отделы активны не только тогда, когда вы оцениваете, хороший ли вы человек и справедливо ли с вами поступили на работе, но и когда размышляете о мотивах и взаимоотношениях людей и вымышленных персонажей.

Исследователи считают, что без дефолт-системы творческое мышление и внезапные озарения не могли бы существовать.

Вторая группа управляется отделами в медиальной височной доле и занимается задачами ориентирования во времени и пространстве. Когда вам необходимо припомнить события прошлого, представить какое-то развитие событий, сориентироваться в знакомом месте или объяснить знакомому, как пройти в библиотеку, когда вы размышляете о том, кем станете через пять лет, — вы задействуете подсистему медиальной височной доли. Когда речь заходит о более комплексных задачах, когда нужно использовать и прошлый опыт, и представления о том, что движет людьми, активно работают обе подсистемы.

Многие исследователи считают, что эта система важна для творческого мышления и озарений, которые иногда посещают человека, когда он долго бьется над какой-то проблемой и никак не может найти решение. Эта же система подключается, когда мы слушаем, читаем или рассказываем истории: удивительно, но даже когда люди, говорящие на разных языках, сталкиваются с одной и той же историей, картина изменений внутри этой сети у людей по всему свету одинакова и следует за развитием сюжетной линии истории, не важно, читает ли ее человек на русском или слушает на китайском.

Дефолт-система может работать и во вред, и во благо. Если человек не способен контролировать содержание своих мыслей или не может удерживать внимание на задаче, то и дело отвлекаясь на свои мысли, речь может идти о расстройстве или неблагоприятном прогнозе. Впрочем, наша способность представлять в воображении целые миры, которые работают совершенно по другим законам — физическим, временным, социальным, — это тоже заслуга дефолт-системы.

Возможно, проводи мы меньше времени в своих мыслях, наша история и культура была бы лишена величайших писателей, художников и ученых — от Босха и Шекспира до Эйнштейна и Дарвина.

Больше, чем просто мысли

Не стоит считать, что работа дефолт-системы ограничивается только процессами спонтанного познания или моральных суждений. Какие бы прекрасные истории и произведения искусства ни придумывали люди, какими бы крутыми ни были современные научные теории и прикладные технологии, наивно полагать, что естественный отбор миллионы лет расходовал прорву энергии на нужды наших мозгов, чтобы однажды кто-то придумал «Одиссею» или теорию относительности. Скорее всего, у дефолт-системы мозга есть гораздо более важные задачи, которые она решала задолго до того, как появилось человечество (не говоря уже о томографах и нейробиологии).

Какие есть основания считать, что дефолт-система — это нечто большее, чем штука, которая рассказывает нам о том, кто мы такие, помогает творчески мыслить и судить о моральном облике других людей? Есть несколько аргументов в пользу того, что роль дефолт-системы намного шире [6]:

1. Во-первых, дефолт-система мозга существует далеко не только у человека — она есть и у животных, включая не только обезьян, но и лабораторных мышей и крыс. Структура сети у всех животных относительно схожая, особенно если речь идет об узловых медиальных компонентах сети (то есть расположенных вдоль линии, соединяющей полушария мозга). У каждого вида есть свои уникальные особенности строения системы, но общий принцип расположения основных узлов на удивление схож.

Мозг в покое потребляет слишком много энергии, поэтому ученые до сих пор выясняют, в чем еще назначение дефолт-системы.

2. Во-вторых, паттерны активности, характерные для работы дефолт-системы в покое, проявляются не только тогда, когда люди хорошо осознают происходящее: ту же самую активность можно зарегистрировать, когда человек находится в наркозе или на ранних стадиях сна.

3. В-третьих, мозг в покое потребляет слишком много энергии, чтобы согласиться с тем, что вся эта активность направлена, условно говоря, на самопознание и самоосознание: это примерно как считать, что основное назначение атомной электростанции в том, чтобы люди могли заряжать смартфоны и электронные сигареты.

Вполне вероятно, что дефолт-система может играть важную роль в организации и исполнении незапланированных действий — это можно назвать рефлекторным (или импульсивным) поведением. У неблагополучных подростков, которые совершали преступления и определенно испытывали проблемы с самоконтролем, обнаружились характерные особенности взаимодействия между системами в мозге. В норме работа отделов, связанных с планированием и запуском поведения, коррелировала с работой отделов, управляющих произвольным вниманием и связанных с исполнительным контролем. У импульсивных подростков, которым тяжело себя контролировать, отделы, отвечающие за поведение, коррелировали с работой дефолт-системы. Так что нельзя сказать, что дефолт-система управляет только «невинными» процессами, направленными на рассуждения о природе вещей. Если внутренний «тормоз» со стороны дорсолатеральной и орбитофронтальной коры не срабатывает, это может привести к деструктивным последствиям — возможно, именно это произошло с Финеасом Гейджем — одним из самых первых пациентов, ставших нейробиологическими знаменитостями.

Портрет несчастного (или счастливого?), который выжил после ужасной черепно-мозговой травмы в середине XIX века

Похоже, ученым еще многое предстоит узнать о том, что же происходит внутри мозга, когда он ничем не занят. Даже то, что мы уже знаем о работе дефолт-системы, кардинальным образом поменяло представление о том, что же такое мозг и как он работает. Наш мозг — определенно не компьютер: сложно представить себе компьютер, который ни на минуту не останавливает активность, даже когда ничем особым не занят. С мозгом дела обстоят именно так.

Мозг и личность

Финеас Гейдж — хрестоматийный пациент, вошедший в историю нейронауки после несчастного случая на железной дороге. В 1848 году, во время прокладки железнодорожного пути, Гейдж закладывал взрывчатку в скалы на маршруте. 13 сентября в результате самопроизвольного взрыва череп Финеаса Гейджа проломил 6-килограммовый стальной стержень, протаранив лобную кость, глазницу и скулу. Поначалу Гейдж бился в конвульсиях, но через несколько минут смог говорить и даже передвигаться почти самостоятельно (с небольшой поддержкой). Гейдж добрался до города в сознании (с дырой диаметром не менее 3 см, пробитой прутом в черепе), чем несказанно удивил прибывших к нему медиков.

Несмотря на серьезнейшие повреждения головного мозга и вторичную инфекцию, занесенную стальным прутом, пациент выжил и через два месяца даже смог встать на ноги.

Конечно, без последствий не обошлось: после инцидента пациент наполовину потерял зрение и ту личность, которую прежние знакомые знали как Финеаса Гейджа. У него начались проблемы с импульсивностью: он стал вспыльчивым, капризным и грубым, чего раньше за ним не водилось. Со временем изменения в личности Гейджа сгладились, он стал более адаптированным к жизни в социуме. Самые серьезные приступы вспыльчивости, по-видимому, проявлялись лишь на короткие промежутки времени.

Погастролировав некоторое время в качестве одного из экспонатов американского цирка П. Т. Барнума, Финеас нашел себе работу кучера, а затем даже переехал в Чили с рекомендациями от прошлых нанимателей.

В результате травмы Гейдж утратил около 4 % коры и 11 % белого вещества. Незадолго до смерти Финеас начал страдать от приступов эпилепсии, становившихся все более тяжелыми и частыми, и умер во время одного из припадков в мае 1860 года [8].

Глава 18

Что происходит, когда человек спит

Примерно треть всей своей жизни человек проводит во сне — никакое другое занятие не занимает столько нашего времени. Треть жизни просто на то, чтобы лежать в постели с закрытыми глазами, совершенно не реагируя на происходящее вокруг, — другими словами, чтобы спать. Почему нельзя отказаться от сна, просто заменив его отдыхом или выгадав это время на что-то более интересное? Ну или, по крайней мере, сократить его время до четырех часов или даже двух? Зачем нам столько спать? Что же такого важного происходит, пока человек спит?

В «Википедии» статья о сне начинается так:

«Сон (лат. somnus) — естественное физиологическое состояние, противоположное состоянию бодрствования, характеризующееся пониженной реакцией на окружающий мир».

Из этого определения мало что понятно, кроме того что сон отличается от бодрствования и что когда человек спит, он мало на что реагирует. Действительно, во сне мы не замечаем тихих звуков и небольших изменений освещенности, а от громкого звука или яркой вспышки света сразу просыпаемся. Такая невосприимчивость к сигналам может дорого стоить, если они сообщают об угрозе (и часто люди плохо спят или вообще не могут заснуть, если взволнованны). Не только человек, но и многие животные заботятся о том, чтобы как следует подготовиться ко сну — находят укромное тихое и теплое место, где могли бы безопасно отключиться от окружающей действительности и поспать, не беспокоясь о том, что им кто-то или что-то помешает.

Если бы сон был не важен, гораздо разумнее было бы вообще от него отказаться: если ты начеку, неприятности вряд ли смогут застать врасплох, однако во сне хищник или соперник могут подобраться незамеченными.

Сон — одно из самых загадочных состояний для современной нейробиологии. Начать, пожалуй, стоит с того, что спят практически все животные, обладающие нервной системой[50]. Даже микроскопическая нематода Caenorabditis elegans, крошечный прозрачный червячок длиной около миллиметра, чьи мозги состоят всего из 302 нейронов (да-да, речь о трех сотнях нейронов — не триста тысяч и миллионов, а триста штук), время от времени переходит в состояние, очень похожее на сон: перестает питаться и шевелиться, практически не реагирует на внешние стимулы и проводит в таком состоянии два-три часа [1].

Что будет, если не спать?

Наверное, каждый человек хотя бы раз в жизни не высыпался — не спал, страдая от бессонницы или проведя всю ночь за работой, подготовкой к экзаменам или с друзьями. Даже небольшое недосыпание приводит к тому, что человек становится рассеянным, плохо сосредотачивается на задачах, медленнее реагирует и соображает. Невыспавшимся людям тяжелее запомнить новую информацию, анализировать и принимать решения. А еще, если не выспаться, то и дело накатывает сонливость: стоит человеку попасть в тихое затемненное удобное место, его начинает клонить в сон. Впрочем, некоторым людям удается засыпать в самых неожиданных местах, которые невозможно назвать тихими, темными или удобными.

Постоянное недосыпание ведет к накоплению усталости и увеличивает риск возникновения хронических заболеваний.

Чем дольше люди не спят, тем сильнее их потребность во сне. Если надолго лишить человека сна, это приводит к серьезным последствиям и воспринимается мучительно — в некоторых случаях такое принудительное лишение сна (по-научному, депривация) использовали как пытку, чтобы выбить из людей нужные показания. Если человеку не давать спать несколько суток, его сознание становится спутанным, ухудшается зрение, слух и координация движений, появляются галлюцинации и провалы в памяти. Человек плохо себя чувствует: может испытывать головокружение, тошноту, боль; у него снижается иммунитет, могут усиливаться воспалительные процессы [2].

Хроническое недосыпание приводит к накоплению усталости, в этом случае эффект развивается постепенно и не так заметен: тем не менее люди хуже справляются с математическими задачами, заданиями на внимание. Чем дольше длится испытание, тем хуже результаты добровольцев с недосыпанием [3]. Увеличивается риск хронических заболеваний, таких как диабет, атеросклероз, болезнь Альцгеймера, а также возрастает риск развития депрессии [2].

В общем, сон действительно важен.

Больше недели без сна

В 1964 году в «Книге рекордов Гиннесса» был зарегистрирован самый долгий период без сна у человека: рекордсмен, 17-летний Рэнди Гарднер, продержался без сна 264 часа (точнее, 11 суток и 25 минут). Все это время за ним следили два одноклассника и лейтенант военной школы, где он проходил обучение [4]. Вся затея появилась как тема школьного научного проекта, который задумал Рэнди со своим другом Брюсом МакАлистером. Они бросили монетку, и участвовать выпало Рэнди, но Брюс тоже не спал первые три дня, чтобы следить за тем, что не спит его друг. Когда от недосыпания Брюс сам начал отключаться, ребята поняли, что им нужен третий участник, и позвали еще одного друга. Однако вскоре к наблюдению за самочувствием подростка подключился исследователь сна из Стенфорда Уильям Демент — к большому облегчению родителей Рэнди, которые опасались за его здоровье.

Рэнди был в прекрасной физической форме и боролся со сном, играя в баскетбол или боулинг. Во время эксперимента у Гарднера наблюдались перемены настроения, с каждым днем усиливались проблемы с памятью и концентрацией внимания, через несколько дней появились паранойя и галлюцинации. На одиннадцатый день, когда Рэнди попросили выполнить арифметическую задачку — вычитать из ста по семь, он остановился через пять итераций — на 65. На вопрос, почему остановился, он ответил, что забыл, что делает. После одиннадцати суток без сна Рэнди проспал 14 часов и 40 минут и проснулся оттого, что захотел в туалет. Исследователи, изучавшие случай Рэнди, заключили, что большую часть эксперимента он спал на ходу: отделы его мозга по очереди дремали, пока остальные поддерживали видимость бодрствования, — это явление носит название «локальный сон» и сейчас активно изучается.

Надо сказать, что по окончании испытания Рэнди полностью восстановился, и этот эксперимент не особенно повлиял на его здоровье (во всяком случае, на момент написания книги 74-летний Рэнди был жив и не страдал тяжелыми заболеваниями, если судить по интернет-источникам, которые интересовались его судьбой и последствиями этого эксперимента).

После этого случая «Книга рекордов Гиннесса» отказалась регистрировать новые рекорды, опасаясь за здоровье претендентов. Впоследствии несколько человек заявляли о том, что смогли поставить новый рекорд без сна, но «Книга рекордов Гиннесса» не стала менять позицию и рассматривать эти заявки.

Организаторов можно понять: опыты на животных говорят о том, что сон жизненно необходим организму: иными словами, если долго не спать, можно умереть.

Эффекты длительной депривации сна изучают на животных. Попросту говоря, мышам или крысам не дают спать и смотрят, что будет. Обычно через 11–32 дня крысы начинают умирать, при этом не обнаруживается какой-то специфической причины [5]. Часто выдвигают предположение, что животные умирают от стресса, и это очень похоже на правду — заставить животное не спать не так-то просто: условия этих жестоких экспериментов мало похожи на обычную жизнь лабораторных животных.

Как разделить влияние стресса и бессонницы? Исследователи придумали хитрый опыт: двух мышей сажают на две плавучие платформы, погруженные в воду. Платформу легко перевернуть: в этом случае мышь оказывается в воде и вынуждена выкарабкиваться оттуда, чтобы не утонуть. И вот одной мыши из этой пары не дают спать: стоит ей задремать, как обе платформы переворачиваются, опрокидывая мышей в воду. Вторую мышь не наказывают, если засыпает только она: она может спать в тех промежутках, пока ее соседка борется со сном. В итоге получается, что уровень стресса у двух мышей одинаков: обе они оказываются в воде одинаковое число раз, вот только одна спит, а вторая нет.

Как и ожидалось, в такой паре погибает только та мышь, которой не дают спать. Неожиданным оказалось вот что: погибает она именно от стресса. Если говорить точнее, от окислительного стресса: в теле неспящей мыши по неясным пока причинам начинают накапливаться соединения, разрушающие организм за счет окисления жизненно важных молекул — липидов, из которых состоят клеточные мембраны, белков, управляющих большинством биохимических процессов в организме, и ДНК, кодирующей наши гены [6, 7]. Если дать мыши антиоксиданты — вещества, которые нейтрализуют разрушительное действие окислительного стресса, — она выживает, даже когда ей не дают спать.

О чем же нам говорит это исследование? Обе мыши испытывают тяжелый стресс, оказавшись в бедственном положении, и антиоксиданты помогают им выжить, несмотря на бессонницу. Однако, по-моему, это исследование не совсем о том, что сон нужен нам для борьбы со стрессом. Уровень стресса у животных очень разный, а сон при этом — штука повсеместная. Но вот о чем можно сказать с уверенностью: в момент, когда вы испытываете острый стресс, сон помогает с ним справиться и не дает ему вас убить.

Фазы сна

С точки зрения мозга сон — это не просто длительный отдых и прекращение всякой активности. Это скорее смена одних занятий другими, причем не менее важными. Любопытно и то, что сон — это не однородный процесс: в середине прошлого века исследователи, изучающие электроэнцефалограммы спящих людей, обнаружили, что внутри сна есть разные состояния.

Засыпая, мы постепенно проходим через первую, вторую и третью стадии медленного сна. Электрическая активность на ЭЭГ на этих стадиях постепенно замедляется и синхронизируется — вместо частой ряби по электроэнцефалограмме пробегают крупные и глубокие волны активности.

Первая стадия — самый поверхностный сон, когда человек только заснул. На второй стадии на энцефалограмме могут появляться сонные веретена — короткие вспышки активности мозга. Третья стадия самая глубокая — это медленноволновой сон. Разбудить человека на этой стадии намного тяжелее, чем на первой и второй: это именно то состояние, которое мы называем «спросонья» — человек плохо понимает, что происходит, и ему требуется довольно много времени, чтобы сориентироваться и начать соображать.

После глубокого медленноволнового спящий человек возвращается на вторую фазу медленного сна, а затем обычно переходит в фазу быстрого сна. В этой фазе тело обездвижено, мышцы обычно максимально расслабленны, а вот зрачки закрытых глаз время от времени быстро двигаются. Благодаря такой особенности это состояние назвали фазой быстрых движений глаз или, по-простому, быстрым сном. Запись ЭЭГ в этой фазе похожа на дневную. Дыхание и сердцебиение в это время становятся нерегулярными, а терморегуляция ослабляется, то есть организм перестает себя греть, поэтому люди предпочитают спать под одеялом.

В фазе быстрого сна просыпаться заметно легче, а если разбудить нас в глубокой фазе, мы будем чувствовать себя разбитыми.

После быстрого сна все начинается сначала. За несколько часов, что мы спим, фазы сна чередуются: медленный сон сменяется быстрым, затем снова наступает медленный. Каждый цикл сна занимает около полутора часов. Считается, что полноценный ночной сон наступает тогда, когда в него помещается несколько полных циклов: после быстрого сна люди обычно просыпаются легко и в хорошем самочувствии, ощущая бодрость, даже если проспали меньше привычного. Если разбудить человека в глубоком медленноволновом сне, просыпаться он будет тяжело и долго и, вполне вероятно, будет чувствовать себя немного разбитым и рассеянным, даже если спал долго.

Активность мозга в различных фазах сна и состоянии бодрствования

Еще на уровень глубже

Если перенестись еще на один уровень в глубь спящего мозга, можно наблюдать, как меняется активность отдельных нейронов. Микроскопические электроды, вживляемые в мозг животных, позволяют следить за тем, как меняется активность различных отделов мозга во время бодрствования и во сне.

Естественно, большинство нейронов наиболее активны, пока животное не спит. Однако и во сне многие из них, похоже, активно работают, выполняя разнообразные задачи. В фазе медленного сна в самом основании мозга, в стволе, большинство нейронов снижают или вовсе останавливают электрическую активность, но нейроны коры головного мозга лишь слегка снижают уровень активности. Однако это небольшое замедление работы отдельных нейронов происходит на фоне того, что активность сотен и тысяч соседних нейронов в это время синхронизируется. Именно эта синхронная работа множества маленьких нейронов преображает вид записей электроэнцефалограммы. Пока мы не спим, каждый нейрон работает в собственном ритме, не оглядываясь на другие нейроны по соседству, и на ЭЭГ это выглядит как какофония из сигналов, высокочастотный шум низкой амплитуды. Когда наступает фаза медленного сна, соседние нейроны разряжаются практически одновременно, и это приводит к появлению высоких и редких волн на записях ЭЭГ. Нечто похожее можно наблюдать на спортивных стадионах, когда болельщики в секторе одновременно встают и ревут, и сразу то же самое подхватывают их соседи, запуская волну по рядам.

