Тимоти Верстинен - Мозг зомби
Например, в знаменитом эксперименте на живой свинье Гален пытался найти нервы, участвующие в контроле дыхания, когда случайно перерезал возвратный гортанный нерв, который контролирует мышцы гортани (голосовые связки). Живая свинья моментально перестала визжать, но продолжала двигаться и дышать. Он обнаружил нерв, который отвечает за голосовые связки, так, как совершались многие научные открытия, – абсолютно случайно.
Гален также был врачом римских гладиаторов, парней, крайне склонных к травмам. В процессе лечения этих зачастую жестоко покалеченных мужчин он наблюдал, как ранения позвоночника влияли на поведение, в частности вызывали паралич ниже уровня раны. Он продолжил работу, экспериментируя на животных, и заметил, что разрез спинного мозга у ствола головного мозга убивал животное. Эти наблюдения дали нам первые знания о том, как ответвления спинного мозга контролируют конечности.
К сожалению, после Галена был долгий перерыв в накоплении знаний о мозге, пока Просвещение не возродило идею научного метода. В начале XIX века Мари-Жан-Пьер Флуранс[5] проводил эксперименты, похожие на галеновские, только в основном на кроликах и голубях. Он вырезал у подопытных животных разные участки мозга, чтобы понять их связь с поведением. Он обнаружил, что в зависимости от удаленной зоны животные теряли способность координировать сокращение мышц, контролировать дыхание или исполнять определенные когнитивные функции. Эти результаты обеспечили ранний, но ценный вклад в понимание того, как мозг поддерживает в нас жизнь.
Начиная с Промышленной революции и вплоть до изобретения медицинским сообществом первых технологий визуализации мозга в 40–50-х гг. XX века эти классические наблюдения составляли основу неврологической литературы, и это было все, что имелось у врачей.
Теперь представьте, что на дворе 1916 г. и вы – военный врач. У вас есть солдат, который выжил при взрыве и получил контузию. Он вырубился на какое-то время, но потом очнулся, и теперь он в сознании, но ему трудно писать и держать в руках вилку во время еды.
Как вы диагностируете его поведение? Помните, у вас нет инструментов визуализации мозга. Вы не можете получить изображение мозга пациента и сказать: «Мне жаль, но, похоже, у вас поврежден мозжечок, поэтому вам трудно писать, но вот что мы можем сделать».
В работе, чтобы поставить диагноз, вам необходимо опираться на предшествующие исследования, в основном проделанные на животных, как те, что проводил Флуранс на кроликах и голубях. Поэтому, если вы хотите понять, какая область мозга повреждена у солдата, после чего он забыл, как пользоваться обыденными предметами вроде зубной щетки, вам нужно объединить свой любознательный исследовательский ум с обширным знанием из предшествующей неврологической литературы, и все это – с куда более скудной технологией, что мы имеем сейчас. Мы находимся в том же положении, когда пытаемся понять, что случилось с мозгом зомби. Так как мы не можем заполучить настоящего зомби и засунуть его в прибор МРТ, нам придется вернуться к классическому методу диагностики с помощью наблюдения. Нашим первым шагом в этой задаче диагностики мозга зомби будет изучение базовой схемы мозга и различных его частей. Это поможет нам, когда мы попытаемся разобраться, что пошло не так в мозге зомби.
Широкая биологическая сеть передачи данных
Мозг – это орган, который управляет всем произвольным поведением. Это он вытаскивает вас из постели утром. Он позволяет вам наблюдать закат, нюхать розу, пробовать шоколад, бить по футбольному мячу или бросать боевой топор в голову приближающегося зомби.
По сути, мозг – всего лишь набор миллиардов крошечных клеток, называемых нейронами и глией. Нейроны работают как маленькие операторы ввода-вывода, как транзисторы в компьютерах, но чуть более сложные. У них наверху есть маленькие ветки, которые называются дендритами и позволяют им слушать другие нейроны. Информация из этих ответвлений проходит через главную часть клетки, называемой телом или сомой. Это то, что дает серому веществу, ткани мозга, которая содержит нейроны, ее имя[6]. Ткань с плотными телами клеток выглядит слегка темнее, чем без них. Информация от дендритов интегрируется в тело клетки, и принимается решение «стрелять». Это не настоящая стрельба, а начало электрохимического сигнала, который передается от нейрона по длинному усику, – аксону. Аксоны иногда называют белым веществом, потому что на вид они белые. По сути, аксоны можно считать биологическими проводами компьютера, которым является наш мозг. На конце у каждого аксона есть маленькие ответвления, терминали аксона, которые связываются с дендритами других клеток. Если дендриты – это ветви дерева, то аксон – его ствол, а терминали – корни.
