Почему мозги такие морщинистые

Как мы обсудили, эволюция нашего мозга двигалась изнутри, добавлялись новые прикольные штуки поверх существующей модели. Но строительство изнутри имеет свои минусы, потому что потребность человека появляться на свет через влагалище накладывает ограничение на размер головы.

Поэтому эволюции пришлось ухитриться. Поскольку кора очень тонкая, она масштабируется с увеличением площади поверхности — то есть, если создавать много складок (то есть обе стороны укладываются в пространство между двумя полушариями), можно утроить область поверхности мозга, не увеличивая сильно в объеме. Когда мозг только-только появляется в утробе, он гладкий — складки образуются в последние два месяца беременности.

Если извлечь кору из мозга, можно расстелить 2-миллиметровый квадратный лист мозга площадью 48 х 48 сантиметров. Салфетка для ужина.

Эта салфетка — место, где происходит большинство действий в вашем мозгу, — именно поэтому вы можете думать, двигаться, чувствовать, видеть, слышать, помнить, говорить и понимать язык. Шикарная салфетка, как ни крути.

И помните, что вы желейный шар? Когда вы пытаетесь себя осознать, все это происходит в коре. То есть вы не желейный шар, вы — салфетка.

Магия складок в увеличении размера салфетки очевидна, когда мы помещаем остальной мозг поверх нашей снятой коры.

Так что, хоть и не идеально, современная наука приобрела определенное понимание общей картины, когда речь заходит о мозге. В принципе, мы неплохо понимаем и меньшую картину. Давайте проверим?

Мозг вблизи

Аксон, длинный отросток нейрона, который несет информацию, имеет микроскопический диаметр — слишком маленький для изучения. Но в 1930-х годах английский зоолог Дж. З. Юнг выяснил, что кальмары могут перевернуть наше представление о мозге, потому что у кальмаров невероятно большие аксоны в телах и над ними можно проводить эксперименты. Через несколько десятилетий, используя большой аксон кальмара, ученые Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли определенно выяснили, как нейроны передают информацию: потенциал действия. Вот как это работает.

Прежде всего, существует много различных видов нейронов:

Для простоты мы обсудим простой, обычный нейрон — пирамидальную клетку, подобную той, что можно найти в моторной коре.

Когда другие нейроны передают информацию нашему, то либо с ним ничего не происходит, либо он выдает потенциал, промежуточного варианта нет. Он не может быть немножко под напряжением или слишком под напряжением — либо он под ним, либо нет, и всегда в определенной степени.

Когда это происходит, импульс электричества (в виде кратковременного разворота нормального заряда его тела с отрицательного на положительный, а затем быстрого возврата к нормальному отрицательному) проходит через его тело (аксон) в его терминали аксона нейрона.

Вот так обычно информация движется через нервную систему — химическая информация, посылаемая в крошечном пробеле между нейронами, запускает передачу электрической информации через нейрон — но иногда, когда организму нужно быстрее перемещать сигнал, нейрон-нейронные соединения могут быть электрическими сами по себе.

Потенциалы действия движутся от 1 до 100 метров в секунду. Одной из причин этого большого разброса является то, что другой тип клеток нервной системы — клетка Шванна — выступает в роли заботливой бабушки и постоянно обертывает некоторые типы аксонов слоями жировых одеял, называемых миелиновой оболочкой. Примерно так:

Помимо защиты и изоляции, миелиновая оболочка является основным фактором в темпе коммуникации — потенциалы действия движутся гораздо быстрее через аксоны, когда покрыты миелиновыми оболочками.

Один хороший пример разницы в скорости, созданной миелином: вы знаете, каково это, когда вы ушибаетесь пальцем, ваше тело дает вам одну секунду на размышление, чтобы понять, что вы только что сделали и что вы сейчас почувствуете, прежде чем накатывает боль? Вы одновременно ощущаете удар мизинца о что-то твердое и острую часть боли, потому что острая информация о боли посылается в мозг через миелинизированные аксоны. Требуется секунда или две, чтобы появилась тупая боль, потому что она посылается через немиелинизированные «С-волокна» — на скорости метра в секунду.

Нейронные сети

Нейроны в чем-то похожи на компьютерные транзисторы — они также передают информацию на бинарном языке нулей и единиц (0 и 1), без срабатывания и со срабатыванием потенциала действия. Но, в отличие от компьютерных транзисторов, нейроны мозга постоянно меняются.

Помните, когда вы учитесь чему-то новому, и у вас хорошо получается, а на следующий день вы пытаетесь снова, но уже ни хрена? Дело в том, что вчера вам помогала в обучении концентрация химических веществ в сигналах между нейронами. Повторение вызывало изменение химических веществ, вы становились лучше, но на следующий день химические вещества вернулись в норму, поэтому и улучшения сошли на нет.