Пока длится фаза медленного сна, небольшая группа клеток в основании мозга работает с полной отдачей: это нейроны центров сна, благодаря которым мы и переходим из состояния бодрствования в медленный сон [8].

Однако при переходе к быстрому сну активность мозга снова меняется: теперь вместо крупных медленных волн активности мы видим мелкую рябь активно работающих, но рассинхронизированных нейронов. В это время активны не только нейроны коры, но и ствола головного мозга, отдыхавшие в фазе медленного сна. За переключение в эту фазу отвечает еще одна специализированная группа клеток в стволе головного мозга: получается, что все эти переходы происходят не сами по себе: мозг управляет тем, сколько времени проводить в каждом из состояний.

Во время сна «ненужные» впечатления и воспоминания стираются из памяти, а нужные — наоборот, закрепляются в ней.

Быстрый сон — время самых ярких и живых сновидений (разбуженные во время медленного сна люди тоже иногда сообщают о сновидениях, но обычно они бессюжетные). Пока мы видим сны, в мозге активно работают двигательные отделы. Почему же люди остаются неподвижными? Мозг заботится и об этом: передача сигналов от двигательных отделов к мышцам специально блокируется, чтобы спящий человек никуда не убежал.

Хотя снаружи этого совершенно не видно, во время различных стадий сна внутри мозга происходит множество важных и заметных событий. Меняется не только активность и синхронность работы нейронов, но и содержание нейромедиаторов, которые управляют работой мозга и могут влиять на судьбу отдельных нейронов. Фактически меняется внутренняя химия мозга, а значит, с нейронами могут происходить какие-то превращения, которые невозможно осуществить днем. Некоторые нейромедиаторы — моноамин, серотонин, норадреналин и гистамин — почти не вырабатываются во сне. Они тесно связаны с состоянием бодрствования и могут влиять на нашу сосредоточенность, ощущение бодрости, собранности и заряженности на новые свершения[51]. Считается, что они помогают образовывать или усиливать связи между нейронами под воздействием новых впечатлений. А еще они нужны, чтобы активировать мотонейроны, передающие сигналы к мышцам: заблокировав моноамины, мозг не дает телу активно двигаться.

Интереснее ситуация с другим нейромедиатором — ацетилхолином: во время медленного сна его уровень падает, а во время быстрого его внезапно становится много; возможно, даже больше, чем во время бодрствования [8]. Хотя о нем известно меньше, исследователи уверены, что он играет важную роль во сне: добавив ацетилхолин, можно разрушить медленный сон, а если его не хватает, нарушается быстрый. Возможно, ацетилхолин нужен, чтобы ослаблять неважные связи между нейронами, вычищая из памяти избыточную информацию и подготавливая мозг к тому, чтобы воспринимать что-то новое. Получается, что особое сонное сочетание нейромедиаторов (мало моноаминов и много ацетилхолина) работает вроде ластика, который стирает ненужные линии черновика — всех наших дневных впечатлений, — оставляя только нужные, те, что составят потом памятный след прошедшего дня [10].

Во сне идет много важных процессов. Во время медленного сна падает потребление энергии мозгом — это позволяет ему восполнить запасы энергии и подготовиться к новому дню. В это же время происходит образование или выделение некоторых веществ — например, гормона роста, регулирующего рост и обновление тканей организма, а еще мелатонина, ответственного за наши внутренние часы, устанавливающие режим сна и бодрствования [11].

По всему получается, что сон — совсем не напрасная трата времени, а сложный процесс, важность которого сложно оценить, потому что он проходит мимо нашего сознания. Само существование специализированных центров сна глубоко в основании мозга говорит о том, что они контролируют жизненно важную потребность — такую же, как, например, дыхание и сердцебиение, центры которых расположены там же.

Сколько сна нужно человеку?

Если сон так важен, а недосыпание может влиять на здоровье, сколько же нужно спать, чтобы не увеличить риски заболеть чем-нибудь из-за нехватки сна? Точного ответа у ученых нет — потребность во сне индивидуальна. По данным исследований, взрослые люди обычно спят семь-девять часов, и такая продолжительность сна считается нормальной [12]. Недавно на русский язык была переведена книга Мэтью Уолкера «Зачем мы спим», в которой автор убеждает читателей, что для здоровья необходимо спать как минимум восемь часов в сутки. Однако это не подтверждается научными данными: интервал сна, позволяющий человеку продуктивно работать и долго жить, варьирует в пределах четырех-восьми часов [13]. Когда исследователи изучали связь продолжительности сна и долголетия, оказалось, что дольше всего живут люди, которые спят семь часов. Люди, спящие четыре-пять часов, не отличаются по долголетию от тех, кто спит по восемь часов. Пожалуй, пока лучший ответ звучит так: спать нужно столько, чтобы с утра чувствовать себя бодрым и отдохнувшим.

Сон — очень сложное явление, и его регуляция зависит от множества факторов. Недавно среди них обнаружились и генетические: проще говоря, на земле живут люди, которым нужно всего 4–6 часов, чтобы выспаться, и эти люди мутанты. Сейчас известно как минимум о двух генах, мутации в которых помогают их счастливым обладателям спать по 4–6 часов и чувствовать себя бодрыми и отдохнувшими: один из этих генов меняет свойства рецептора к адреналину [14], а второй влияет на орексин, вырабатывающийся в гипоталамусе и влияющий не только на бодрость, но и на аппетит с настроением [15]. Жаворонок человек или сова, тоже определяют гены; некоторые из них влияют не только на режим, но и на настроение и склонность к депрессии [16]. Если поблизости нет генетической лаборатории, изучающей регуляцию сна, позаботиться о здоровом сне можно так: внимательно прислушиваться к своим ощущениям и исходя из этого определять, когда комфортнее засыпать и сколько нужно времени, чтобы выспаться.

Загадка сна

Для чего же нужен сон? Еще недавно исследователи ломали над этим голову: хорошего ответа на этот вопрос не было — ну разве что «сон помогает бороться с сонливостью». Однако теперь, спустя десятилетия кропотливых исследований, ученые смогли приблизиться к разгадке — по крайней мере, сейчас есть несколько теорий о том, для чего нам сон, и каждая из них имеет свои основания. Вполне возможно, что все они правы и сон нужен сразу для нескольких важных задач, которые не удается выполнить, пока мы не спим.

Сон нужен, чтобы восстанавливать нормальную проводимость в нервной ткани

Во время бодрствования мозг работает сверхактивно: недаром он потребляет примерно пятую часть всей энергии, если мы не заняты чем-то физически тяжелым. Каждая из миллиардов нервных клеток каждую секунду генерирует нервные импульсы — порой до сотни в секунду, — и это очень энергозатратный процесс.

Несмотря на все усилия, постоянное возбуждение нервных клеток в течение дня дает о себе знать: тысячи нервных импульсов, проходящих по отросткам нейронов, приводят к тому, что места контактов нейронов — синапсы — все более восприимчивы к новым сигналам. Из-за этого в нервной ткани постепенно появляется шум: нервные контакты начинают проводить даже слабые сигналы, которые в норме не должны далеко распространяться. Нарастая, этот шум мешает работе, не дает выделить полезные сигналы среди бесполезных. К вечеру мозг начинает хуже соображать; если весь день вы активно работали головой, сосредоточенно решая сложные задачи, к его завершению голова буквально гудит. Это выражение отлично описывает то, что происходит в мозге — через гул остаточного возбуждения полезным сигналам пробиться все сложнее. Чтобы восстановить нормальную работу нейронов, некоторым участкам мозга нужно побыть в тишине — отключиться от внешних сигналов и вернуть проводимость нервных контактов к нормальному рабочему состоянию [17].

Во сне мозг выводит из тканей вредные продукты обмена, так что если мы не спим, то отравляем сами себя…

Сон нужен для выведения токсинов

В течение дня мозг напряженно работает, тратя огромное количество энергии, и это не проходит бесследно не только для нервных контактов. Активный обмен веществ, необходимый для передачи импульсов, приводит к тому, что в нервной ткани накапливаются токсичные продукты обмена веществ, от которых необходимо избавиться, чтобы они не мешали нормальной работе. Интенсивный обмен веществ может приводить к повреждениям белков и компонентов клетки, и это тоже может отражаться на самочувствии нашего мозга. Некоторые болезни мозга начинаются с того, что неправильные белки[52] постепенно накапливаются в нервной ткани, и сегодня уже понятно, что хроническое недосыпание увеличивает риск этих заболеваний [2].

Каким образом можно выводить из тканей вредные продукты обмена? В организме для этого есть лимфатическая система: она собирает отходы из пространства вокруг клеток и выводит их в кровеносное русло, откуда они отфильтровываются печенью и почками. Однако в мозге лимфатической системы нет, а обмен веществ там идет намного интенсивнее, чем в других органах. Как же мозг избавляется от продуктов своей жизнедеятельности? Своеобразной канализацией для мозга может быть спинномозговая жидкость. Она циркулирует под паутинной оболочкой головного и спинного мозга, поддерживая постоянное давление в головном мозге.

Спинномозговая жидкость обеспечивает постоянство внутренней среды, в которой работает мозг, и отчасти предохраняет его от физических и инфекционных повреждений.

Проблема в том, что нервная ткань слишком плотная, поэтому вредным продуктам обмена непросто добраться от каждой клетки головного мозга к желудочкам, в которых находится спинномозговая жидкость, — между отдельными клетками слишком мало межклеточного пространства, чтобы обеспечить своевременное и достаточное очищение нервной ткани от отходов.

Тем не менее совсем недавно ученые обнаружили систему скоростного выведения продуктов обмена из мозга в спинномозговую жидкость [18]. Спинномозговая жидкость заполняет пространства вокруг кровеносных сосудов — продукты обмена попадают туда через специальные глиальные клетки, астроциты: они образуют что-то вроде трубопровода, соединяясь друг с другом специальными водяными порами и переправляя отработанное в околососудистые пространства. Однако пока мозг активно работает, эта система работает очень медленно и разгоняется, только когда мозг погружается в сон.

Оказалось, что во сне клетки теряют объем — нейроны отжимают из себя излишки жидкости, словно губка, и пространство между клетками увеличивается, по крайней мере, вдвое. Пульсация жидкости с продуктами обмена в этом случае идет намного быстрее, и мозг «смывает» все переработанное в спинномозговую жидкость, которая затем доставляет отходы в кровь [19]. Систему очистки мозга назвали глимфатической — по аналогии с лимфатической, но еще и напоминая, что в ее работе важную роль играют глиальные клетки — астроциты.

Сон нужен для обучения и формирования памяти

Одно из последствий депривации сна — ухудшение памяти. Если людям или животным не давать спать, они гораздо хуже учатся новому. Более того, активное обучение приводит к тому, что меняется структура сна: некоторые фазы сна (прежде всего быстрого и глубокого медленноволнового) длятся дольше и протекают более интенсивно. Участники, у которых такие изменения проявляются сильнее, лучше справляются с тестами, проверяющими запоминание.

Каким образом сон улучшает память? Оказывается, пока мы спим, отделы мозга, отвечающие за запоминание, проигрывают важные впечатления, которые мы накопили за день, и укладывают информацию из кратковременной памяти в долговременную.

Когда исследователи вживили крысам электроды в гиппокамп, они буквально увидели, как внутри нейронов воспроизводится та же активность, что и накануне днем. Например, если учить крыс ориентироваться в лабиринте, нейроны внутри гиппокампа активируются в определенной последовательности — это клетки места, с помощью которых крыса понимает, где она находится. Когда после обучения крысы заснули, ученые вновь увидели активность в тех же клетках, и последовательность, в которой они активировались, совпадала с той, что ученые видели у животных, пока они искали путь в лабиринте [20]. Любопытно, что такое проигрывание происходит и во время быстрого, и во время медленного сна. Различия в скорости: в фазе быстрого сна нужный паттерн проигрывается столько же, сколько и во время бодрствования, а во время глубокого медленноволнового сна это происходит словно на перемотке с семикратным ускорением [9]. Получается, что, набравшись впечатлений за день, во сне гиппокамп обучает нейроны коры нужным паттернам активности — правильные связи и паттерны активности и образуют человеческую память.

Сон нужен для забывания

Когда речь заходит о связи сна и памяти, ученые принимаются спорить о том, для чего именно нужен сон: для запоминания или, наоборот, для забывания [10, 21]? Действительно, хорошая память — это не только помнить нужное, но и не держать в голове лишнего. Многие исследования указывают на то, что сон улучшает запоминание — например, когда речь заходит об изучении иностранного языка и новых слов. С другой стороны, мозгу необходимо очищать внутренний буфер обмена от лишней информации. Если подумать, абсолютная память могла бы стать для человечества настоящим проклятием: представьте, что вы помнили бы все прочитанные книги наизусть — работать с такой информацией намного тяжелее, чем с кратким содержанием и смыслом, который остается в памяти у обычного человека. Представьте себе, что вы дословно помните все четыре тома «Войны и мира» Льва Толстого — в этом случае вам пришлось бы каждый раз мысленно пробегаться по всему тексту, чтобы найти ответ на какой-то вопрос: скажем, кем приходились друг другу Наташа Ростова и Пьер Безухов. Когнитивисты, изучающие людей с фотографической памятью, иногда описывают этот феномен: такие люди способны дословно воспроизвести прочитанное, но не всегда могут сделать из этого вывод и зачастую испытывают сложности даже с кратким пересказом своими словами.

Сон крайне важен для того, чтобы наша голова не перегружалась информационным мусором.

Исследователи, упирающие на важность сна для забывания, говорят о том, что с запоминанием люди прекрасно справляются и в состоянии бодрствования. Достаточно дать им отдохнуть и посидеть в тишине перед следующим тестом, чтобы они легче вспоминали выученное ранее и запоминали больше новой информации. С другой стороны, в исследованиях, где людям или животным было необходимо переучиться, то есть забыть ранее выученные действия или информацию, чтобы выучить новую, именно сон, а не просто отдых заметно влиял на результаты [10].

Переработка информации и обучение — это не только способность что-то запомнить. Чтобы не перегружать голову мусором, для начала нужно выделить самое важное в вашем опыте, чтобы в памяти осталось именно оно. Остальные детали, которые вряд ли пригодятся, разумнее (и экономнее) забыть. Когда человек просыпается свежим и отдохнувшим, из его головы выветриваются мелкие подробности вчерашнего дня и проще воспринимать впечатления сегодняшнего.

Сон обеспечивает нейропластичность

Обучение, запоминание нового и забывание старого должно буквально перекраивать нервную ткань, когда ненужные старые связи разрушаются, а взамен появляются новые, более актуальные в новых условиях. Изменение связей внутри нервной сети носит название «нейропластичность» — это важнейший процесс, позволяющий мозгу меняться, учиться, приспосабливаться к новому и восстанавливаться после травм или болезней.

Обе фазы сна, судя по всему, очень важны для нейропластичности: и дело тут не только в том, что одновременно пользоваться мозгом и перестраивать связи в нем довольно затруднительно. Выше я писала о том, что во время сна радикально меняется уровень нейромедиаторов: фактически нейроны попадают в совершенно новую химическую обстановку. Как раз благодаря этому внутри мозга могут перестраиваться контакты между клетками, чтобы на следующее утро он проснулся обновленным.

Некоторые исследователи сна и памяти считают, что во время медленного сна может происходить усиление нужных синапсов, пока гиппокамп многократно проигрывает важные дневные впечатления с большим ускорением. Когда же мозг переходит к быстрому сну, химическая среда меняется так, чтобы можно было ослабить ненужные или мешающие обучению синапсы [9]. Другие упирают на то, что в разных фазах происходит разное обучение: медленный сон помогает запоминать события и факты, то есть усиливает (по-научному, консолидирует) декларативную память.

Быстрый сон нужен для усвоения действий, навыков и привычек — он влияет на процедурную память [22].

Как бы то ни было, обе фазы сна важны для правильной перестройки контактов в нервной системе, обеспечивающих обучение и запоминание, и это очень активный и энергозатратный процесс. Ученые-генетики обнаружили, что во время сна активно работают другие гены, и не один или два — речь идет о сотнях генов, отличающих сон и бодрствование. Если же заблокировать образование новых белков в нервных клетках, нужные перестройки не произойдут и мозг не выучит нужные действия [9].

Наверное, можно вполне обоснованно сказать, что мозг — очень дорогой орган: его активность требует огромных затрат энергии, к тому же он накапливает шум и токсины, которые мешают ему эффективно работать. А еще крайне сложно одновременно работать с новой информацией и запоминать уже воспринятое: невозможно одномоментно перестраивать соединения внутри нервной системы и использовать их для обработки новой информации. Отключившись от внешнего мира, мозг начинает заниматься внутренним хозяйством.

Эволюционное преимущество, которое дает нам мозг, способный учиться и адаптироваться к новым условиям, настолько высоко, что оправдана и цена, которую мы платим, — треть жизни мы проводим в отключке, чтобы восстановить, перезагрузить и перенастроить свою нервную систему. Поговорка «Утро вечера мудренее» имеет важный практический смысл, но только в том случае, если вы провели ночь во сне: тогда мозг способен уложить впечатления и опыт, накопленные к вечеру, сопоставить новую информацию с уже имеющимися знаниями и подойти к проблеме в новом качестве — теперь нервная система перенастроена на решение возникших задач.

Почему мы видим сны

Сновидения — это загадка внутри загадки. За последние десятилетия ученые многое узнали о том, для чего нужен сон и что происходит внутри, пока мы отключены от внешнего мира. Однако посреди этой отключки человек внезапно оказывается в совершенно новом состоянии сознания, где возможны полеты, кошмары, головокружительные путешествия или почти зеркальное отображение нашей повседневной жизни, вот только его словно влечет сквозь сюжет непонятная сила, на которую он никак не может повлиять. Мы до сих пор не знаем, почему люди видят сны и каким образом впечатления и мысли складываются в причудливые сюжеты и сюрреалистические образы сновидений.

Раньше считалось, что сновидения — это не такое уж частое явление: большинство людей, проснувшись утром, лишь изредка могут сказать, что им снилось ночью. Оказалось, что каждую ночь люди просматривают в среднем полтора часа сновидений — это длительность полнометражного фильма [21]! Правда, сновидения эти разбиты на эпизоды длительностью от нескольких секунд до получаса. Обычно, но не всегда мы видим сны в фазе быстрых движений глаз. Примерно треть людей, разбуженных во время медленного сна, говорят, что испытывали что-то: они описывают свои ощущения скорее как мысли или же сообщают о статических картинках, которые воспринимаются как бы со стороны. В таком случае человек не чувствует себя активным участником сна. Иногда в этой фазе сновидения отражают монотонную активность накануне: если люди провели много времени перед сном, играя в видеоигры или, например, собирая ягоды, скорее всего, они увидят это же занятие во время медленного сна.

Самые интересные, эмоциональные, яркие и живые сны снятся нам в быстрой фазе. Каждую ночь один-два часа человек смотрит такие сновидения, однако наутро есть шанс вспомнить только те сны, которые видели непосредственно перед пробуждением, а чаще всего забываются и они. Что влияет на содержание таких снов? Исследования показывают, что в них могут полностью или частично включаться эпизоды, произошедшие с вами незадолго до этого. Речь идет не только о событиях прошлого дня — в сновидения могут проникнуть впечатления всей прошедшей недели [22].

