Удивительные факты о нашем мозге

Прежде всего давайте поближе познакомимся с нашим главным инструментом – головным мозгом. Если вы хотите получить максимум от своего мозга, то должны знать, как он работает и каким образом от него можно добиться оптимальной интеллектуальной продуктивности.

3.1. 160 миллиардов клеток и 8 квадриллионов [4]  соединений

Человеческий мозг – самый сложный из всех известных нам физических объектов во Вселенной. Пресловутая Всемирная паутина со всеми ее серверами, точками доступа, широкополосными магистральными сетями, маршрутизаторами, модемами, хабами, мостами, коммутаторами и миллиардами подключенных к ней компьютеров – проста и примитивна по сравнению с мозгом человека.

В нашем мозге находится около 80 млрд нейронов (от греческого слова «волокно») 10 000 различных типов. Каждый нейрон функционирует как крошечный компьютер или микропроцессор, обрабатывающий электрические сигналы. Одновременно он действует как химическая фабрика, обмениваясь химическими сигналами с другими нейронами. Эти химические сигналы, а точнее – вещества называются нейромедиаторами или нейропередатчиками, поскольку передают сообщения от одного нейрона к другому. Нервные клетки влияют не только друг на друга, но и на связи между другими клетками. Один из важных нейромедиаторов – дофамин, который, помимо прочего, создает у нас ощущения радости и счастья. Есть нейромедиаторы, чье действие похоже на опиум: они снимают боль и вызывают ощущение удовольствия. О них мы поговорим чуть позже, чтобы лучше понять, почему так трудно отключиться от Интернета и почему у многих людей развивается настоящая зависимость от него.

Кроме того, в нашем мозге около 80 млрд глиальных клеток. До недавнего времени считалось, что они играют лишь вспомогательную роль: окружая нейроны, они выполняют опорную и защитную функцию, обеспечивают многообразные метаболические процессы и создают матрицу для развития. Поскольку нейроны обновляются не так регулярно, как большинство других клеток нашего организма, глиальные клетки заботятся о них, создавая все условия для нормального функционирования. Однако в последнее время ученые все чаще сходятся во мнении, что клетки глии также участвуют в мыслительных процессах посредством того, что влияют на связи между нейронами {8}. Кроме того, как мы узнаем в главе о сне, глиальные клетки отвечают за управление отходами. Представляете, насколько важна эта функция в ткани, где клетки ежесекундно производят огромное разнообразие химических веществ!

Таким образом, общее количество клеток головного мозга, помогающих нам обрабатывать информацию, составляет примерно 160 млрд. Это в 48 раз больше, чем пользователей Интернета на всей нашей планете в 2012 году. И в два раза больше, чем звезд в Млечном Пути.

Каждый нейрон связан с от 1 000 до 400 000 других нейронов. Это дает нам больше 8 квдрлн постоянно меняющихся соединений. Если рассматривать везикулы[5] как транзисторы, то наш мозговой компьютер содержит 400 квдрлн транзисторов. (См. приведенную ниже иллюстрацию.)

Наш мозг представляет собой супер‑супер‑суперкомпьютер или, точнее говоря, миллиарды микрокомпьютеров, соединенных в сложнейшую сеть, состоящую из сетей, которые в свою очередь состоят из сетей, и т. д. Каждая нервная клетка сама по себе функционирует как маленькая сеть. Чтобы сохранить новую информацию или навык, нам не нужны новые нейроны – достаточно создать новые соединения. И значительная часть процессов по созданию новых, разрыванию ненужных и восстановлению поврежденных соединений происходит у нас во время сна.

До недавнего времени считалось, что эти соединения во многом похожи на медные провода, которые передают электрические сигналы между клетками быстро (со скоростью около 400 км/ч), но пассивно. Однако оказалось, что эти «провода» функционируют вовсе не пассивно. Они регулируют поток сигналов, некоторые из них могут отправлять обратно и в целом активно участвуют в обработке информации {9}. Это делает общую, совокупную вычислительную мощность нашего мозга и вовсе непостижимой для нашего ума (извините за парадокс!). В таблице ниже приведены основные численные характеристики этой удивительной сети.

Для тех, кому интересно, коротко расскажу, как клетки мозга передают друг другу информацию. В ходе этого объяснения также станет понятно, каким образом нейрон способен функционировать одновременно как компьютер и как химическая фабрика. Нейроны получают информацию, обрабатывают ее и передают другим нейронам. Сигнал, производимый нейроном, передается другому нейрону через аксон (от греческого слова «ось»). Сигнал проходит по аксону как электрический ток. Аксоны могут иметь длину от нескольких микрометров, если соединяют близлежащие нейроны, до полутора метров, как те, которые доставляют информацию в большой палец ноги. Аксон разветвляется на конце, чтобы соединиться с дендритами (от греческого слова «дерево», поскольку по виду они действительно напоминают ветвящуюся крону дерева) других нейронов.