Каждый нейрон общается с другими нейронами, порождая электрический заряд, который приводит к тому, что клетка аксона выстреливает химические вещества в маленькую щель между терминалями и дендритами другой клетки. Эта щель называется синаптической. Химические вещества (известные как нейротрансмиттеры и нейромодуляторы) меняют напряжение следующей клетки, подводя ее к состоянию, при котором она выстрелит свой потенциал действия. Этот процесс передачи – фундаментальный вычислительный процесс мозга: клетка решает стрелять (или не стрелять) на основе сигналов, которые посылает ей (или не посылает) связанная с ней клетка. Мы обсудим это подробнее в следующей главе.
Но как же другие клетки, о которых мы обмолвились, глия? Долгое время нейроученые думали, что они что-то вроде команды поддержки для нейронов. Они подчищают грязь, которая возникает, когда нейроны выстреливают повсюду нейротрансмиттерами. Еще они поддерживают здоровье нейронов и взаимодействие между клетками. Хотя модель команды поддержки пока подтверждается, становится все очевиднее, что глия – это нечто поважнее. Каждый год все больше исследований показывают, что глия тоже делает вычисления. Однако в чем они заключаются и как это связано с поведением, еще остается великой тайной.
Но все же, как это способствует работе мозга?[7]
Нам уже некоторое время известно, что мозг – это огромная взаимосвязанная сеть. Конечно, ранние оценки того, насколько велика эта сеть, были слегка преувеличены. Возьмем, к примеру, заголовок статьи из газеты New York Times 25 июня 1933 г.: «Телефонные провода мозга насчитывают единицу с 15 млн нулей: Ученые говорят, что цифра столь огромна, что астрономия блекнет в этом сравнении». Учитывая, что мы знаем размеры нейронов и их аксонов, мозг такого объема занял бы места побольше, чем Солнечная система. Но хотя это число слегка преувеличено, у нас и впрямь много нейронов: где-то между 80 и 100 млрд клеток с сотней или десятками тысяч связей у каждой. По сути, мозг работает как огромная компьютерная сеть с триллионами взаимосвязанных участков.
Чтобы было с чем сравнить, по отчетам сетевой компании Cisco, в 2013 г. было зарегистрировано около 10 млрд активных связей во всем Интернете[8]. Во всем Интернете вплоть до 2020 г. будет не больше 50 млрд связей. Это значит, что ваш мозг почти в 100 000 раз более тесно связан, чем весь Интернет.
Однако, если вы сделаете шаг назад и взглянете на мозг без микроскопа, первое, что вы заметите, – что он очень сморщен. Ткань идет морщинками, как морда шарпея. Это потому, что ему едва хватает места в черепе, чтобы вместить все клетки. И ткань укладывается насколько возможно компактно. Эти горы складок называются извилинами, а их «долины» – бороздами. Наша задача как нейроученых – понять, какие горы позволяют нам видеть лица, какие долины дают нам возможность двигать руками и какой нейронный код способствует общению между извилинами и бороздами.
Атлас мозга
В этой книге мы в основном будем фокусироваться на горах и долинах мозга, а также на удивительно сложных собраниях нейронов (называемых ядрами), погребенными глубоко в мозге. На первый взгляд может показаться, что мозг – лишь набор случайных морщинок и складок, но по правде он очень логично организован. Давайте рассмотрим разные части, которые составляют человеческий мозг.
Мозг рептилий
Наше путешествие по человеческому мозгу начинается с области, уже связанной с зомбизмом. В романе «Аутопсии зомби» (The Zombie Autopsies, 2012) психиатр Стивен Шлозман утверждает, что у ходячих мертвецов мозг разрушен таким образом, что сохранным остается только «крокодилий» мозг, или мозг рептилий.
Что такое крокодилий мозг и чем он отличается от других частей мозга?
Нейроученый Пол Маклин закрепил в науке идею о примитивном мозге рептилий, который сидит в каждом из нас. Эта мысль потом была популяризована Карлом Саганом, который заложил ее в основу книги «Драконы Эдема» (The Dragons of Eden). Теория Маклина заключается в «триединой модели мозга»: автор полагает, что мозг состоит из трех отдельных комплексов (названия пока не важны, и ради цельности изложения мы назовем их комплексами рептилий, палеолитных млекопитающих и новых млекопитающих). Эти анатомические разграничения до сих пор используются.