Интересная особенность сновидений в том, что люди в них не ощущают никакого контроля своих действий, словно отключается способность как-то повлиять на происходящее. Вероятно, это связано с тем, что дорсолатеральные отделы префронтальной коры в этой фазе неактивны: именно там располагаются центры самоконтроля, которого нам недостает во сне.

Существует множество объяснений того, для чего нам снятся сны. Свои теории выдвигают не только биологи, но и психологи и психотерапевты. Например, Зигмунд Фрейд считал, что во сне проявляются подавленные желания и чувства, которые были вытеснены из сознания бодрствующего человека, но способны пробираться в наши сны [23]. Другие психологические теории предполагают, что сны помогают нам работать со сложными и неприятными мыслями и чувствами, чтобы восстанавливать эмоциональный баланс [24] или же просто заранее подготовиться к возможным угрозам в будущем [25].

Биологические интерпретации сновидений не такие захватывающие: некоторые нейробиологи считают, что они могут возникать в процессе переработки впечатлений дня в долговременные воспоминания [26]. Доподлинно неизвестно, каким образом переходит перезапись воспоминаний из дневных краткосрочных хранилищ в долговременные, но точно знаем, что люди, события и обстоятельства, с которыми мы сталкивались в последние дни, нередко становятся строительным материалом для сновидений, только отдельные элементы могут пересобираться довольно причудливым образом.

Другая гипотеза заключается в том, что сны — всего лишь побочный продукт работы памяти: пока гиппокамп активно занят переработкой дневного опыта в новые нервные контакты, отделы, отвечающие за осознание и интерпретацию происходящего, «сидят без дела» и сновидения — это попытка этих отделов занять себя чем-нибудь, скажем сгенерировать поток впечатлений на основе того, что уже хранится в долговременной памяти [27].

Глава 19

Что происходит, когда человек пьет кофе

Вкус кофе успокаивает меня и примиряет с жизнью, возвращает ногам вечно норовящую уйти из-под них твердую почву и придает жизни хоть какое-то подобие смысла.

Макс Фрай

Первый раз я попробовала кофе в 13 лет. Дело было на летней школьной практике: на утреннее дежурство я встала сонной и невыспавшейся, и мой напарник предложил выпить кофе, чтобы взбодриться. Оказалось, что кофе — редкостная дрянь: от удивления и неожиданности я проснулась с первого же глотка. Бодрящий эффект оказался сногсшибательным, хоть я и представляла себе вкус несколько иначе. После этого случая я еще долго думала, что кофе бодрит именно благодаря своим органолептическим качествам — кто не проснется, если во рту вдруг оказалось нечто кисло-горькое? Уже студенткой я полюбила кофе, без которого не обходилась ни одна сессия, и узнала, почему он бодрит, даже когда привыкаешь к его вкусу и не видишь в нем ничего ужасного.

Теперь для меня, как и для многих людей, утро начинается с кофе — он заряжает энергией и поднимает настроение, помогает проснуться или справиться с усталостью и напряжением в середине тяжелого дня. В мире, где работоспособность и эффективность становятся для людей новой религией, энергия очень важна. Некоторые оценивают приложенные усилия и степень напряженности работы перед дедлайном объемами выпитого кофе: «Неделя бессонных ночей, десять литров выпитого кофе, пять килограммов шоколада, и вот наконец наш проект готов!»

В чем же секрет кофе и почему миллионы людей во всем мире не могут представить себе продуктивный рабочий день без него?

Откуда взялся кофе

Прежде всего кофе — это зерна нескольких видов растения рода Coffea. Почти весь потребляемый кофе принадлежит к двум видам — Coffea arabica (сорт арабика) и Coffea canephora (сорт робуста). Кофе пьют ради кофеина, который содержится в зернах: в мягкой на вкус арабике его меньше (около 1–1,5 %), а горькие и терпкие зерна робусты содержат примерно вдвое больше кофеина и идут на приготовление более крепкого кофе [1].

Зачем растениям кофеин? Вряд ли для того, чтобы нам лучше просыпалось по утрам, — у них в жизни явно другие задачи. Как и многие другие растительные вещества, кофеин нужен растениям для отпугивания вредителей, чтобы их не съели.

То, что для человека источник бодрости и хорошего настроения, для насекомых — гадость и отрава.

Кофеин не только придает листьям и семенам горький вкус, но и сокращает продолжительность сна и делает насекомых подвижнее [2]. Можно сказать, что эффект небольших доз кофеина для насекомых не так уж отличается от воздействия на людей, только людям это нравится, а насекомым нет.

Кофе — яд для насекомых!

Хотя напиток готовится из обжаренных семян растения, больше всего кофеина содержится в молодых растущих листьях, которые сильнее могут пострадать от паразитов. В листьях чая кофеина тоже больше, чем в кофейных зернах, но для чая требуется меньше заварки. Тем не менее очень крепкий чай иногда не уступает кофе по содержанию кофеина. Еще кофеин можно обнаружить в какао, гуаране, парагвайском падубе, из которого готовят мате[53], и множестве других растений и продуктов на их основе, например в коле и шоколаде.

В письменных источниках кофе впервые упоминается как лекарство: в XI веке Авиценна в своем «Каноне медицины» описывает его как средство для очищения кожи и придания телу более приятного запаха [3]. Однако вскоре люди полюбили кофе и перестали относиться к нему как к лекарству. К XV веку кофейные дома распространяются по Аравийскому полуострову, а в XVII–XVIII веках кофе становится повседневным напитком в Европе. О том, что кофе обладает бодрящим эффектом, было известно еще персидским дервишам; но о том, что такое бодрость и от чего она зависит, люди задумались намного позднее.

От чего зависит бодрость

Можно сказать, что бодрость отражает запас энергии, «заряженность» на новые действия. Наоборот, усталость и вялость мы чувствуем, когда уже потратили массу усилий — не важно, физических или умственных — или же недостаточно восстановились после напряженной работы накануне. В некоторых компьютерных играх в жанре RPG[54] показатель запаса сил (англ. stamina) влияет на игровую динамику — его вместе со здоровьем и другими ресурсами показывают прямо на экране. В реальной жизни у нас нет табло с индикаторами, но обычно мы довольно точно оцениваем уровень бодрости — во всяком случае, чувствуем, когда ее не хватает.

Если вы долго чувствуете себя вялым и неспособным испытывать положительные эмоции, это может быть признаком ослабленного иммунитета.

На первый взгляд, бодрость отражает соотношение между напряженной деятельностью и сном или отдыхом. Но из этого правила бывают исключения: иногда случается так, что восемь или даже десять часов сна не помогают справиться с вялостью и упадком сил. С другой стороны, бывает и так, что после длинного и тяжелого, насыщенного впечатлениями дня мы обнаруживаем, что все еще бодры и готовы к новым свершениям.

У человеческой бодрости есть одно любопытное свойство: переживание ярких эмоций, как положительных, так и отрицательных, может давать энергию и бодрить даже в условиях недосыпания.

Внезапный испуг, даже если тревога оказалась ложной, снимает сон как рукой. О вялости не идет речи, когда мы злимся, расстроены или сильно обижены. А яркие положительные эмоции и вовсе нас окрыляют, энергия бьет ключом, ее хватает и на обычную жизнь, и на дополнительные активности — так бывает, когда мы влюблены, искренне увлечены новым занятием или общаемся с интересными собеседниками и старыми друзьями.

Эмоции подзаряжают человека, а их недостаток может вести к апатии. Действительно, если вокруг ничего не происходит, а каждый новый день похож на предыдущий, бодрости и заряду позитива это не способствует. Можно сказать, что бодрость — это аванс энергии на что-то ценное и приятное для человека, а если ничего такого не предвидится, лучше сэкономить ресурсы и поспать. Скука — одно из лучших снотворных, особенно если не на что отвлечься или нет ничего мало-мальски интересного, чем можно занять внимание.

Помимо этого, вялость и апатия могут быть признаком ослабленного иммунитета и плохого питания: если человеку не здоровится или в его диете не хватает витаминов и микроэлементов, это тоже может заметно снижать запас жизненных сил. В любом случае, если человек постоянно чувствует вялость без видимой причины, это тревожный признак и повод обратиться к врачу.

Каким же образом кофеин влияет на бодрость? Он не относится к числу важных микроэлементов и не особенно питателен — это не сахар, который обеспечивает организм энергией напрямую. Кофеин — небольшая и не очень сложная молекула, без которой мы прекрасно можем обойтись, но, чтобы взбодриться, нам достаточно 100–150 мг кофеина. Это химическая заглушка, действующая на наш внутренний индикатор бодрости в обход сна и отдыха, питания, иммунитета и эмоциональных стимулов.

Как устроен индикатор заряда нашей внутренней батареи

А что думает обо всем этом наука? Ученые тоже задумывались над тем, что такое бодрость и что на нее влияет. Почему по утрам мы просыпаемся бодрыми и отдохнувшими, а под вечер нас клонит в сон? В конце XIX века появилась гуморальная теория сна, предлагавшая объяснение этому явлению. Наверное, в организме есть фактор сна — какое-то вещество, вызывающее усталость и сонливость, которое тело вырабатывает в течение дня. Когда спим, тело постепенно разрушает или выводит фактор сна, поэтому с утра мы чувствуем себя бодрыми и отдохнувшими.

В начале XX века сразу две группы ученых во Франции и Японии смогли доказать существование такого вещества, накапливающегося в мозге [4]. Если собак лишить сна, а затем взять у них спинномозговую жидкость и ввести отдохнувшим животным, они засыпают. Усталость можно передавать от одного организма к другому! В то время было невозможно установить, что представляет собой фактор сна из спинномозговой жидкости, но у него определенно имелся материальный носитель. Неизвестное вещество назвали гипнотоксином. Потребовалось еще почти полвека, чтобы выяснить, что фактором сна выступает аденозин.

Школьный курс общей биологии рассказывает, что аденозин, как и кофеин, относится к пуриновым алкалоидам и участвует сразу в нескольких жизненно важных процессах. Во-первых, аденозин входит в состав ДНК — проще говоря, это одна из букв нашего генетического кода. Во-вторых, он составляет основу энергетической валюты клетки аденозинтрифосфата (АТФ). В-третьих, входит в состав циклической формы аденозинмонофосфата — цАМФ, который регулирует то, как протекают важные сигнальные каскады внутри клеток, влияющие на обмен веществ, включая расходование сахаров и жиров, и деление клеток. Аденозин — молекулярная основа для всех трех веществ — «генетического» аденинового остатка, «энергетической» АТФ и «сигнальной» цАМФ. Неудивительно, что уровень аденозина и его производных так важно контролировать.

Для нейронов энергия критически важна. Как известно, мозг — самый энергозатратный орган нашего организма.

Нейроны постоянно активны, и их переговоры друг с другом требуют уймы энергии. Логично предположить, что нервная система постоянно следит, все ли в порядке и каким запасом энергии она сейчас располагает. Вслед за напряженной работой обязательно должен следовать период покоя, чтобы восстановить ресурсы и работоспособность. Как мозг определяет, что пора отдыхать? По тому, сколько потрачено энергии — точнее, молекул АТФ.

АТФ — универсальная энергетическая валюта для всех живых существ. Любой процесс, требующий энергии, можно выразить в числе молекул АТФ, необходимых для его протекания. Например, чтобы выкачать из клетки три иона натрия и закачать внутрь два иона калия, необходимо расщепить одну молекулу АТФ. При этом нейроны непрерывно расходуют АТФ — перекачивают ионы, чтобы восстановить заряд на мембране после каждого нервного импульса; можно сказать, что на этом процессе вырабатывается все электричество в мозге. С другой стороны, любое питательное вещество можно оценить по тому, сколько АТФ из него можно получить: например, одну молекулу глюкозы можно расщепить до углекислого газа и воды, получив таким образом около 36 молекул АТФ (и перекачать с ее помощью 108 ионов натрия и 72 иона калия).

Как следует из названия, АТФ — АденозинТриФосфат — состоит из аденозина и трех фосфатов: они «пришиты» к аденозину один за другим. Связи между фосфатами называют макроэргическими: это означает, что каждая из них позволяет запасти довольно много энергии. Когда такая связь разрывается, энергия высвобождается и может быть использована для нужд клетки.

Можно сказать, что АТФ — это что-то вроде платежной карты с тремя фосфатами на счету. Большинство транзакций внутри клетки «стоят» один фосфат, он отщепляется от АТФ с образованием АденозинДиФосфата — АДФ. Некоторые процессы очень дорогие: они стоят два фосфата, которые отщепляются от АТФ с образованием аденозинмонофосфата — АМФ.

Если АТФ — это энергетическая валюта, то сам аденозин представляет собой что-то вроде пустой платежной карты, которую необходимо пополнить, перед тем как использовать для оплаты нужных клетке транзакций. Когда аденозин накапливается в клетках и межклеточном пространстве, это сигнализирует о том, что организм заметно потратился, и ему нужно восполнить запасы энергии — как следует отдохнуть. Уровень аденозина в нервной системе и есть тот самый индикатор энергии (точнее, ее дефицита), который мы субъективно воспринимаем как заряд бодрости.

Как аденозин склоняет мозг ко сну

Хотя гипнотический эффект аденозина был открыт в середине XX века, ученые до сих пор не до конца разобрались во всех нюансах работы системы, отвечающей за сон, бодрствование и субъективное восприятие бодрости.

На сегодняшний день открыто четыре различных аденозиновых рецептора — A1, A2A, A2B и A3. Их функции отчасти перекрываются. Например, рецепторы A1, A2A влияют на работу сердца, потребление кислорода и кровоток, успокаивая пульс и расслабляя сосуды. Эти же рецепторы есть в различных отделах мозга. Рецепторы A2B и A3 в основном расположены на периферии организма и участвуют в работе иммунитета — вероятно, из-за этого болезни меняют наше самочувствие, и пока иммунитет борется с инфекцией [5], людям лучше всего отсыпаться.

Аденозиновые рецепторы первого типа можно встретить в мозге практически повсеместно, а второй тип рецепторов (A2A) встречается в основном в полосатом теле — этот отдел играет важную роль в принятии решений, планировании действий и обработке эмоций[55]. Оказалось, что внутри полосатого тела оба типа аденозиновых рецепторов тесно соседствуют с рецепторами к дофамину и влияют на то, как эти нейроны проводят сигналы от системы подкрепления. Связываясь со своими рецепторами, аденозин мешает работе других нейромедиаторов. Под действием аденозина пузырьки с нейромедиаторами не высвобождаются в синаптической щели и не могут активировать следующий нейрон. Можно сказать, что аденозиновые рецепторы не дают дофамину активировать нейроны, а дофамин мешает работать аденозиновым рецепторам [6]. Этим и объясняется влияние сна (аденозина) и эмоций (дофамина) друг на друга: если вы хотите спать, вряд ли сможете живо реагировать на происходящее вокруг; с другой стороны, если вас переполняют эмоции, заснуть будет не так-то просто.

В нашей нервной системе есть свой индикатор бодрости — это уровень аденозина. Чем его больше — тем более вялыми мы себя чувствуем.

Кроме того, связываясь с А2А рецепторами в гипоталамусе, аденозин активирует центры сна, которые в свою очередь тормозят активность отделов мозга, отвечающих за состояние бодрствования. Таким образом, аденозин как бы переключает тумблер из одного состояния в другое, в результате чего мы чувствуем неодолимое желание лечь поспать.

Как работает кофеин

Что происходит, когда вы выпиваете кофе? Примерно через 30–60 минут концентрация кофеина в плазме крови достигает пика [3]. Он легко проникает в мозг через гематоэнцефалический барьер и связывается там с аденозиновыми рецепторами. Постепенно содержание кофеина в крови снижается — его разрушает фермент цитохром P450 в клетках печени, однако скорость зависит от множества факторов, а время полувыведения[56] варьирует от двух до 12 часов.

Кофеин очень похож на аденозин, но, связываясь с аденозиновыми рецепторами, он не способен их активировать и запустить передачу сигнала. Кофеин просто занимает место, предназначенное для аденозина, и не дает тому проводить сигнал. Получается, что в присутствии кофеина организм перестает видеть и адекватно оценивать уровень аденозина, по которому он проверяет, сколько энергии есть в распоряжении.

Пока в организме плещется достаточное количество кофеина, аденозин не может проявить свои эффекты: баланс смещается от центров сна к центрам бодрствования, человек чувствует бодрость и прилив энергии. Аденозин перестает блокировать выброс других нейромедиаторов, активирующих работу мозга, включая дофамин. Если аденозин притормаживает работу системы подкрепления, то кофеин отжимает тормоз: человек чувствует прилив энергии и приятных эмоций. Люди редко указывают приподнятое настроение среди причин, почему они пьют кофе, тем не менее ученые считают, что именно этим можно объяснить их пристрастие к этому напитку: они получают удовольствие от кофе в самом буквальном смысле этого слова.

Кофеин блокирует рецептор, не давая аденозину связаться с ним и отправить в мозг «сигнал усталости»

Воздействие кофеина на человека многогранно и не ограничивается только удовольствием и чувством бодрости. Вполне возможно, что не все эффекты связаны с воздействием кофеина на мозг: он может непосредственно влиять на мышцы и обмен веществ, по крайней мере в высоких дозах. Однако то, насколько проявятся те или иные эффекты, зависит от индивидуальных особенностей, включая природную предрасположенность, образ жизни и привычки. Нужно помнить и о том, что не все эффекты кофеина благоприятны для человека — много крепкого кофе может ухудшить самочувствие, а некоторые люди в силу своих особенностей могут столкнуться с неприятными последствиями даже после одной-двух чашек кофе.

Итак, на что влияет кофе? Вот список эффектов кофеина, которые можно найти в научных журналах [3, 6, 7].

Что людям нравится в кофеине

1. Активирует симпатическую нервную систему — она воздействует на органы и ткани человека, подготавливая к реакции типа «бей и беги», усиливая кровоток к скелетным мышцам и сердцу и снабжая их кислородом и питанием. Если вам предстоит биться или бежать (или, скажем, просто тащить тяжеленный чемодан без ручки на другой конец города), чашка кофе — как раз то, что нужно.

2. Ускоряет обмен веществ и усиливает окисление жиров. Обычно в покое организм расходует гликоген, то есть пополняет запасы АТФ в основном за счет углеводов. Кофеин способен изменять баланс сил и переключать клетки на жиры, ускоряя сжигание липидов и снижая расщепление гликогена. По-видимому, этот эффект может проявляться и в покое (в исследованиях он длился около четырех часов и увеличивал уровень потребления энергии примерно на 6 %), и при физических нагрузках. Так что кофеин может быть полезен, если хочется похудеть, — правда, одним только кофеином дело вряд ли обойдется.

3. Повышает выносливость и усиливает работоспособность, позволяя отложить момент, когда человек почувствует утомление. Более того, после кофеина участники исследований склонны приуменьшать усилия, затраченные на упражнения, по сравнению с теми, кому пришлось работать без него.

4. Ускоряет восстановление после физической нагрузки. Уставшим после работы мышцам требуется время, чтобы восстановиться и накопить израсходованный гликоген. В виде гликогена в тканях запасаются углеводы, из которых мышцы получают энергию во время работы. Если выпить крепкий кофе с сахаром, процесс образования гликогена в мышцах после физической нагрузки идет быстрее, чем если выпить просто подсахаренную воду с тем же количеством сахара.