Места контактов между нейронами называются синапсами (от греческого слова «застежка»). Однако кончики аксонов и дендритов прилегают друг к другу не вплотную, между ними имеется узкое пространство – синаптическая щель. Поступающий по аксону электрический сигнал воздействует на пузырьки‑везикулы, расположенные на кончиках отростков, и запускает в них выработку химических веществ (нейромедиаторов). Когда этот процесс завершается, везикулы открываются и выбрасывают эти вещества в синаптическую щель. Химические вещества достигают противоположной мембраны и поглощаются ее рецепторами. Там они запускают различные виды химических реакций, которые вызывают либо возбуждение, либо торможение нейрона. Этот нейрон, в свою очередь, может выработать свой электрический сигнал, чтобы передать информацию другим нейронам.

Таким образом, протекающий в синапсах процесс никак не является пассивной передачей электрического импульса, как это происходит на стыке двух медных проводов. Каждый синапс преобразует электрический сигнал в химический и обратно. Он функционирует как система сложных передатчиков, которая активно влияет на сигнал: усиливает или ослабляет его – в том числе и под влиянием других сигналов, исходящих от соседних нейронов. Синапс также может посылать сигналы обратной связи к телу нейрона. И весь этот процесс занимает около миллисекунды.

Короче говоря, каждый синапс похож на микросхему, состоящую из множества транзисторов‑передатчиков. Тысячи синапсов‑микросхем функционируют как микропроцессорная система, которая вместе с другими компонентами клетки превращает каждый нейрон в настоящий компьютер.

Нейроны тоже не передают сигналы пассивно. В зависимости от специализации нейрона, поступающие на его рецепторы химические вещества могут запускать различные виды биохимических реакций. В конечном итоге эти реакции могут порождать новый электрический сигнал и передавать его по аксону сети других нейронов.

Все 160 млрд клеток головного мозга находятся в активном рабочем режиме. Вместе они выполняют десятки тысяч задач одновременно, без какого‑либо центрального контроля и даже без сознательного участия с нашей стороны. В этой гигантской сложнейшей сети нет центрального пункта управления, где принимались бы все решения. Частично такую функцию выполняют так называемые «биологические часы», которые синхронизируют триллионы операций. Это то, что ИТ‑специалисты называют распределенными вычислениями, только с таким уровнем сложности, который при современном уровне развития техники кажется недостижимым.

Еще одна потрясающая особенность нашего мозга – его удивительная надежность: он практически безотказен. Мы можем потерять множество клеток в результате естественного старения или из‑за травмы. Но это не нанесет ущерб всей системе. Возможно, такая способность объясняется тем, что наш мозг непрерывно программирует и перепрограммирует себя, создает новые связи и перестраивает старые. Благодаря этому он способен изменять и исцелять себя сам, особенно когда мы спим. Эти процессы происходят постоянно в масштабах отдельных клеток или групп клеток, но даже большие части мозга могут брать на себя функции других его частей. Это тоже пока недостижимая мечта для ИТ‑специалистов. Ведь один неисправный транзистор в компьютере может вывести из строя весь микропроцессор {10}.

Если вы хотите узнать больше об этой особенности нашего мозга, прочитайте увлекательную книгу Нормана Дойджа «Пластичность мозга» (The Brain That Changes Itself) {11}.

Короче говоря, наш главный рабочий инструмент – головной мозг – это самый фантастический компьютер, который только можно себе представить. Его возможности настолько ошеломительны, что их пока что не под силу осознать самому человеческому мозгу. В таблице я привожу для сравнения данные по нейронному компьютеру SpiNNaker, самому продвинутому симулятору мозга на нынешний момент. Невероятно, но факт: создатели компьютера, моделирующего на самом примитивном уровне не более 1 % нашего мозга, гордятся, что разработанные по индивидуальному заказу микросхемы потребляют всего 1 Вт электроэнергии каждая, и что весь компьютер в законченном виде будет потреблять всего 50 000 Вт. Вес же его – чуть больше 400 кг {12}. Следовательно компьютер, примитивно моделирующий человеческий мозг, должен быть размером с огромный ангар, весить 40 000 тонн и потреблять столько мегаватт электроэнергии, сколько вырабатывают три мощные АЭС. А заключенный в нашей черепной коробке комок мозгового вещества, обладающий несоизмеримо большей вычислительной мощностью, весит чуть больше килограмма и потребляет всего 30 ватт. Согласитесь, человеческий мозг – поистине удивительный и уникальный феномен!