5. Снижает восприятие боли. Во время тяжелых физических нагрузок в мышцах накапливается аденозин: связываясь с A1-рецепторами, он способен вызывать ощущения боли в мышцах. Кофеин помогает не только при мышечной, но и при других видах боли, включая головную, особенно на фоне приема традиционных анальгетиков. Однако тут, похоже, работают тонкие и сложные механизмы: при боли кофеин помогает далеко не всем и не во всех дозировках, причем и слишком маленькие, и слишком большие его дозы могут оказаться неэффективными.

Кофеин увеличивает уровень потребления энергии на 6 %, а значит, может быть полезен для похудения.

6. Не только улучшает физическую работоспособность, но и помогает лучше справляться с умственными задачами. После чашки крепкого кофе кровь приливает не только к мышцам, но и к голове. В итоге люди лучше справляются с задачами, требующими внимания и сосредоточенности. В то же время результаты исследований расходятся в том, влияет ли кофеин на память. По-видимому, все ограничивается тем, что после кофе легче не отвлекаться на всякую постороннюю ерунду. Не стоит особо полагаться на кофе, если нужно запомнить много новой информации, особенно если ничто не отвлекает.

7. Ускоряет время реакции: люди быстрее и точнее реагируют в задачах, где важны скорость и точность выполнения, делают меньше ошибок и быстрее справляются с заданиями. Кофе помогал сильнее всего, когда участники экспериментов не высыпались или были утомлены; если добровольцам давали хорошенько выспаться, кофе почти не влиял на то, как они справлялись с задачами.

8. Заряжает бодростью. Люди не только говорят о том, что чувствуют себя бодрее, но и лучше справляются с долгими монотонными задачами, реже ошибаются, меньше отвлекаются и вообще легче переносят скуку и однообразие. Одно из исследований проверяло способность студентов высидеть на 75-минутной университетской лекции: по утверждениям студентов, после кофеина они были не такими сонными, легче сосредотачивались и лучше соображали.

9. Способен улучшать координацию движений. Например, после кофе водители лучше контролируют положение автомобиля на дороге и реже заезжают колесом на разделительную полосу, то есть лучше контролируют траекторию движения.

10. Помогает бороться со сном, когда люди лишены возможности поспать и им необходимо продолжать свою деятельность. Тем не менее некоторые исследователи считают, что все же лучше поспать полчаса, а не просто выпить кофе: хоть кофеин и блокирует аденозиновые сигналы, серьезное утомление плохо сказывается на самочувствии и способности принимать решения. Короткий сон помогает устранить проблему, связанную с перегрузкой и усталостью, тогда как кофе скорее позволяет игнорировать ее.

11. Улучшает настроение. Как я писала выше, аденозиновые рецепторы в системе подкрепления находятся рядом с дофаминовыми: аденозин, связываясь со своими рецепторами внутри прилежащего ядра, не дает дофамину развернуться на полную катушку. Кофеин, наоборот, отпускает аденозиновые тормоза, и это дарит нам заряд не только энергии, но и позитива.

Что людям не нравится в кофеине

1. Усиливает диурез — иными словами, мочевой пузырь наполняется быстрее, даже если чашка кофе по объему была совсем небольшой. Об этом эффекте стоит помнить, если вы собираетесь в долгое путешествие и хотите взбодриться с помощью кофе, но при этом частые технические остановки не запланированы.

2. Усиливает сердцебиение и может провоцировать тахикардию и аритмию, особенно если выпить кофе в больших дозах. Иногда с этим сталкиваются даже молодые и здоровые люди. Считается, что случаи смертельного отравления большими дозами кофеина связаны именно с воздействием кофеина на сердце.

3. Может вызывать нервозность и провоцировать тревожность. Кофеин способен усиливать возбудимость в нервной системе: в умеренных дозах это помогает бороться с вялостью и сосредотачиваться, но слишком большая доза может вызывать тремор рук и тревогу. В таком перевозбужденном состоянии сложно успокоиться и сосредоточиться: если человек нервничает перед собеседованием или сложным тестом и боится не справиться, кофеин может только усугубить ситуацию.

4. Иногда кофеин может вызывать дрожание рук и усиливать уже имеющийся тремор [8] — это нечастое, но неприятное явление, особенно в ситуациях, когда требуются точные и тонкие манипуляции. Чаще всего такое встречается у людей, страдающих от болезни Паркинсона и эссенциального тремора[57], но иногда проявляется и у здоровых людей.

5. Кофеин может вызывать проблемы со сном [9]. Люди, пьющие кофе, чаще страдают от бессонницы и нарушений сна, особенно если в принципе плохо спят, тяжело засыпают и подвержены бессоннице. Даже если человек обычно не имеет проблем со сном, кофе на ночь может существенно ухудшить его качество. После кофе людям требуется больше времени, чтобы уснуть, продолжительность сна укорачивается, как и длительность медленноволнового сна и фазы быстрых движений глаз. Эти эффекты сильнее проявляются у тех, кто пьет кофе нерегулярно, хоть и заядлые любители кофе время от времени сталкиваются с такими проблемами.

Кофеин — волшебная таблетка с энергией?

Неужели кофе так хорош? Если это так, то люди, пьющие кофе, должны быть практически супергероями или, во всяком случае, намного продуктивнее тех, кто кофе не пьет. Однако это не очень-то похоже на то, как обстоят дела в обычной жизни: если регулярно пить кофе, он действительно помогает сосредоточиться и побороть вялость и сонливость, но общая работоспособность не так уж сильно отличается у тех, кто пьет кофе, и тех, кто не пьет или пьет крайне редко. Как же так?

Проблемы со сном могут быть вызваны чрезмерным употреблением кофеина. Так что лучше не пить кофе на ночь.

Дело в том, что регулярное употребление кофе вызывает привыкание. Наш мозг стремится нормализовать свое состояние с учетом всех внешних факторов, с которыми регулярно сталкивается. Не чувствовать усталость ненормально, и если по каким-то причинам сигналы утомления перестали поступать, нужно увеличить восприимчивость к ним. Если на протяжении нескольких недель кофеин постоянно поступает в нервную систему и блокирует сигналы усталости от аденозина, в мозге постепенно увеличивается число аденозиновых рецепторов, чтобы вернуть прежнюю восприимчивость. В некоторых исследованиях участникам было достаточно двух-трех недель, чтобы кофе почти перестал действовать — его остаточное влияние на энергичность участников было едва заметно.

Привыкание к кофеину проявляется не только в том, что кофе перестает бодрить как раньше, но еще и в том, что людям тяжело обходиться без кофе — они постоянно чувствуют вялость и сонливость, которую не удается побороть без кофеина. Для возврата к нормальному состоянию нужно, чтобы кофеин занимал часть рецепторов к аденозину — система перестраивается именно на такой режим работы.

Регулярное употребление кофе вызывает самую настоящую физическую зависимость. Тем не менее специалисты по химическим зависимостям не относят кофе к опасным для здоровья психоактивным веществам. Люди, привыкшие к кофе, обычно в состоянии отказаться от него, несмотря на неприятные последствия в виде вялости и несобранности.

Любители кофе вполне владеют собой и не срываются на компульсивное потребление, когда совершенно теряют самоконтроль и словно подчиняются посторонним силам, которые заставляют их действовать вопреки своим решениям. С другими веществами — алкоголем, никотином и наркотиками — такое случается часто, особенно когда человек решает завязать.

Сколько времен должно пройти, чтобы почувствовать упадок сил, связанный с дефицитом кофеина в организме? Кофеиновая ломка (или, по-научному, абстиненция) наступает примерно через полдня после последней дозы кофеина (в одних исследованиях фигурирует период 8–12 часов, в других — 22–24 часа). Как бы то ни было, кофеин постепенно разрушается и перестает оккупировать рецепторы к аденозину, которых у кофеманов намного больше, чем нужно. Пока кофеин есть, работают только немногочисленные свободные рецепторы, но когда он долго не поступает, все рецепторы включаются в проведение сигналов усталости от аденозина, и это совершенно не то, что помогает кофеману нормально себя чувствовать. Кофеин настолько плотно встраивается в работу нервной системы, что без него она перестает нормально функционировать.

В итоге за регулярное употребление кофе приходится расплачиваться: фактически все, что улучшается под действием кофеина, на фоне его отмены становится заметно хуже. В отсутствие кофеина аденозин, который никуда не девался, получает возможность связаться со всеми своими рецепторами, прежде занятыми кофеином. Сигналы, которые кофеин помогал игнорировать до поры до времени, внезапно обрушиваются на не подготовленную к такому напору систему. Все сигнализирует о том, что усталость зашкаливает и человеку необходимо срочно отдохнуть, отложив все дела. Нужно немало времени, чтобы перестроиться и вернуть к исходному состоянию настройки работы мозга, сбитые под действием кофеина. Фактически для этого необходимо убрать все лишние рецепторы, которые постепенно появлялись на множестве нейронов по всему мозгу.

Симптомы кофеиновой абстиненции практически повторяют положительные эффекты от кофеина, только с обратным знаком. Вместо приподнятого состояния (которое давно уже не особенно и приподнятое, скорее просто нормальное) человек скатывается в энергетическую яму.

Без привычной дозы кофеина накатывают вялость, усталость, слабость, заторможенность, сонливость, рассеянность, появляются сложности с концентрацией внимания, ощущение неудовлетворенности, раздражительность, подавленное настроение, неспособность ясно мыслить, головная боль. Как будто человека отключают от розетки, и нервная система переходит на режим экономии энергии — на самом деле мозг в полной мере получает аденозиновые сигналы усталости, которые научился игнорировать благодаря кофеину.

Чтобы почувствовать ломку без привычной дозы кофеина, требуется не так уж много времени — примерно столько, сколько мы тратим на вечерние дела и ночной сон. Получается, что ночью человек вроде бы проспал положенные шесть-восемь часов, но проснулся невыспавшимся, вялым и разбитым, просто потому, что утром в крови почти не осталось кофеина.

Похоже, что утреннее вялое состояние, в котором обычно просыпаются любители кофе, — не совсем норма. Люди, не привыкшие пить кофе, чувствуют себя по утрам гораздо лучше, чем кофеманы. Волшебное действие утреннего кофе, который буквально преображает нас и позволяет проснуться, взбодриться и посмотреть на мир веселее, связано не с тем, насколько хорошо нам с кофе, а с тем, насколько плохо без него.

Кофе настолько распространен, что в исследованиях очень сложно отделить одни эффекты (положительные от кофеина) от вторых (отрицательных от абстиненции). Что, если кофе не так уж и заряжает энергией, а просто снимает дискомфорт от того, что мозг изголодался по кофеину и физически страдает без него? Чтобы проверить это, необходимо сравнить людей, которые не представляют своей жизни без кофеина, с теми, кто его вообще не употребляет, включая шоколад и колу. Проблема в том, что найти человека, совершенно не употребляющего кофеин, в современном мире очень сложно. А уж утверждать, что он такой же, как и все, и нелюбовь к кофе — это его свободный выбор, а не особенности обмена веществ и невосприимчивость к кофеину, и вовсе невозможно.

В итоге почти все исследования эффектов кофеина, о которых мы говорили выше, проводятся на людях, пьющих кофе практически каждый день. Как чаще всего выглядит такое исследование? Участников просят приехать в лабораторию, воздержавшись от утреннего кофе и чая, чтобы оценить, насколько хорошо человек справляется с тестами до того, как ученые дадут ему определенную дозу кофеина, и спустя полчаса-час после того, как участник его получит. Такой подход совершенно не учитывает, что без кофе по утрам участники могут страдать от кофеиновой ломки, которая в той или иной степени есть у всех людей, регулярно пьющих кофе. Выходит, многочисленные исследования могут измерять не то, насколько эффективен кофе, скажем, для концентрации внимания, а то, насколько людям сложно собрать себя в кучу и сконцентрироваться, когда они страдают от абстиненции без привычного кофе.

При приеме кофе мы становимся бодрее, но он же делает нас более вялыми по утрам.

Чтобы разделить эффекты от ломки без кофеина и от кофе, нужны более сложные и дорогие исследования: не просто набрать участников на полдня тестирования, а поселить добровольцев на несколько недель туда, где можно контролировать количество кофеина в пище, дождаться момента, когда полностью исчезнут симптомы кофеиновой абстиненции (обычно на это требуется примерно неделя), и затем сравнить, влияет ли кофеин на участников, если они привыкли обходиться без кофе [10].

Такие эксперименты были выполнены. Участники одного из исследований четыре недели жили под наблюдением ученых, которые контролировали содержание кофеина в диете волонтеров. Каждую неделю участники либо три раза в день получали кофеин в дозе, эквивалентной чашке кофе, либо с той же периодичностью пили напитки без кофеина. На седьмой день исследователи тестировали участников до и после получения дозы кофеина. Как и ожидалось, в таких условиях почти весь эффект от кофеина оказался связан с кофеиновой ломкой. Шести дней без кофеина вполне достаточно, чтобы снять синдром отмены кофе. На седьмой день выпитый кофеин мало влиял на участников испытаний — наиболее заметным было его влияние на настроение. Если же участники всю неделю пили кофеин, на седьмой день без него они гораздо хуже справлялись с тестами, а кофеин просто возвращал их результат к безкофеиновой норме.

Так что же, весь эффект от кофе — это только облегчение кофеиновой ломки? Видимо, да, если речь идет об условиях, когда кофе исчезает из рациона на шесть-семь дней. Судя по всему, этого времени хватает, чтобы пропали симптомы отмены кофе, но недостаточно для того, чтобы вернуть режим работы мозга к исходному состоянию до привыкания.

Несколько исследований, в которых людей лишали кофеина на более длительное время — три-шесть недель, — показали, что в этом случае кофе влияет на работоспособность сильнее: возможно, нашей внутренней аденозиновой системе нужно больше времени, чтобы не просто компенсировать отсутствующий кофе, а по-настоящему восстановиться и перестроиться на режим работы без кофеина.

Кофе — вредная привычка?

Итак, если кофе не слишком-то увеличивает нашу продуктивность, а скорее делает ее зависимой от того, получили ли мы привычную дозу кофеина, стоит ли вообще начинать его пить? На этот вопрос нет универсального ответа, но если вы пьете кофе только ради его бодрящих качеств, возможно, причин продолжать в том же духе у вас поубавилось.

Тем не менее многолетнее употребление кофе не проходит бесследно. Несмотря на то что особого бодрящего эффекта от кофе ждать не приходится, напиток все же благотворно влияет на здоровье. Многолетние наблюдения за здоровьем тысяч людей в западных странах говорят о том, что кофе снижает риск смерти от множества заболеваний — сердечно-сосудистых, онкологических и нейродегенеративных [11]. Кофеин снижает риск смерти от инфаркта миокарда, болезней Паркинсона и Альцгеймера. Одно из немногих состояний, когда стоит ограничить объемы потребляемого кофеина, — беременность: высокие дозировки кофе связаны с риском выкидышей, раннего родоразрешения и низкого веса рожденных младенцев.

Для освобождения от «зависимости» достаточно всего шести дней без кофе.

Согласно данным исследований, безопасная дозировка кофеина составляет 300–400 мг в сутки, что соответствует трем-четырем чашкам кофе в день. Если у вас нет проблем со сном и тревожностью, возможно, снижение риска заболеваний — достаточная плата за то, чтобы просыпаться вялым и разбитым — до первой чашки ароматного кофе.

Каким образом кофе влияет на здоровье?

Когда речь идет об улучшении здоровья, говорят именно о кофе, а не о кофеине. Более того, многие из этих эффектов почти не отличаются для обычного кофе и кофе без кофеина. Действительно, помимо кофеина, в кофе содержится множество органических соединений, способных влиять на здоровье, — как и во многих других продуктах растительного происхождения.

Что же в кофе улучшает здоровье? Первоначально считалось, что дело в содержащихся в нем антиоксидантах: многие болезни приводят к накоплению свободных радикалов — очень агрессивных соединений, которые могут разрушать клетки и ткани или же повреждать важные для жизни клетки соединения. Однако антиоксидантов в кофе совсем немного — на порядки меньше, чем емкость естественных антиоксидантных систем организма, которые противостоят окислительному стрессу и нейтрализуют свободные радикалы.

Тем не менее компоненты кофе могут активировать наши антиоксидантные ферменты и обладают слабым противовоспалительным эффектом.

Похоже, самые ценные для нашего здоровья компоненты кофе — это фенольные соединения, прежде всего полифенолы и фенольные кислоты. Кофе особенно богат ими: по некоторым оценкам, до 40 % полифенолов и 70 % фенольных кислот, способных благотворно влиять на здоровье, поступают с кофе [12]. Эти соединения могут менять активность многих генов, связанных с антиоксидантной защитой, удалением токсинов и восстановлением клеток после повреждений.

Кроме того, многие компоненты, содержащиеся в кофе, благотворно влияют на состояние кишечной микрофлоры, которая играет важную роль во многих важных процессах, связанных с хорошим самочувствием и долголетием. Так что для жителей северных широт кофе — действенная биологически активная пищевая добавка, способная компенсировать недостаток овощей и фруктов в рационе; при этом кофе без кофеина почти не отличается от обычного кофе по своим полезным качествам.

Глава 20

Что происходит, когда человек выпивает алкоголь

Я не пью больше 100 граммов, но, выпив 100 граммов, становлюсь другим человеком, а этот другой пьет очень много.

Эмиль Кроткий. Отрывки из ненаписанного

Состояние алкогольного опьянения способно преобразить человека. Тот другой из цитаты Эмиля Кроткого способен на очень многое из того, о чем человек в трезвом состоянии боялся бы и помыслить.

Многие смешные истории начинались с того, что их главные действующие лица напивались и переставали себя контролировать — впрочем, некоторые страшные и трагичные истории начинались с того же. Люди по пьяной лавочке лезут в драки, танцуют на столах, принимаются откровенничать и выбалтывать секреты, идут купаться в неизвестных водоемах неглиже или устраивают заплыв в фонтане при полном параде, засыпают в ванной вместо кровати и пишут-пишут-пишут своим бывшим сообщения, о чем непременно пожалеют на следующий день. Запрос в Яндексе «пьяные сообщения бывшим» дает 10 миллионов результатов — остается только догадываться, сколько историй не попало на просторы интернета, но изрядно попортило жизнь всем участникам на следующее утро после веселья. С наступлением цифровой эпохи пятно позора после неудачной пьянки может стать практически несмываемым, так что напиваться на корпоративах и вечеринках сейчас опаснее, чем раньше. Теперь пьяные выходки могут прославить человека на весь интернет, а не просто послужить предметом для шуток в узком кругу знакомых.

Так что же такого алкоголь делает с людьми? Перед тем как рассказать о том, что знают об этом ученые, нужно пояснить, почему нам известно не так уж много. Ученым непросто разобраться с тем, почему алкоголь влияет на поведение тем или иным образом и как именно это происходит. Есть несколько обстоятельств, которые все здорово усложняют:

1. Этанол — очень маленькая и юркая молекула, которая быстро проникает буквально повсюду. Она прекрасно растворяется не только в воде, но и в жирных мембранах клеток, за счет чего без спроса проникает в любую клетку и начинает там хозяйничать. Раньше ученые предполагали, что этанол может влиять на мозг неспецифически, то есть все эффекты можно объяснить особенностями работы нервной ткани в слабом спиртовом растворе [1]. Потом все-таки выяснилось, что у этанола есть излюбленные мишени в мозге. Однако отловить (и изучить) эффекты этанола на нервные клетки не так-то просто: многие такие исследования начинаются с опытов в пробирке, а в этих условиях алкоголь способен влиять буквально на любую биохимическую реакцию, вопрос только в концентрации алкоголя, которая для этого необходима.

Запрос в Яндексе «пьяные сообщения бывшим» дает 10 миллионов результатов!

2. Ну хорошо, не все исследования мозга сводятся к молекулам. Можно же засунуть человека в томограф и посмотреть, каким образом меняется активность отдельных участков мозга — где она растет, а где падает. Однако и тут возникают проблемы: алкоголь расширяет сосуды, а изменение активности мозга оценивают как раз по кровотоку. Точнее, по тому, насколько интенсивно те или иные участки мозга потребляют энергию, и куда кровь приливает сильнее. В условиях, когда сосуды расширены просто потому, что в крови алкоголь, разобраться, что к чему и где это произошло «просто так», а где «потому что нужна энергия», очень непросто.

Казалось бы, здесь можно найти обходной путь: существуют исследования, где добровольцам предварительно вводят вещество с радиоактивной меткой, которое мозг активно потребляет (чаще всего это обычная глюкоза). Однако эти исследования не такие безопасные, как без использования меток, и даже там расширение сосудов привносит множество помех в сигнал [2]. А еще алкоголь и сам может служить источником энергии вместо глюкозы [3], и это тоже запутывает возможные результаты.

3. Теперь перейдем от условий экспериментов непосредственно к воздействию спиртного на организм. Тут тоже есть проблемы, потому что многие из эффектов алкоголя СУБЪЕКТИВНЫ. Если, выпив вина, мечтаете поцеловать красавчика, сидящего напротив, или набить морду шумному типу в дальнем углу, исследователь об этом ничего не узнает, пока вы в состоянии себя контролировать или пока сами не сообщите ему.

Выпив, человек может пребывать в приподнятом настроении, чувствовать возбуждение и эйфорию или страдать от апатии, безысходности и бессилия. Но не всегда о внутреннем состоянии человека можно однозначно судить по внешним проявлениям.

Чтобы оценить субъективные эффекты опьянения, ученые набирают добровольцев, объясняют им суть эксперимента, а когда волонтер выпил спиртное и опьянел, предлагают заполнить опросник, обычно состоящий из нескольких десятков вопросов. Некоторым людям уже после первой рюмки непросто справиться с этим заданием: в голове начинает шуметь, буквы расплываются, смысл вопроса ускользает, а в изрядном подпитии заполнить опросник могут только гении концентрации и титаны самообладания и рассудительности, которые к тому же сохранили способность держать в руках карандаш или ручку и не промахиваться мимо строк и клеточек с ответами. Это не считая того, что спаивать людей до такой степени крайне неэтично, хоть это и может дать ценные научные результаты.

Состояние опьянения — это смесь из стимулирующих и расслабляющих эффектов.

4. Еще одна проблема: то, что будет происходить с человеком в состоянии алкогольного опьянения, во многом зависит от того, чего он ожидает от состояния алкогольного опьянения [2, 4].

Разные культуры по-разному представляют себе людей подшофе: в некоторых странах люди скорее ожидают от нетрезвых собеседников агрессивного поведения, в других — приподнятого настроения. Самое интересное, что, выпив, люди склонны вести себя так, как от них того ожидают, даже когда не вполне себя контролируют.

Для того чтобы учесть такие эффекты, ученые обычно используют плацебо-контролируемые исследования: участников делят на две группы, но никто (иногда включая даже самих исследователей), не знает, какая из них получает действующее вещество, а какая — бесполезное плацебо. Однако большинство людей легко отличают безалкогольный коктейль от алкогольного — у них просто-напросто разный вкус независимо от того, сколько там ароматизаторов, подсластителей или специй. Обмануть людей не так-то просто, хотя ученые все равно стараются. Одни исследователи требуют от участников полоскать рот сразу после того, как они выпили напиток, чтобы перебить вкус; другие разрабатывают протоколы внутривенного введения алкоголя в обход вкусовых рецепторов. Однако, несмотря на эти ухищрения, люди чувствуют, пьяны они или нет, особенно если речь идет о высоких дозах этанола. Если участник знает, что он пьян, его представления о том, как ведут себя пьяные, могут здорово повлиять на то, как он будет себя вести, и с этим уже ничего не поделаешь.

5. Опьянение представляет собой мешанину как СТИМУЛИРУЮЩИХ, так и РАССЛАБЛЯЮЩИХ эффектов [4] и будет проявляться у людей по-разному. Алкоголь может стимулировать на сомнительные подвиги, когда люди не спят и веселятся ночи напролет, а может провоцировать людей на импульсивные поступки и приступы неконтролируемой ярости и в то же время снимать тревогу, вызывать сонливость, мешать сосредоточиться, замедлять скорость реакции и ухудшать координацию движений. Напряженные мышцы обмякают, голос становится невыразительным, а речь невнятной. Способность мыслить трезво не зря носит такое название: алкоголь лишает человека возможности рассуждать, анализировать, выполнять подсчеты и учитывать тонкие нюансы или отдаленные последствия при принятии решений.

То, как мы себя будем вести, будучи подшофе, зависит от социальной среды, нашего опыта, наших генов, гормонального фона и других факторов.

Какие из этих эффектов и в какой мере будут свойственны именно вам, зависит от генов, социальной среды, особенностей воспитания, жизненного опыта и истории употребления спиртного, а еще от состояния здоровья, гормонального статуса и множества других факторов, не все из которых возможно отследить. Индивидуальные картины опьянения могут кардинально отличаться от человека к человеку, хотя, скорее всего, в них будут присутствовать некоторые из описанных выше эффектов.

Несмотря на все эти трудности, ученые уже немало знают о том, как алкоголь действует на мозг. Так что давайте разбираться.

Вначале

Эффект от воздействия небольших доз этанола можно наблюдать на любых посиделках с выпивкой: люди становятся оживленными, раскованными и разговорчивыми, все в приподнятом настроении, много смеются и увлеченно общаются друг с другом. В английском языке даже есть такой термин — social drinking, то есть выпивка в компании. Здесь подразумевается, что люди не стремятся напиться, а хотят пропустить по кружке пива, бокалу вина или рюмке коньяка в приятельской компании, иногда в честь какого-то знаменательного события (хотя не факт, что все пойдет как планировалось).

Чувствительность к этанолу отличается у разных людей, она зависит от пола, возраста, генов и опыта употребления спиртного, но для простоты будем считать, что состояние легкого опьянения наступает после того, как человек выпил одну дозу спиртного (150 мл вина, пол-литра пива или 50 мл крепкого алкоголя, что соответствует примерно 10–15 граммам этанола). Уровень этанола в крови на этом этапе сопоставим с тем, когда уже нельзя за руль[58].

Стандартная доза алкоголя для разных видов напитков

Запрет управлять автомобилем, если человек выпил, имеет веские причины. Даже несильное опьянение мешает быстро оценить ситуацию на дороге и моментально среагировать, если что-то пошло не так. Оценить ситуацию и среагировать на нее — это два разных процесса, и алкоголь ухудшает оба. Он ослабляет концентрацию и рассеивает внимание, то есть мешает заметить важные детали на дороге — например, старушку, которая в ночи переходит ее в неположенном месте. Одновременно с этим скорость реакции под действием алкоголя тоже замедляется: в момент, когда старушка все же попала в фокус внимания, водителю требуется больше времени, чтобы среагировать и увести автомобиль в сторону; координация движений тоже ухудшается. При этом из-за рассеянности водитель иногда не учитывает, что рядом могут быть другие автомобили, и это тоже приводит к авариям.

Конечно, если бы это было единственным эффектом от опьянения, вряд ли выпивка вызывала бы в людях столько ажиотажа. Алкоголь расслабляет, снижая тревожность и зажатость, а те вещи, которые раньше казались угрожающими, перестают пугать и вообще беспокоить.

Обычно, когда люди думают о чем-то, что их тревожит или пугает, в мозге активируется миндалина — этот отдел обрабатывает угрожающие сигналы и отвечает за реакции тревоги и страха. Однако если человека напоить, чувства страха и тревоги притупляются.

Когда трезвым добровольцам внутри томографа показывают испуганные или агрессивные лица, ученые видят, как активируются их миндалины. Если перед этим добровольцев напоить, их миндалины перестают различать угрожающие и нейтральные стимулы — человек видит испуганное или яростное лицо, но его это совершенно не беспокоит [2].

Есть еще один важный эффект, из-за которого алкоголь ставят в один ряд с другими наркотическими веществами: он доставляет удовольствие, и его регулярное употребление способно вызывать зависимость. Этанол в небольших дозах приводит к выбросу дофамина в зонах среднего мозга, поэтому выпивающие на вечеринках люди такие оживленные и радостные. Дофамин — великий мотиватор мозга: он влияет на двигательные зоны, и люди чувствуют оживление и прилив энергии. В лимбической системе выброс дофамина ведет к тому, что человек испытывает воодушевление и радость, как будто вот-вот должно случиться что-то прекрасное или приятное. Чаще всего это переживание не имеет под собой других оснований, кроме воздействия алкоголя, то есть это просто искаженное восприятие действительности, но кому какое дело? К тому же, как сказано ниже, способность критически мыслить под алкоголем тоже отключается.

В состоянии опьянения мы перестаем тщательно контролировать свои действия: отсюда такая тяга к подвигам.

Что же происходит с критическим мышлением? Алкоголь воздействует на префронтальную кору, мешая ей нормально работать. Эта область выполняет множество сложных и важных функций, фактически здесь расположен командный центр мозга. Префронтальная кора связана с нашими убеждениями, способностью рассуждать, анализировать информацию и делать из нее выводы, оценивать силу и убедительность различных аргументов и на основе этого принимать взвешенные решения. Считается, что за ошибками следит прежде всего дорсолатеральная префронтальная кора, но, по-видимому, алкоголь ухудшает работу и других отделов. Поэтому в нетрезвом состоянии вообще тяжело соображать — планировать, анализировать, концентрироваться на задаче и удерживать в памяти важные вещи, — а не только критически мыслить. Если же после выпивки вам, наоборот, кажется, что мысли стали кристально ясными и четкими, скорее всего, они просто чрезвычайно ограничены, поскольку для широты мысли нужна исправно работающая префронтальная кора.

Выпив, люди перестают критически относиться не только к тому, что происходит вокруг, но и к собственным действиям. И тут тоже дело в префронтальной коре. Самоконтроль — это в некоторой степени способность критически оценивать свои намерения и их последствия, а также вовремя себя останавливать, если потенциальный вред от поступков перевешивает пользу. Здесь важную роль играет другой участок префронтальной коры — передняя поясная кора.

В небольших количествах алкоголь растормаживает психику, отпуская внутренние тормоза со стороны префронтальной коры. В трезвом состоянии она старается максимально все контролировать, не давая людям рисковать, если возможные неприятности кажутся неприемлемыми. В итоге префронтальная кора подавляет множество эмоциональных порывов, поэтому большинство людей в состоянии себя сдерживать, даже когда считают ситуацию возмутительной или обидной.

Вполне можно допустить, что у многих людей внутренние тормоза слишком пережимают, подавляя даже вполне безобидные порывы — кому-то сложно выдавить из себя даже банальный комплимент или просто поддержать разговор с малознакомым собеседником. Поэтому, немного выпив, зажатые люди могут становиться раскованнее, веселее и спонтаннее. Алкоголь ослабляет хватку префронтальной коры на внутреннем тормозе, который блокирует сколько-нибудь рисковые ходы, чтобы вдруг чего не вышло. У импульсивных людей этот же эффект может выглядеть совершенно по-другому: на месте адекватного человека появляется непредсказуемый тип, совершенно себя не контролирующий, — это буквально то, что называется «вообще без тормозов».

Участки мозга, на которые влияет алкоголь, и за что они отвечают

Те, кто и в трезвом состоянии не может справиться со своей импульсивностью и сначала делает, а потом думает, в нетрезвом особенно рискуют сделать то, о чем наутро придется сильно пожалеть. Помимо того что поведение таких людей сильнее подвержено влиянию этанола, у них выше риск алкоголизма — развития хронической зависимости от алкоголя. В конце концов, желание выпить тоже может быть эмоциональным позывом, который иногда полезно подавлять.

В разгар

По мере того как люди набираются коктейлями, пивом, вином или чем покрепче, их поведение преображается. Оживление спадает, расслабление нарастает. Фокус внимания сужается, и человек не способен удерживать в голове одновременно больше одной идеи — ему просто не хватает на это ресурсов рабочей памяти. Людям все сложнее фокусировать взгляд, внятно выговаривать сложнопроизносимые фразы или дойти до уборной, не шатаясь.

Когда выпито больше разумного, можно говорить о состоянии опьянения средней тяжести. В этом случае доза выпитого примерно в два-пять раз превышает тот самый порог, по которому полицейские лишают прав нетрезвых людей за рулем.

Хотя никакой четкой границы между легким и средним опьянением нет, между этими состояниями все же есть заметные отличия.

Во-первых, высокие концентрации алкоголя уже не приводят к выбросу дофамина. Настроение уже не такое приподнятое, на смену оживлению и радости могут прийти заторможенность и апатия. Кроме того, чем сильнее степень алкогольного опьянения, тем сильнее отключается внутренний контролер; в какой-то момент человек вообще перестает отдавать себе отчет в том, что он делает. А поскольку одновременно с этим миндалина перестает реагировать на тревожные сигналы, чувство самосохранения начинает подводить. Вероятно, эти два эффекта, когда человек перестает себя контролировать с одновременным снижением восприимчивости к пугающим сигналам, приводят к тому, что по пьяни тянет на всякую фигню, и иногда это может закончиться очень плачевно. Выражение «слабоумие и отвага» вполне применимо к этой ситуации: алкоголь отключает префронтальную кору, ответственную как раз за умственные способности, и миндалину, которая отвечает за осторожность и в трезвом состоянии замечает все тревожное и страшное.

Этанол влияет на мозжечок, именно поэтому после употребления алкоголя у людей начинаются проблемы с речью и движениями.

В больших концентрациях алкоголя седативные (расслабляющие и тормозящие) эффекты преобладают над возбуждающими. Алкоголь часто называют депрессантом, но в виду имеется не его способность вызывать депрессию[59]. Ученые подразумевают немного другое: алкоголь активирует тормозные системы внутри мозга и тормозит активирующие. Получается, что общий баланс между возбуждением и торможением под влиянием алкоголя смещается в сторону торможения, то есть происходит подавление (депрессия) общей мозговой активности. Чем больше выпито, тем сильнее этот эффект.

Некоторые зоны мозга этанол угнетает сильнее, чем другие. Помимо уже упомянутых миндалины и префронтальной коры заметно страдает мозжечок — главный центр координации движений в нашем мозге. Из-за этого становится невнятной речь: голосовой аппарат — это множество мелких мышц, которыми нужно точно и быстро управлять, чтобы выговаривать звуки по отдельности и складывать их в слова и предложения. Имитируя пьяную речь, люди «проглатывают» звуки и снижают темп — именно это происходит, когда мозжечок перестает справляться с речью. При этом восприятие речи на слух страдает гораздо меньше: зрительные и слуховые зоны коры, по всей видимости, самые крепкие орешки, которые сопротивляются воздействию этанола до последнего.

Вторая «мозжечковая» история — раскоординация мышц тела и конечностей — не только выливается в нетвердую походку и риск падения, но приводит и к невозможности выполнять мелкие движения руками. В высоких концентрациях эффект от алкоголя может быть просто сногсшибательным — в самом буквальном смысле этого слова. Если перед человеком начинают танцевать стены, пол и потолок, а ноги не слушаются, это говорит о том, что мозжечок уже почти в нокдауне. Иногда по ногам дает намного раньше, чем по голове: человек в состоянии довольно связно мыслить, но ноги его уже не держат.

Как назло, выпившим людям то и дело приходится «держаться на ногах»: как минимум, в туалет они отлучаются намного чаще, чем трезвые. Это еще один эффект алкоголя — он обладает мочегонными свойствами [6].

На почки, которые производят мочу, алкоголь может действовать и напрямую, и через мозг: в обоих случаях это приводит к тому, что почечные канальцы не откачивают из мочи излишки воды, постепенно обезвоживая организм. В мозге этанол действует через гипофиз, который отвечает за гормональный фон организма. Даже невысокие концентрации этанола приводят к тому, что гипофиз выделяет меньше вазопрессина — это вещество еще известно как антидиуретический гормон. Второе название объясняется просто: чем больше в крови вазопрессина, тем слабее диурез — так ученые называют процесс производства мочи. Когда вазопрессина недостаточно, мочи, наоборот, производится больше необходимого. Это выливается в постоянные отлучки в туалет, а если человек допился до свинского состояния, может и вовсе привести к недержанию мочи.

Последняя вещь, о которой нужно упомянуть, — это снижение восприимчивости к боли [7]. То, что этанол способен заглушать боль, было известно очень давно: врачи, особенно военные, использовали эту особенность спиртного с древних времен, когда у них не было других болеутоляющих средств — анальгетиков. Алкоголь воздействует на эндогенные опиоидные системы мозга, которые блокируют восприятие боли (а отчасти связаны с улучшением настроения, дополняя влияние дофамина). Нечувствительность к боли вкупе с раскоординацией движений и плохим самоконтролем многократно увеличивают риск всевозможных травм в пьяном состоянии. Организм при этом может серьезно пострадать, даже если его обладатель и не почувствует сразу, насколько плохо дело. Злоупотребление алкоголем имеет множество крайне серьезных последствий и для самого человека, и для окружающих его людей.

Очень сильно от алкоголя страдает гиппокамп, а, как мы помним, именно он отвечает за формирование воспоминаний.

Однако взаимоотношения боли и алкоголя не так просты: алкоголь способен не только облегчать боль, но и усиливать ее. Речь идет не только о похмельной головной боли. Люди, злоупотребляющие алкоголем, повышают риск развития болевых синдромов [7]. Опыты на животных показали, что на 10–12-й день пьянства обезболивающие свойства алкоголя постепенно исчезают, и чувствительность к боли восстанавливается. Если долго и в заметных количествах принимать этанол, нарушается тонкая регуляция опиоидной системы мозга и уровень эндогенных опиатов снижается.

На фоне того, что постоянное алкогольное отравление постепенно разрушает многие органы, включая периферические нервы, у злоупотребляющих алкоголем людей могут развиваться хронические боли.

Абстинентный синдром тоже связан с высокой чувствительностью к боли: у тяжелых алкоголиков, прекративших употреблять спиртное, физические и психические нарушения зачастую сопровождаются гиперальгезией, когда даже небольшие болевые стимулы становятся крайне болезненными.

Наутро

Почему я так плохо помню вчерашнее?

Гиппокамп — еще одна зона, страдающая от этанола. Он отвечает в том числе за эпизодическую память, то есть то, насколько точно и полно человек может воспроизвести произошедшее с ним. Этанол влияет на гиппокамп практически сразу, но в полной мере это удается почувствовать только с утра. Часто события алкогольного угара сложно воспроизвести: все как в тумане, последовательность событий путается, обстоятельства случившегося и причинно-следственные связи вспоминаются с трудом. Если человек вообще не в состоянии вспомнить события вечеринки, это очень тревожный сигнал: с умеренными дозами алкоголя гиппокамп все-таки справляется и хоть какие-то события вчерашнего утром получается припомнить.

Похмелье

Если человек перебрал со спиртным вечером, вполне вероятно, что с утра он будет мучиться от похмелья. Почему же оно вызывает столько страданий?

Алкоголь, особенно в больших количествах, вызывает сильную интоксикацию (отравление) всего организма, и при этом мозг обычно страдает сильнее, чем остальные органы [3]. Немедленные последствия сменяются отложенными, но все они вызваны употреблением спиртного — в этот раз в чрезмерном для организма объеме.

Во-первых, из-за мочегонных свойств алкоголя организм обезвоживается, и это влияет на обмен веществ и протекание почти всех процессов в организме. Обезвоживание само по себе способно вызывать головную боль, тошноту и головокружения. После попойки обычно хочется пить, при этом народным средством считается рассол: таким образом можно не только восполнить нехватку жидкости, но и восстановить дефицит электролитов, который случается при обезвоживании.

Во-вторых, алкоголь в организме постепенно преобразуется в ацетальдегид, который затем превращается в уксусную кислоту — таков путь превращений этанола в нашем обмене веществ. Уксусная кислота может служить источником энергии, распадаясь на углекислый газ и воду [в цикле Кребса]. В том объеме, в каком она получается из этанола, уксусная кислота повредить организму не может, а вот промежуточный продукт — ацетальдегид — очень токсичен, особенно для клеток мозга. За превращение этанола в уксусную кислоту отвечают два белка-фермента — алкогольдегидрогеназа и альдегиддегидрогеназа, — они отщепляют от алкоголя или альдегида атомы водорода (hydrogen по-латыни и на английском). Если первый фермент работает быстрее, чем второй, в тканях постепенно накапливается ацетальдегид. У многих азиатов из-за генетических особенностей альдегиддегидрогеназа работает плохо, и похмелье наступает даже после небольших доз алкоголя.

Еще одна из причин похмелья связана с нейровоспалением. Алкоголь и особенно образующийся из него ацетальдегид могут повреждать клетки и ткани, кроме того, они активируют факторы воспаления — интерлейкины и цитокины. Воспаление играет не последнюю роль в похмельном синдроме — это косвенно подтверждается и тем, что противовоспалительные препараты вроде ибупрофена помогают облегчить головную боль и другие мучительные симптомы похмелья.

Примеси в алкогольных напитках (сахар и продукты брожения) могут усиливать чувство похмелья утром. Особенно много их в красном вине.

Отравление алкоголем может выводить из строя митохондрии — главные энергетические станции клетки. В других тканях это может быть не так заметно, но нервные клетки потребляют примерно в десять раз больше энергии, чем остальные; фактически митохондрии здесь работают на пределе своих возможностей, чтобы обеспечить потребности мозга в энергии. Даже небольшие повреждения митохондрий приводят к тому, что в клетках накапливаются активные формы кислорода и свободные радикалы — своего рода преступные элементы внутри биохимического мира, которые осложняют жизнь другим молекулам и могут приводить к повреждениям внутри клеток. Исследования показали, что нервные окончания с синапсами страдают от алкоголя в первую очередь — здесь энергия расходуется на то, чтобы проводить нервные импульсы, а без этого работу мозга невозможно представить.

То, насколько тяжелым будет похмелье, зависит не только от того, сколько было выпито, но и от того, что конкретно пили. Чаще всего алкогольные напитки представляют собой не просто раствор этанола в воде — в них дополнительно содержатся сахар и сопутствующие продукты брожения, среди которых могут быть примеси метанола, аминов, амидов, ацетона, ацетальдегида, полифенола, эфиров, танинов и т. п. Примесей, способных усугубить похмелье, особенно много в красном вине и винных дистиллятах (бренди и коньяки), а меньше всего в водке, но качество спиртного тоже играет в этом не последнюю роль.

Наконец, на похмелье могут влиять индивидуальные особенности: по данным исследований, от 5 до 23 % людей не страдают от похмелья или испытывают только легкие симптомы, если сильно перебрали, в то время как другие могут заработать тяжелое похмелье, даже выпив совсем немного. Лучший способ предотвратить возможное похмелье — не пить вовсе.

Несколько слов об алкогольной зависимости

Как понять, нет ли у вас алкогольной зависимости, если вы регулярно потребляете спиртное? Риск развития алкогольной зависимости зависит от генетических особенностей и индивидуальных черт, от социальной среды и жизненного опыта человека: считается, что в группе риска находятся импульсивные люди с ослабленным самоконтролем, люди из депрессивных регионов, с семейной историей алкоголизма.

Однако в группе риска могут оказаться и очень уравновешенные люди, особенно если они недавно столкнулись с тяжелыми жизненными обстоятельствами, утратой или горем. В одном из руководств по психическим расстройствам (DSM-IV[8]) выделяют следующие тревожные сигналы развития алкогольной зависимости:

• вырабатывается толерантность к алкоголю, то есть требуется больше спиртного, чтобы опьянеть;

• если по каким-то причинам алкоголь какое-то время недоступен, появляется синдром отмены: тревожность, частое сердцебиение, потливость, дрожание рук, нарушения сна, может даже повышаться температура;

• потребление алкоголя происходит дольше и/или в больших количествах, чем изначально планировалось;

• постоянная тяга к алкоголю или неудачные попытки сократить выпивку;

• все больше времени человек проводит за потреблением алкоголя или восстановлением после этого;

• другие цели и способы времяпрепровождения все сильнее вытесняются выпивкой, человек перестает интересоваться и заниматься другими делами;

• потребление алкоголя продолжается, несмотря на то что человек осознает его вред для своего физического и психологического состояния.

Если у вас за последний год наблюдались хотя бы три симптома из этого списка, это уже повод обратиться к специалисту — у вас проблемы с алкоголем. Надеюсь, что взаимоотношения читателей и их близких с алкоголем никогда не зайдут настолько далеко.

Эпилог

6 августа 2012 года марсоход Curiosity совершил удачную посадку на поверхность Марса. Миссия аппарата — исследовать поверхность Красной планеты и определить, насколько она пригодна для жизни. За время пребывания на Марсе Curiosity смог обнаружить на планете источники жидкой воды, следы метана в атмосфере и следы органических солей — все это еще ничего не говорит о марсианской жизни, но не исключает ее существования.

В 2018 году в кратере Гейла марсоход Curiosity обнаружил следы бензола и пропана. Отложения в кратере, исследованные марсоходом, скорее всего, осадочные и очень, очень древние: их возраст оценивается в 3–3,5 миллиарда лет! В этом же кратере обнаружен песок: это говорит о том, что миллиарды лет назад на Марсе существовала жидкая вода, в которой и накапливалась древняя органика. Возможно, когда-нибудь Curiosity встретит на Марсе жизнь: вполне вероятно, это будут не марсианские бактерии, а колонисты с Земли. Пока у Curiosity есть коллеги-марсоходы: американцы, китайцы, европейцы, а также поддержка со стороны NASA и 4 млн подписчиков в «Твиттере».

Так. Стоп. Тут какая-то ошибка. Это точно книга о мозге? Кажется, сюда случайно попал отрывок из другой книги — о космосе и освоении Марса.

Куда приводит любопытство

Ошибки нет: это действительно заключение книги о мозге. Скорее всего, история о Марсе вас удивила. Во всяком случае, мне хотелось вывести вас из безмятежного состояния, в котором все вокруг предсказуемо и мало удивляет. Надеюсь, мне это удалось ☺.

Читая книгу о мозге, люди ожидают увидеть истории о нервной системе, об ученых, о психике и поведении, о разуме и эмоциях, сознании и подсознании. Удивить читателя нетривиальной историей о нейронах намного сложнее, чем тривиальной историей о Марсе просто потому, что историю о нейронах люди ожидают увидеть, а о приключениях марсохода Curiosity — нет. Наш мозг постоянно создает ожидания и отслеживает, насколько действительность совпадает с прогнозом. Нарушить ожидания мозга — отличный способ привлечь интерес. Если что-то не укладывается в прогноз, оно заслуживает нашего внимания. Нам нужно разобраться, что к чему, не представляет ли оно опасности и не сулит ли выгод. Другими словами, нарушенные ожидания будят любопытство.

Яак Панксепп, нейробиолог, изучавший базовые эмоции, считал, что за любопытство отвечает особая система, которая составляет фундамент эмоциональной жизни всех позвоночных животных. Ее ветви пронизывают наш мозг от ствола до коры больших полушарий, заряжая мотивацией действовать и изучать мир.

Впервые эту систему обнаружили Джеймс Олдс[60] и Питер Милнер[61]: они исследовали, как стимуляция различных отделов мозга влияет на обучение у крыс, и обнаружили, что воздействие на особую зону в глубине мозга меняет поведение животных. Крысы были готовы работать до изнеможения, чтобы получить вожделенный разряд, словно в их мире не было ничего важнее этого. Ученые назвали эту зону центром удовольствия. Понадобилось еще два десятилетия, чтобы понять, что возможности этой системы не ограничиваются переживанием удовольствия; в конечном счете мозг нужен, чтобы обеспечивать выживание, а не делать приятное своему обладателю.

Оценка совпадения действительности с прогнозом — одна из самых важных ролей нашего мозга.

Много лет спустя Олдс повторил на крысах опыты Павлова: он следил за активностью мозга крыс, пока у них формировался условный рефлекс. Оказалось, что когда крыса слышит звук, после которого ее кормят, самым первым в ожидании еды активируется центр удовольствия. Он реагирует на предвкушение награды, как только мозг замечает нужный сигнал и делает точный прогноз. Удовольствие, которое испытывали крысы, вызывала не награда — вкусная еда, питье или секс, — а обещание удовольствия, ощущение, что впереди ждет что-то прекрасное, ценное и очень приятное. Центры удовольствия, открытые Олдсом и Милнером, дарили животным радость будущих наград здесь и сейчас и давали силы преодолевать любые трудности на пути к будущему блаженству.

Эту систему и входящие в нее отделы знают под разными именами: система подкрепления/вознаграждения, центры удовольствия, мезокортиколимбический контур. В русском языке нет подходящего названия, которое описывало бы суть этой системы, поэтому я буду называть ее ШИЛО — Штучка [внутри мозга], для Исследования Логики Окружающего [мира]. Наше ШИЛО берет начало в вентральной области покрышки, которая отправляет дофаминовые сигналы к ядрам гипоталамуса, в прилежащее ядро и другие отделы базальных ганглиев и в лобные отделы коры, отвечающие за познание и интеллект. Эта система отвечает за положительное подкрепление: она определяет, насколько приятным и ценным был для нас новый опыт. Если нам что-то понравилось, мы хотим это снова: так ШИЛО создает тягу к приятным вещам (даже если они вредны, как в случае зависимостей).

Когда ШИЛО активно, животные и люди проявляют восторженный интерес к тому, что происходит вокруг. ШИЛО мотивирует нас исследовать мир, чтобы понять, как он устроен. Наш мозг неутомимо собирает подсказки и ключи, которые помогают точнее предсказывать будущее. Мы с интересом изучаем повторяющиеся события, пытаясь отыскать их причину, ищем источники ресурсов и удовольствий, пытаемся понять, почему происходят несчастья и что можно сделать, чтобы их избежать. Находя улики, раскрывающие намерения мира, мы торжествуем: если знаешь, где ждут опасности, а где открываются отличные возможности, легче выбирать, куда отправиться дальше.

Чтобы избавиться от скуки, нужно как следует удивить мозг. Для этого лучше всего подходит нарушение сделанных им прогнозов.

* * *

Увы, слишком предсказуемый мир тоже так себе альтернатива: люди начинают скучать. Если мы знаем, чего ждать, становится неинтересно. ШИЛО мотивирует нас изучать мир, чтобы точнее прогнозировать последствия. Если все и так ясно, работа этой системы теряет смысл: мы чувствуем скуку и апатию. Бесконечный однообразный день сурка так же невыносим, как и пугающая неизвестность — и то и другое лишает нас сил, чтобы действовать. Скука заставляет отправляться на поиски нового — живительного источника, питающего нашу эмоциональную жизнь.

Мы ищем новое, пытаясь избавиться от скуки, и ищем в этом новом смысл, чтобы лучше предсказывать будущее, снижая его неопределенность. В поисках новых вопросов и ответов люди порой оказываются в самых невероятных местах: в космосе, Заполярье, в залах библиотек, исследовательских лабораториях адронного коллайдера, монастырях, в твиттер-фолловерах марсохода или даже внутри гигантской сковородки (как это случилось с одним из победителей премии Дарвина). Именно любопытство заставляет человека искать объяснения, помогающие ему увидеть смысл в происходящем. Вероятно, именно оно и привело вас к тому, чтобы прочитать эту книгу.

Список источников

Что находится в основании мозга

1. Майк (безголовый петух) [Internet]. Available from: https://ru.wikipedia.org/wiki/Майк_(безголовый_петух).

2. The chicken that lived for 18 months without a head. The chicken that lived for 18 months without a head [Internet]. Available from: https://www.bbc.com/news/magazine-34198390.

3. Panksepp J. Affective neuroscience: the foundations of human and animal emotions. Oxford: Oxford Univ. Press; 2005. 466 p. (Series in affective science).

4. Mason P. Medical neurobiology. Second edition. New York, NY, United States of America: Oxford University Press; 2017. 488 p.

5. Carter R., Aldridge S., Page M., Parker S. The human brain book. American edition. Revised and updated new edition. New York, NY: DK Publishing; 2019. 264 p.

6. Mendoza J. E., Foundas A. L. Clinical neuroanatomy: a neurobehavioral approach. New York; London: Springer; 2007. 704 p.

7. Kandel ER, editor. Principles of neural science. 5th ed. New York: McGraw-Hill; 2013. 1709 p.

8. Боби Ж-Д. Скафандр и бабочка. — Москва: Рипол классик, 2009. — 176 с.

Что находится выше мозгового ствола? Краткий путеводитель по строению мозга

1. Panksepp J. Affective neuroscience: the foundations of human and animal emotions. Oxford: Oxford Univ. Press; 2005. 466 p. (Series in affective science).

2. Wikler A. Adaptive behavior in long-surviving dogs without neocortex. Arch Neurol Psychiatry. 1950 Jul 1; 64(1):29.

3. Kalat J. W. Biological psychology. 9th ed. Belmont, CA: Thomson/Wadsworth; 2007. 582 p.

4. Ромер А., Парсонс Т. Анатомия позвоночных. Т. 2. — Москва: Мир, 1992. — 406 с.

5. Aulinas A. Physiology of the Pineal Gland and Melatonin. In: Feingold K. R., Anawalt B., Boyce A., Chrousos G., de Herder W. W., Dhatariya K. et al., editors. Endotext [Internet]. South Dartmouth (MA): MDText.com, Inc.; 2000 [cited 2021 Apr 9]. Available from: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK550972.

6. Thibaut F. Basal ganglia play a crucial role in decision making. Dialogues Clin Neurosci. 2016 Mar; 18(1):3.

7. Yin H. H., Knowlton B. J. The role of the basal ganglia in habit formation. Nat Rev Neurosci. 2006 Jun; 7(6):464–76.

8. Willshaw D. J., Dayan P., Morris R. G. M. Memory, modelling and Marr: a commentary on Marr (1971) Simple memory: a theory of archicortex. Philos Trans R Soc B Biol Sci. 2015 Apr 19; 370(1666):20140383.

9. Naumann R. K., Ondracek J. M., Reiter S., Shein-Idelson M., Tosches M. A., Yamawaki T. M. et al. The reptilian brain. Curr Biol. 2015 Apr; 25(8):R317–21.

10. Zorrilla E. P., Koob G. F. Amygdalostriatal projections in the neurocircuitry for motivation: a neuroanatomical thread through the career of Ann Kelley. Neurosci Biobehav Rev. 2013 Nov; 37(9 Pt A):1932–45.

11. Herculano-Houzel S. The remarkable, yet not extraordinary, human brain as a scaled-up primate brain and its associated cost. Proc Natl Acad Sci. 2012 Jun 2.

Как устроены зрение и слух

1. Carter R., Aldridge S., Page M., Parker S. The human brain book. American edition. Revised and updated new edition. New York, NY: DK Publishing; 2019. 264 p.

2. Kalat J. W. Biological psychology. 11th ed. Belmont, CA: Wadsworth, Cengage Learning; 2013. 577 p.

3. Gollisch T., Meister M. Eye smarter than scientists believed: neural computations in circuits of the retina. Neuron. 2010 Jan 28;65(2):150–64.

4. Idrees S., Baumann M. P., Franke F., Münch T. A., Hafed Z. M. Perceptual saccadic suppression starts in the retina. Nat Commun. 2020 Dec;11(1):1977.

5. Goodale M. A., Milner A. D. Sight unseen: an exploration of conscious and unconscious vision. Oxford; New York: Oxford University Press; 2004. 135 p.

6. Bear M. F., Connors B. W., Paradiso M.A. Neuroscience: exploring the brain. Fourth edition. Philadelphia: Wolters Kluwer; 2016. 975 p.

7. Стивен Пинкер. Как работает мозг. — Москва: Кучково поле, 2017. — 672 c.

8. Wallisch P. Illumination assumptions account for individual differences in the perceptual interpretation of a profoundly ambiguous stimulus in the color domain: «The dress». J Vis. 2017 Jun 12;17(4):5.

9. Changizi M. A., Hsieh A., Nijhawan R., Kanai R., Shimojo S. Perceiving the Present and a Systematization of Illusions. Cogn Sci. 2008 Apr 5;32(3):459–503.

10. Аре Бреан, Гейр Ульве Скейе. Музыка и мозг. — Москва: Альпина Паблишер, 2020. — 295 c.

11. Linden D. E., Kallenbach U., Heinecke A., Singer W., Goebel R. The Myth of Upright Vision. A Psychophysical and Functional Imaging Study of Adaptation to Inverting Spectacles. Perception. 1999 Apr;28(4):469–81.

12. Brandt T., Strupp M., Dieterich M. Towards a concept of disorders of «higher vestibular function». Front Integr Neurosci. 2014;8:47.

13. Комаров С. М. Ах, как кружится голова… 2016;(6). Available from: https://hij.ru/read/6040.

14. Purves D., editor. Neuroscience. Sixth edition. New York: Oxford University Press; 2018. 1 p.

Как устроено движение

1. Desmurget M., Sirigu A. Revealing humans’ sensorimotor functions with electrical cortical stimulation. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2015 Sep 19; 370 (1677): 20140207.

2. Catani M. A little man of some importance. Brain J Neurol. 2017 Nov 1; 140 (11): 3055–61.

3. Kalat J. W. Biological psychology. 9th ed. Belmont, CA: Thomson/Wadsworth; 2007. 582 p.

4. Bear M. F., Connors B. W., Paradiso M. A. Neuroscience: exploring the brain. Fourth edition. Philadelphia: Wolters Kluwer; 2016. 975 p.

5. Nann M., Cohen L. G., Deecke L., Soekadar S. R. To jump or not to jump — The Bereitschaftspotential required to jump into 192-meter abyss. Sci Rep. 2019 Dec;9 (1): 2243.

6. Schultze-Kraft M., Birman D., Rusconi M., Allefeld C., Görgen K., Dähne S. et al. The point of no return in vetoing self-initiated movements. Proc Natl Acad Sci USA. 2016 Jan 26; 113 (4): 1080–5.

7. Schaefer M., Heinze H-J., Galazky I. Alien hand syndrome: neural correlates of movements without conscious will. PloS One. 2010 Dec 13;5 (12): e15010.

8. Blanke O., Arzy S. The out-of-body experience: disturbed self-processing at the temporo-parietal junction. Neurosci Rev J Bringing Neurobiol Neurol Psychiatry. 2005 Feb;11 (1): 16–24.

9. Rolls E. T. The cingulate cortex and limbic systems for emotion, action and memory. Brain Struct Funct. 2019 Dec; 224(9): 3001–18.

10. Gothard K. M. The amygdalo-motor pathways and the control of facial expressions. Front Neurosci [Internet]. 2014 Mar 19 [cited 2021 May 17];8. Available from: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnins.2014.00043/abstract.

11. Herculano-Houzel S. The human brain in numbers: a linearly scaled-up primate brain. Front Hum Neurosci [Internet]. 2009 [cited 2019 Jul 5];3. Available from: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/neuro.09.031.2009/abstract.

12. Apps R., Garwicz M. Anatomical and physiological foundations of cerebellar information processing. Nat Rev Neurosci. 2005 Apr; 6(4): 297–311.

13. Doya K. Complementary roles of basal ganglia and cerebellum in learning and motor control. Curr Opin Neurobiol. 2000 Dec 1;10 (6): 732–9.

14. Seger C.A, Spiering B. J. A Critical Review of Habit Learning and the Basal Ganglia. Front Syst Neurosci [Internet]. 2011 [cited 2018 Aug 18]; 5. Available from: http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fnsys.2011.00066/abstract.

15. Clauss J. A., Avery S. N., Blackford J. U. The nature of individual differences in inhibited temperament and risk for psychiatric disease: A review and meta-analysis. Prog Neurobiol. 2015 Apr; 127–128: 23–45.

16. Schultz W. Predictive Reward Signal of Dopamine Neurons. J Neurophysiol. 1998 Jul; 80(1): 1–27.

17. Graybiel A. M., Grafton S. T. The Striatum: Where Skills and Habits Meet. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2015 Aug; 7(8): a021691.

18. Cooper C., Moon H. Y., van Praag H. On the Run for Hippocampal Plasticity. Cold Spring Harb Perspect Med. 2018 Apr 2; 8 (4).

19. Di Liegro C. M., Schiera G., Proia P., Di Liegro I. Physical Activity and Brain Health. Genes. 2019 Sep 17; 10 (9).

20. Phillips C. Lifestyle Modulators of Neuroplasticity: How Physical Activity, Mental Engagement and Diet Promote Cognitive Health during Aging. Neural Plast. 2017: 3589271.

21. Chakravarthy V. S., Joseph D., Bapi R. S. What do the basal ganglia do? A modeling perspective. Biol Cybern. 2010 Sep; 103 (3): 237–53.22.

22. Eisinger R. S., Urdaneta M. E., Foote K. D., Okun M. S., Gunduz A. Non-motor Characterization of the Basal Ganglia: Evidence From Human and Non-human Primate Electrophysiology. Front Neurosci. 2018 Jul 5; 12:385.

Как устроена память

1. Виталий Лейбин, Наталья Кузнецова. Русский репортер. Слова не выкинешь. Какие песни мы поем в душе и какими стихами говорим [Internet]. 2015. Available from: https://web.archive.org/web/20160419070850/http://rusrep.ru/article/2015/06/26/slova-ne-vyikinesh.

2. Queenan B. N., Ryan T. J., Gazzaniga M. S., Gallistel C. R. On the research of time past: the hunt for the substrate of memory. Ann N Y Acad Sci. 2017 May;1396(1): 108–25.

3. Eichenbaum H. Still searching for the engram. Learn Behav. 2016 Sep; 44(3): 209–22.

4. Corkin S. Permanent present tense: the unforgettable life of the amnesic patient, H. M. First Edition. New York: Basic Books; 2013. 364 p.

5. Squire L. R., Dede A. J. O. Conscious and Unconscious Memory Systems. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2015 Mar;7(3):a021667.

6. Baddeley A. Working Memory: Theories, Models and Controversies. Annu Rev Psychol. 2012 Jan 10;63(1):1–29.

7. Mayford M., Siegelbaum S. A., Kandel E. R. Synapses and memory storage. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012 Jun 1;4(6).

8. Moser M-B., Rowland D. C., Moser E. I. Place cells, grid cells, and memory. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2015 Feb 2;7(2): a021808.

9. Eichenbaum H. The role of the hippocampus in navigation is memory. J Neurophysiol. 2017 Apr 1;117(4): 1785–96.

10. Buzsáki G., Llinás R. Space and time in the brain. Science. 2017 Oct 27;358(6362): 482–5.

11. Josselyn S. A., Köhler S., Frankland P. W. Finding the engram. Nat Rev Neurosci. 2015 Sep;16(9): 521–34.

12. van Kesteren M. T. R, Meeter M. How to optimize knowledge construction in the brain. NPJ Sci Learn. 2020;5:5.

13. McKenzie S., Robinson N. T. M., Herrera L., Churchill J. C., Eichenbaum H. Learning causes reorganization of neuronal firing patterns to represent related experiences within a hippocampal schema. J Neurosci Off J Soc Neurosci. 2013 Jun 19;33(25): 10243–56.

14. Paller K. A., Wagner A. D. Observing the transformation of experience into memory. Trends Cogn Sci. 2002 Feb;6(2): 93–102.

15. Roozendaal B., McEwen B. S., Chattarji S. Stress, memory and the amygdala. Nat Rev Neurosci. 2009 Jun;10(6): 423–33.

16. Richards B. A., Frankland P. W. The Persistence and Transience of Memory. Neuron. 2017 Jun;94(6): 1071–84.

17. Walker M. P., Stickgold R. Sleep-Dependent Learning and Memory Consolidation. Neuron. 2004 Sep;44(1): 121–33.

18. Buhry L., Azizi A. H., Cheng S. Reactivation, replay, and preplay: how it might all fit together. Neural Plast. 2011; 2011:203462.

19. Crowley R., Bendor D., Javadi A-H. A review of neurobiological factors underlying the selective enhancement of memory at encoding, consolidation and retrieval. Prog Neurobiol. 2019 Aug;179:101615.

20. Preston A. R., Eichenbaum H. Interplay of Hippocampus and Prefrontal Cortex in Memory. Curr Biol. 2013 Sep;23(17):R764–73.

21. Loftus E. F., Pickrell J. E. The Formation of False Memories. Psychiatr Ann. 1995 Dec;25(12): 720–5.

22. Wade K. A., Garry M., Don Read J., Lindsay D. S. A picture is worth a thousand lies: Using false photographs to create false childhood memories. Psychon Bull Rev. 2002 Sep;9(3): 597–603.

23. Bjork R. A., Bjork E. L. Forgetting as the friend of learning: implications for teaching and self-regulated learning. Adv Physiol Educ. 2019 Jun 1;43(2): 164–7.

24. Wilson R. S., Barral S., Lee J. H., Leurgans S. E., Foroud T. M., Sweet R. A. et al. Heritability of different forms of memory in the Late Onset Alzheimer’s Disease Family Study. J Alzheimers Dis JAD. 2011;23(2): 249–55.

25. World memory records [Internet]. Available from: http://www.world-memory-statistics.com/disciplines.php.

26. Alex Bellos. He ate all the pi: Japanese man memorises π to 111,700 digits. 2015 Mar 13; Available from: https://www.theguardian.com/science/alexs-adventures-in-numberland/2015/mar/13/pi-day-2015-memory-memorisation-world-record-japanese-akira-haraguchi.

27. Berit Brogaard D. M. Sci., Ph. D. Kim Peek, the Real Rain Man [Internet]. 2012. Available from: https://www.psychologytoday.com/us/blog/the-superhuman-mind/201212/kim-peek-the-real-rain-man.

Что происходит с мозгом, когда он ничем не занят

1. Casper S. Neuroscience needs some new ideas. Nature. 2020 Apr.; 580 (7801): 23–24.

2. Raichle M. E. Two views of brain function. Trends Cogn Sci. 2010 Apr.; 14 (4): 180–190.

3. Raichle M. E. The Restless Brain. Brain Connect. 2011 Jan; 1 (1): 3–12.

4. Raichle M. E. The restless brain: how intrinsic activity organizes brain function. Philos Trans R Soc B Biol Sci. 2015 May 19; 370 (1668): 20140172.

5. Raichle M. E. The Brain’s Dark Energy. Sci Am. 2010 Mar.; 302 (3): 44–49.

6. Raichle M. E. The Brain’s Default Mode Network. Annu Rev Neurosci. 2015 Jul 8; 38 (1): 433–447.

7. Andrews-Hanna J. R. The Brain’s Default Network and Its Adaptive Role in Internal Mentation. The Neuroscientist. 2012 Jun.;18 (3):251–270.

8. Barker F. G. Phineas among the phrenologists: the American crowbar case and nineteenth-century theories of cerebral localization. J Neurosurg. 1995 Apr.; 82 (4): 672–682.

Что происходит, когда человек спит

1. Iwanir S., Tramm N., Nagy S., Wright C., Ish D., Biron D. The Microarchitecture of C. elegans Behavior during Lethargus: Homeostatic Bout Dynamics, a Typical Body Posture, and Regulation by a Central Neuron. Sleep. 2013 Mar.; 36(3):385–395.

2. Mullington J. M., Haack M., Toth M., Serrador J. M., Meier-Ewert H. K. Cardiovascular, Inflammatory and Metabolic Consequences of Sleep Deprivation. Prog Cardiovasc Dis. 2009 Jan., 51(4):294–302.

3. Alhola P., Polo-Kantola P. Sleep deprivation: Impact on cognitive performance. Neuropsychiatr Dis Treat; 2007; 3(5):553–567.

4. Keating S. The boy who stayed awake for 11 days. 2018 Jan.

5. Everson C. A., Bergmann B. M., Rechtschaffen A. Sleep Deprivation in the Rat: III. Total Sleep Deprivation. Sleep. 1989 Jan.; 12(1):13–21.

6. Vaccaro A., Kaplan Dor Y., Nambara K., Pollina E. A., Lin C., Greenberg M. E. И др. Sleep Loss Can Cause Death through Accumulation of Reactive Oxygen Species in the Gut. Cell. 2020 Jun.; 181(6):1307–1328.e15.

7. Greenwood V. Why Sleep Deprivation Kills. Quanta Magazine. 4 June 2020.

8. Siegel J. M. The reasons that we sleep are gradually becoming less enigmatic. 2003; 6.

9. Walker M. P., Stickgold R. Sleep-Dependent Learning and Memory Consolidation. Neuron. 2004 Sep., 44(1): 121–133.

10. Poe G. R. Sleep Is for Forgetting. J Neurosci. 18 January 2004; 37(3): 464–473.

11. Siegel J. M. Do all animals sleep? Trends Neurosci. 2008 Apr., 31(4): 208–213.

12. Walch O. J., Cochran A., Forger D. B. A global quantification of «normal» sleep schedules using smartphone data. Sci Adv. 2016 May; 2(5):e1501705.

13. Guzey A. Matthew Walker’s Why We Sleep Is Riddled with Scientific and Factual Errors [Internet]. 2019 [cited 2020 Jun 29]. Available from: https://guzey.com/books/why-we-sleep.

14. Shi G., Xing L., Wu D., Bhattacharyya B. J., Jones C. R., McMahon Т. et al., A Rare Mutation of β1-Adrenergic Receptor Affects Sleep/Wake Behaviors. Neuron. 2019 Sep.; 103(6):1044–1055.e7.

15. Hirano A., Hsu P.-K., Zhang L., Xing L., McMahon T., Yamazaki M. et al., DEC2 modulates orexin expression and regulates sleep. Proc Natl Acad Sci. 17 March 2018;115(13):3434–3439.

16. Zhang L., Hirano A., Hsu P.-K., Jones C.R., Sakai N., Okuro M. et al., A PERIOD3 variant causes a circadian phenotype and is associated with a seasonal mood trait. Proc Natl Acad Sci. 15 March 2016;113(11):E1536–1544.

17. Александр Марков. Во время сна количество синапсов в мозге уменьшается [Интернет]. 2011. Available from: https://elementy.ru/novosti_nauki/431617/Vo_vremya_sna_kolichestvo_sinapsov_v_mozge_umenshaetsya.

18. Xie L., Kang H., Xu Q., Chen M. J., Liao Y., Thiyagarajan M. et al., Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain. Science. 18 October 2013; 342(6156):373–377.

19. Наталья Резник. Химия и жизнь. Занятия спящего мозга. 2014; (3):36–40.

20. Poe G. R., Walsh C. M., Bjorness T. E. Cognitive neuroscience of sleep. В: Progress in Brain Research [Internet]. Elsevier; 2010 [cited 2020 Jun 27]. pp. 1-19. Available from: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780444537027000014.

21. Sara S. J. Sleep to Remember. J Neurosci. 18 January 2017; 37(3):457–463.

22. Born J., Wilhelm I. System consolidation of memory during sleep. Psychol Res. 2012 Mar.; 76(2):192–203.

23. Sigmund F. Die Traumdeutung = Tolkowanije snow. Sankt-Petersburg: Asbuka-klassika; 2003.

24. Grenell G. Affect Integration in Dreams and Dreaming. J Am Psychoanal Assoc. 2008 Mar.; 56(1): 223–251.

25. Valli K., Revonsuo A., Pälkäs O., Ismail K. H., Ali K. J., Punamäki R-L. The threat simulation theory of the evolutionary function of dreaming: Evidence from dreams of traumatized children. Conscious Cogn. 2005 Mar.; 14(1): 188–218.

26. Stickgold R. Sleep, Learning and Dreams: Off-line Memory Reprocessing. Science. 2 November 2001; 294(5544): 1052–7.

27. Zhang J. Towards a comprehensive model of human memory. 2016. [cited 2020 Jun 27]. Available from: http://rgdoi.net/10.13140/RG.2.1.2103.9606.

Что происходит, когда человек пьет кофе

1. Perrois C. et al., Differential regulation of caffeine metabolism in Coffea arabica (Arabica) and Coffea canephora (Robusta), Planta, vol. 241, no. 1, pp. 179–191, Jan. 2015, doi: 10.1007/s00425-014-2170-7.

2. Ceja-Navarro J. A. et al., Gut microbiota mediate caffeine detoxification in the primary insect pest of coffee, Nat. Commun., vol. 6, no. 1, p. 7618, Nov. 2015, doi: 10.1038/ncomms 8618.

3. Cappelletti S., Daria P., Sani G. and Aromatario M., Caffeine: Cognitive and Physical Performance Enhancer or Psychoactive Drug? Curr. Neuropharmacol., vol. 13, no. 1, pp. 71–88, Apr. 2015, doi: 10.2174/1570159X13666141210215655.

4. Lazarus M., Oishi Y., Bjorness T. E. and Greene R. W., Gating and the Need for Sleep: Dissociable Effects of Adenosine A1 and A2A Receptors, Front. Neurosci., vol. 13, p. 740, Jul. 2019, doi: 10.3389/fnins.2019.00740.

5. Sheth S., Brito R., Mukherjea D., Rybak L. and Ramkumar V. Adenosine Receptors: Expression, Function and Regulation, Int. J. Mol. Sci., vol. 15, no. 2, pp. 2024–2052, Jan. 2014, doi: 10.3390/ijms15022024.

6. Ferré S., An update on the mechanisms of the psychostimulant effects of caffeine, J. Neurochem., vol. 105, no. 4, pp. 1067–1079, May 2008, doi: 10.1111/j.1471–4159.2007.05196.x.

7. Glade M. J., Caffeine — Not just a stimulant, Nutrition, vol. 26, no. 10, pp. 932–938, Oct. 2010, doi: 10.1016/j.nut.2010.08.004.

8. Koller W., Cone S., and Herbster G., Caffeine and tremor, Neurology, vol. 37, no. 1, pp. 169–169, Jan. 1987, doi: 10.1212/WNL.37.1.169.

9. Drake C. L., Jefferson C., Roehrs T. and Roth T., Stress-related sleep disturbance and polysomnographic response to caffeine, Sleep Med., vol. 7, no. 7, pp. 567–572, Oct. 2006, doi: 10.1016/j.sleep.2006.03.019.

10. James J. E. and Rogers P. J., Effects of caffeine on performance and mood: withdrawal reversal is the most plausible explanation, Psychopharmacology (Berl.), vol. 182, no. 1, pp. 1–8, Oct. 2005, doi: 10.1007/s00213-005-0084-6.

11. Grosso G., Godos J., Galvano F., Giovannucci E. L. Coffee, Caffeine and Health Outcomes: An Umbrella Review. Annu Rev Nutr. 2017 Aug 21;37(1):131–56.

12. Kolb H., Kempf K. and Martin S., Health Effects of Coffee: Mechanism Unraveled? Nutrients, vol. 12, no. 6, p. 1842, Jun. 2020, doi: 10.3390/nu12061842.

Что происходит, когда человек выпивает алкоголь

1. Abrahao K. P., Salinas A. G., Lovinger D. M. Alcohol and the Brain: Neuronal Molecular Targets, Synapses, and Circuits. Neuron. 2017 Dec.; 96(6): 1223–38.

2. Bjork J. M., Gilman J. M. The effects of acute alcohol administration on the human brain: Insights from neuroimaging. Neuropharmacology. 2014 Sep.; 84:101–10.

3. Palmer E., Tyacke R., Sastre M., Lingford-Hughes A., Nutt D., Ward R. J. Alcohol Hangover: Underlying Biochemical, Inflammatory and Neurochemical Mechanisms. Alcohol Alcohol. 1 May 2019; 54(3): 196–203.

4. Hendler R. A., Ramchandani V. A., Gilman J., Hommer D. W. Stimulant and Sedative Effects of Alcohol. В: Sommer W. H., Spanagel R., editors.. Behavioral Neurobiology of Alcohol Addiction [Internet]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; 2011. [cited 2020 Apr 27]. pp. 489–509. (Current Topics in Behavioral Neurosciences; vol. 13). Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-28720-6_135.

5. Boden J. M., Fergusson D. M. Alcohol and depression: Alcohol and depression. Addiction. 2011 May; 106(5): 906–14.

6. Harrison N. L., Skelly M. J., Grosserode E. K., Lowes D. C., Zeric T., Phister S. И др. Effects of acute alcohol on excitability in the CNS. Neuropharmacology. 2017 Aug.; 122:36–45.

7. Zale E. L., Maisto S. A., Ditre J. W. Interrelations between pain and alcohol: An integrative review. Clin Psychol Rev. 2015 Apr.; 37:57–71.

8. American Psychiatric Association, editor. Diagnostic and statistical manual of mental disorders: DSM-IV; includes ICD-9-CM codes effective 1. 1996 Oct.; 4. ed., 7. print. Washington, DC; 1998. 886 с.

* * *

Примечания

1

Карбид чрезвычайно бурно реагирует с водой, выделяя горючий ацетилен и тепло, поэтому эту смесь используют для сварки, а не наполняют ею огнетушители! — Прим. авт.

2

Премия Дарвина — это ежегодная виртуальная антипремия, которую присуждают людям, погибшим самыми идиотскими способами. Таким образом, победители исключают свои гены из генофонда человечества, увеличивая шансы на выживание нашего вида в будущем (это официальный, хоть и не бесспорный критерий присуждения награды, описанный на сайте премии). — Прим. авт.

3

Карликовый шимпанзе. — Прим. ред.

4

Надо сказать, что знание анатомии мозга — ценный навык и полезный маркер/признак, который помогает хотя бы примерно оценить компетентность человека, рассуждающего о мозге. Когда я зарегистрировалась на «Клабхаусе» и стала ходить по разным тематическим комнатам, где обсуждали психологию и связанные с ней темы, обратила внимание на то, что большинство «экспертов», назидательно рассказывающих что-то про нейробиологию, в 99 случаях из ста говорят просто «мозг». «Наш мозг хочет», «мозг решает», «мозг знает», «мозг управляет», «в мозге то», «в мозге это». На мой взгляд, человек, который хотя бы немного понимает в нейробиологии, будет более конкретен в описаниях: «префронтальная кора не может пересилить лимбическую систему, и вы идете на поводу у эмоций», «миндалина сигналит об опасности, и вы не можете перебороть страх собеседований», «кора переутомлена, и базальные ганглии включают режим автопилота, вот вы и забываете зайти в магазин после работы». Такие объяснения — тоже упрощения, далекие от точного описания нейробиологических процессов, но все же знание анатомии мозга увеличивает шансы, что человек перед вами более компетентен и примерно понимает, как работает мозг. Это как если человек говорит вам о поломке машины, но не может уточнить, где находится неисправность и какие детали, скорее всего, придется заменить, вы вряд ли поверите, что он автомеханик: вероятно, он обычный профан, и вряд ли стоит всерьез воспринимать его советы. — Прим. авт.

5

Белый цвет белому веществу придает миелин — это что-то вроде изоляции на электрических проводах, только эта изоляция обязательно имеет прорехи (перехваты Ранвье) и образована специальными клетками, оборачивающимися вокруг нервных отростков. Окруженные миелином нервные волокна быстрее распространяют сигнал, который мгновенно перескакивает с одного открытого участка (перехвата Ранвье) на другой, вместо того чтобы медленной волной распространяться вдоль отростка, как это происходит с немиелинизированными нервными волокнами. Такой же принцип использовали китайцы для передачи сигналов вдоль Великой Китайской стены. Вместо того чтобы отправлять гонца с сообщением на многие километры пути вдоль стены, строители оборудовали ее сигнальными башнями; когда кто-то из охранников замечал какую-то угрозу, в ближайшей башне немедленно зажигали огонь, его замечали в соседних башнях, и там тоже появлялись огни. За несколько десятков минут сигнал тревоги распространялся на сотни километров вдоль всей стены. Перехваты Ранвье работают чем-то вроде сигнальных башен, только сигнал они распространяют не огнями, а перепадами электрического напряжения на мембране (потенциалами действия).

6

Бывают еще и амбидекстры — это люди, которые прекрасно пишут, рисуют и работают обеими руками. Таких среди людей примерно 1 %. Любопытно, что слово «амбидекстр» переводится с латинского буквально как «оба правые», то есть обе руки работают как правая. Действительно, на девять правшей приходится всего один левша (и примерно одна десятая амбидекстра). — Прим. авт.

7

Термин «соматический» происходит от древнегреческого слова «сома», то есть относящийся к телу, телесный. Термин «висцеральный» имеет латинское происхождение: «висцера» — это буквально внутренности, то, что относится к внутренним органам. — Прим. авт.

8

Американский врач и нейробиолог, внес значительный вклад в физиологию, психиатрию и исследования мозга. — Прим. ред.

9

Новые области коры головного мозга, которые у низших млекопитающих только намечены, а у человека составляют основную ее часть. — Прим. ред.

10

Этот принцип лежит в основе кохлеарных имплантатов — устройств, которые помогают вернуть слух людям с повреждениями во внутреннем ухе: устройство переводит звуки определенной высоты в электрические разряды и передает их к нужным нейронам внутри уха в обход волосковых клеток, которые должны воспринимать звуковые колебания и активировать нейроны. — Прим. авт.

11

Вполне возможно, что слух начинает настраиваться еще до рождения: есть данные о том, что новорожденные младенцы по-разному реагируют на знакомые звуки и голоса, которые слышали еще в утробе, и новые звуки, слышимые впервые [1]. — Прим. авт.

12

По сравнению с палочками; по разным оценкам, колбочек в сетчатке 4,5–6 млн, а палочек — 90–120 млн. — Прим. авт.

13

Если у человека нет одного из типов колбочек, говорят о цветовой слепоте (дальтонизме). Неспособность различать зеленый и красный встречается довольно часто. Среди мужчин дальтоников намного больше (8 %), чем среди женщин (всего 0,5 %). Так получается, потому что пигменты красной и зеленой колбочек кодируются в половой X-хромосоме (у женщин их две, а у мужчин одна). Неспособность различать синий цвет (сине-желтый дальтонизм, или тританопия) встречается чрезвычайно редко — примерно один случай на несколько тысяч человек. — Прим. авт.

14

Из-за этого человек никогда не замечает, что двигает глазами сам: если встать перед зеркалом и переводить взгляд с правого глаза на левый, будет казаться, что взгляд неподвижный. Если же понаблюдать за тем, как это делает другой человек, мы увидим перемещения зрачков, которые сам человек заметить не в состоянии. — Прим. авт.

15

Зато благодаря этому появился кинематограф: фоторецепторы реагируют настолько медленно, что мы не замечаем склеек между статичными кадрами, которые меняются каждые 40 мс, и вместо этого видим на экране кино. — Прим. авт.

16

Надо сказать, что этот удивительный механизм неплохо работает только для контрастных объектов и только в определенном диапазоне скоростей, но все равно эта суперспособность сетчатки предсказывать будущее положение теннисного мяча поражает воображение. — Прим. авт.

17

Верхний порог слышимости с возрастом постепенно падает: дети могут слышать звуки частотой до 20 000 Гц, однако для взрослых людей эта граница сдвигается к 14–16 000 Гц [1]. — Прим. авт.

18

Ее еще называют базилярной мембраной. — Прим. авт.

19

Они называются стереоцилиями. — Прим. авт.

20

В приведенном контексте царство — это вполне солидный биологический термин. Помимо царства животных, к живым организмам с ядерными клетками относятся растения, грибы и протисты. Животные бывают позвоночными и беспозвоночными, и даже очень просто устроенные беспозвоночные, если они активно двигаются, обладают какой-никакой нервной системой. В целом у животных просматривается отчетливая закономерность: чем сложнее его поведение, тем сложнее устроены мозги. — Прим. авт.

21

Обычно число мышц оценивается в 640–650, но иногда доходит до 800 с лишним. — Прим. авт.

22

Думаю, люди, довольно трезво оценивающие сложность наших движений, — это даже не нейробиологи (по крайней мере, далеко не все), а инженеры-кибернетики, которые пытаются обучить роботов двигаться по пересеченной местности, не спотыкаясь и не теряя равновесия. При этом какие-нибудь тараканы справляются с этим намного лучше роботов, то есть для таких задач достаточно даже крохотных мозгов беспозвоночных. А чтобы создать нейропротез, не отличимый от человеческой руки, потребуются еще долгие годы разработок (будем надеяться, что когда-нибудь это все же случится). — Прим. авт.

23

Итальянский врач, анатом, физиолог и физик, один из основателей электрофизиологии и учения об электричестве. — Прим. ред.

24

Поскольку в мозге со сторонами тела и их управлением все непросто, в нейробиологии есть два удобных латинских термина: ипсилатеральный обозначает, что второй объект находится с той же стороны, что и первый, а контралатеральный — что второй объект находится на другой стороне тела. Например, за движение правой руки отвечает контралатеральное полушарие большого мозга и ипсилатеральная половина мозжечка. Когда объектов становится три, как в примере выше (рука, большое полушарие, мозжечок), словами «противоположный» и «с той же стороны» уже не обойдешься, получится слишком запутанно. — Прим. авт.

25

Об усреднении тут написано не просто так: индивидуальные карты тела в мозге людей могут очень заметно различаться. — Прим. авт.

26

В некоторой степени мы все-таки можем влиять на эти процессы, например, подавить желание покашлять или, наоборот, покашлять специально. — Прим. науч. ред.

27

Немецкий невролог и нейрофизиолог. — Прим. ред.

28

Немецкий невролог и нейрофизиолог. — Прим. ред.

29

Американский ученый-нейробиолог в области человеческого сознания. — Прим. ред.

30

Расстройство центральной нервной системы (головного мозга), которое проявляется непроизвольными двигательными и/или вокальными тиками (подергиваниями). — Прим. ред.

31

Сложное психоневрологическое расстройство, форма апраксии, при которой одна или обе руки действуют сами по себе, независимо от желания хозяина. — Прим. ред.

32

Любопытно, что для латинских названий все точно так же, как и в русском: cerebellum (мозжечок) по-латыни — это уменьшительно-ласкательная форма от cerebrum (мозг). — Прим. авт.

33

Именно благодаря работе мозжечка мы можем крутить головой и при этом не переставать читать: движения глаз, шеи и головы отлично скоординированы, и мы можем точно зафиксировать взгляд на строчках, как угодно поворачивая голову. Однако если вертеть книгу или дисплей, строчки уже не прочитаешь — у нас нет внутреннего отдела, который с той же точностью может синхронизировать движение объекта в руках, как это получается для глаз и головы. — Прим. авт.

34

Вообще-то правильнее называть их базальными ядрами: когда-то ученые решили навести порядок в терминологии и договорились, что скопления клеток в мозге надо называть ядрами, а ганглии — это скопления нейронов в периферической нервной системе. Тем не менее правильное название не особенно прижилось: исследователи по привычке говорят и пишут о ганглиях, а поскольку базальные ганглии как раз и отвечают за формирование привычек, я буду уважать привычки и традиции и называть их именно ганглиями. — Прим. авт.

35

Темный цвет черной субстанции придает нейромеланин, который образуется из дофамина и откладывается в дофаминовых нейронах. Так что у пациентов с болезнью Паркинсона черная субстанция бледнеет по мере того, как разрушаются дофаминовые клетки. — Прим. авт.

36

Об этом я прочитала в русской «Википедии»: у этой песни есть своя отдельная статья на этом ресурсе — такое, вообще-то, не так уж часто случается с песнями. Так вот, в 2015 году журнал «Русский репортер» составил рейтинг самых известных песен, и «Есть только миг» заняла там 14-е место [1]. — Прим. авт.

37

Американский психолог и физиолог, специалист в области поведенческой психологии и нейропсихологии. Известен исследованиями связи характеристик головного мозга со способностями к обучению и механизмами памяти. — Прим. ред.

38

Это не шутка: один раз исследователи решили проверить, что будет делать Генри Молисон, если принести ему два довольно внушительных ужина один за другим. Генри с аппетитом съел первую порцию, а когда вслед за этим ему принесли вторую, съел и ее в том же неторопливом темпе, что и первую, оставив нетронутым только салат. Когда его спросили, в чем дело, он просто пояснил, что закончил с едой [4]. — Прим. авт.

39

Английский натуралист, писатель, основатель Джерсийского зоопарка и Фонда охраны дикой природы, которые сейчас носят его имя. — Прим. ред.

40

Нейроны в этом случае гибнут в результате апоптоза: ионы кальция, поступающие в клетку во время возбуждения нейрона, чрезмерно накапливаются, запуская каскад биохимических реакций, в результате чего в нейроне запускается программа запрограммированной гибели. — Прим. авт.

41

Одним из самых известных савантов был Ким Пик, ставший прототипом Человека дождя из одноименного фильма. Ким Пик мог дословно воспроизвести содержание примерно 12 тысяч книг (!). Он страдал множеством расстройств, у него была нарушена координация, и он многое не мог делать самостоятельно. Почти все свободное время он проводил за чтением или демонстрацией своих уникальных способностей. При этом на тестах IQ он показывал весьма заурядный результат (87 баллов) [27]. — Прим. авт.

42

Флешбэк — термин, пришедший из кино и означающий яркий образ или воспоминание из прошлого, возникающее непроизвольно. — Прим. ред.

43

Немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик. — Прим. ред.

44

Сейчас нейробиологи располагают множеством удивительных технологий: мы можем просветить мозг человека и получить изображения с точностью до одной тысячной мм^3 (правда, такая точность возможна только для посмертного снимка — живой человек просто не может лежать настолько неподвижно, чтобы добиться такого разрешения). Мы умеем получать животных, у которых можно сравнительно легко возбудить или затормозить любые интересующие ученых нейроны, определять, какие белки синтезируют нейроны, и заблокировать у них активность почти любого гена. Мы даже умеем выращивать мини-мозги из отдельных стволовых клеток в пробирке, и эта технология дает надежду, что когда-нибудь мы сможем лечить нейродегенеративные заболевания. Тем не менее концептуальный прорыв в науках обычно отстает от технологического: многие ученые продолжают исследовать свои объекты по старинке, опираясь на идеи и теории ученых, работавших в первой половине ХХ и даже в XIX веке. Некоторые из этих идей до сих пор актуальны, другие уже устарели и требуют пересмотра, однако это очень небыстрый и неоднородный процесс. — Прим. авт.

45

«— Где ты была сегодня, киска? — У королевы у английской. — Что ты видала при дворе? — Видала мышку на ковре». (С. Я. Маршак). — Прим. авт.

46

В английском языке это состояние называется mind wandering — дословно «блуждающий разум»: это то самое состояние, когда человек думает о всяком, оставленный наедине со своими мыслями, погруженный в себя. — Прим. авт.

47

Название «дефолт-система» мне нравится больше, чем «сеть пассивного режима работы»: во-первых, режим не такой уж пассивный, раз на эту работу уходит так много энергии (разница между пассивным и активным режимами составляет всего 5 % потребления). Во-вторых, участки этой сети вовлечены и в другие типы активности, о чем я рассказываю ниже. — Прим. авт.

48

За 2020 год в базе научных публикаций PubMed индексируется более тысячи работ, имеющих отношение к дефолт-системе мозга, — в 2003 году таких работ было всего две. — Прим. авт.

49

Здесь идет речь о так называемой Theory of Mind (англ.), общепринятого перевода на русский язык пока не существует. — Прим. авт.

50

Вообще-то этот вопрос не настолько однозначен и зависит от того, что мы называем сном. По крайней мере, у всех исследованных животных с нервной системой есть периоды покоя, когда они неактивны и невосприимчивы к окружающему. Считать это сном или нет, зависит от того, как мы определяем состояние сна: строение животных и их образ жизни до того разнообразны, что придумать универсальные критерии сна для всего этого зоопарка — это отдельный научный квест. У кого-то нет глаз, кто-то всю жизнь не сдвигается с места, кто-то живет, спрятавшись в своей ракушке, у многих не мозги, а просто цепочка нервных ганглиев вдоль всего тела… А у некоторых животных, хоть с ними и нет проблем такого рода, сон устроен и вовсе удивительным образом. Например, дельфины не могут спать как люди и другие наземные животные, укрывшись в укромном месте где-нибудь на дне моря. В этом случае они просто задохнутся в воде: дельфину необходимо постоянно выныривать, чтобы вдохнуть воздух. Поэтому два полушария мозга дельфина спят по очереди, чтобы он мог все время двигаться и дышать. Наблюдая за дельфином, невозможно сказать о том, что он спит, для этого необходимо специальное оборудование для записи работы дельфиньего мозга. — Прим. авт.

51

Еще одно интересное соображение о том, насколько важно выключать эти нейромедиаторы, заключается в том, что их постоянное присутствие в мозге вызывает привыкание и снижает чувствительность рецепторов к ним: мозг перестает чутко реагировать на их присутствие. Тогда временное удаление этих нейромедиаторов помогает восстановить чувствительность рецепторов, чтобы они могли дальше выполнять свою роль [8]. — Прим. авт.

52

Речь идет о неправильно свернутых белках, то есть цепочка аминокислот у белка правильная, а вот сворачивание ее в клубок и образование внутренних слабых связей, которые придают ему нужную форму, идет не так, как задумано. В этом случае белок не может выполнять свою работу и его необходимо утилизировать, освободив место правильной копии. В клетке есть специальные системы переработки мусора, которые как раз работают с такими белками. Однако существуют так называемые прионоподобные белки, с которыми все намного сложнее. Неправильно свернутый прионный белок каким-то образом заставляет другие такие же белки сворачиваться тем же самым образом — такие неправильно свернутые молекулы слипаются и образуют агрегаты, способные убить клетку, в которой они накапливаются (а новые здоровые копии клетка сделать не может — все они сворачиваются неправильно). Прионные белки вызывают прионные болезни, а прионоподобные могут вести себя похоже и вызывать некоторые нейродегенеративные заболевания — например, болезни Альцгеймера и Паркинсона. — Прим. авт.

53

Напиток из высушенных и измельченных листьев падуба парагвайского. — Прим. ред.

54

Компьютерная ролевая игра (англ. Computer Role-Playing Game, обозначается аббревиатурой CRPG или RPG). — Прим. ред.

55

Ученые до сих пор пытаются понять, чем конкретно заняты разные аденозиновые рецепторы в мозге. Одна из недавних гипотез заключается в том, что первый тип рецепторов отвечает за потребность во сне, то есть за то, насколько усталыми мы себя чувствуем (а заодно влияет на продолжительность разных фаз сна — прежде всего на медленноволновой сон и фазу быстрого сна), а второй участвует в переключении режимов: с бодрствования на сон [4]. Забегая вперед, стоит сказать, что кофеин хорошо связывается с обоими типами рецепторов, хотя, по всей видимости, А1-рецепторы вырабатывают толерантность к длительному воздействию кофеина, а А2А, похоже, нет [6]. — Прим. авт.

56

Время, необходимое для того, чтобы содержание кофеина в организме снизилось вдвое. — Прим. авт.

57

Неконтролируемая дрожь в теле человека, обычно в руках и голове; может затронуть челюсть, язык, лицо и ноги, привести к дрожанию голоса. — Прим. ред.

58

В России, согласно КоАП 12.8, эта доза не должна превышать 0,16 мг на литр выдыхаемого воздуха, или 0,3 ‰. — Прим. авт.

59

Хотя частое употребление алкоголя вдвое повышает риск развития депрессивных расстройств [5]. — Прим. авт.

60

Американский психолог, считается одним из основателей современной нейробиологии. — Прим. ред.

61

Канадский нейробиолог и психофизиолог; в 1954 году открыл центр удовольствия в головном мозге. — Прим. ред.

Content

Елена Белова
Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Пролог: почему самоубийства удивляют сильнее квантовой физики

Глава 1 Как устроен наш мозг

Глава 2 Что находится выше мозгового ствола? Краткий путеводитель по строению мозга

Глава 3 Как все это работает

Глава 4 Как мы воспринимаем мир

Глава 5 Как устроено зрение. Как устроен глаз

Глава 6 Как устроен слух

Глава 7 Кто такой кортикальный гомункул и как он появился

Глава 8 Кто есть кто: как кора головного мозга управляет движениями

Глава 9 Почему так непросто сохранять непроницаемое лицо

Глава 10 Маленький мозг и большой мозг: баланс, координация, тайминг

Глава 11 Быть или не быть: как работают базальные ганглии

Глава 12 История изучения памяти

Глава 13 Как работает гиппокамп

Глава 14 Жизненный цикл воспоминания

Глава 15 Сколько может запомнить человек?

Глава 16 Почему забывать важно?

Глава 17 Что происходит с мозгом, когда…

Глава 18 Что происходит, когда человек спит

Глава 19 Что происходит, когда человек пьет кофе

Глава 20 Что происходит, когда человек выпивает алкоголь

Эпилог

Список источников

Примечания