Но если вы продолжите практиковаться, вы в конце концов будете хорошо разбираться в чем-то, и это уже надолго. Вы как бы говорит мозгу «мне это нужно не на один раз», и нейронные сети мозга отвечают, соответствующим образом внося структурные изменения. Нейроны меняют форму и местоположение и укрепляют или ослабляют различные связи таким образом, чтобы создать сеть путей к навыку, к умению что-то делать.

Способность нейронов менять себя химически, структурно и даже функционально позволяет нейронной сети вашего мозга оптимизировать себя под внешний мир — это явление называют пластичностью мозга. Мозг младенца наиболее пластичный. Когда рождается ребенок, его мозг понятия не имеет, к какой жизни ему готовиться: к жизни средневекового воина, которому придется освоить фехтование, музыканта 17 века, который должен будет выработать точную мышечную память для игры на клавесине, или современного интеллектуала, которому придется хранить и работать с колоссальным количеством информации. Но мозг младенца готов менять себя под любую жизнь, которая его ожидает.

Младенцы — звезды нейропластичности, но нейропластичность сохраняется на протяжении всей нашей жизни, поэтому люди могут расти, меняться и учиться новому. И именно поэтому мы можем формировать новые привычки и ломать старые — ваши привычки отражают существующие схемы в вашем мозге. Если вы хотите изменить свои привычки, вам придется проявить большую силу воли, чтобы переписать нейронные пути мозга, но если вы постараетесь, мозг наконец поймет и изменит все эти пути, после чего новое поведение больше не будет требовать силы воли. Ваш мозг физически превратит изменения в новую привычку.

Всего в мозге насчитывается около 100 миллиардов нейронов, составляющих эту невероятно обширную сеть — подобно количеству звезд в Млечном Пути. Около 15-20 миллиардов этих нейронов находятся в коре, остальные — в других частях вашего головного мозга. Удивительно, что даже в мозжечке в три раза больше нейронов, чем в коре.

Давайте уменьшим масштаб и посмотрим на другое поперечное сечение мозга. На этот раз разрежем не вдоль, а поперек.

Вещество мозга можно разделить на так называемое серое и белое вещество. Серое вещество на самом деле выглядит темнее и состоит из клеточных тел (сом) нейронов мозга и их зародышей дендритов и аксонов — наряду с другим материалом. Белое вещество состоит в основном из электропроводных аксонов, переносящих информацию из сомы в другие сомы или в месте назначения в теле. Белое вещество белое, потому что эти аксоны обычно обертываются в миелиновую оболочку, которая представляет собой белую жирную ткань.

В мозге есть две основные области серого вещества: внутренний кластер лимбической системы и частей ствола мозга, о которых мы говорили выше, и толстый слой коры, покрытый двухмиллиметровым слоем коры снаружи. Большой кусок белого вещества между ними состоит в основном из аксонов кортикальных нейронов. Кора представляет собой большой командный центр, и из массы аксонов в его составе исходит множество ее приказов.

Крутейшая иллюстрация этой концепции — это набор художественных представлений, сделанных доктором Грегом Данном и Брайаном Эдвардсом. Посмотрите на четкую разницу между структурой внешнего слоя коры серого вещества и белым веществом под ним.

Эти кортикальные аксоны могут передавать информацию в другую часть коры, в нижнюю часть мозга или через спинной мозг — супермагистраль нервной системы — и в остальную часть тела.

Давайте посмотрим на нервную систему целиком.

Нервная система разделена на две части: центральная нервная система — ваш мозг и спинной мозг — и периферическая нервная система — состоящая из нейронов, которые исходят из спинного мозга в остальную часть тела.

Большинство типов нейронов — это интернейроны, которые общаются с другими нейронами. Когда вы думаете, в вашей голове куча интернейронов разговаривает между собой. Интернейроны в основном содержатся в мозге.

Два других типа нейронов — это сенсорные нейроны и моторные нейроны — они уходят вниз по спинному мозгу и составляют периферическую нервную систему. Эти нейроны могут быть метровой длины. Вот типичная структура каждого типа:

Помните две наших полосы?

Эти полосы находятся там, где рождается периферическая нервная система. Аксоны сенсорных нейронов уходят вниз из соматосенсорной коры, через белое вещество мозга, в спинной мозг (который просто являет собой массивный пакет аксонов). Из спинного мозга они уходят во все части вашего тела. Каждая часть вашей кожи устлана нервами, которые рождаются в соматосенсорной коре. Нерв, между прочим, — это несколько пучков аксонов, стянутых вместе в небольшой шнур. Вот нерв в разрезе:

Нерв — это все, что в сиреневом круге, а четыре больших круга внутри — это пучки аксонов.

Если муха садится на вашу руку, происходит следующее:

Муха касается вашей кожи и стимулирует пучок чувствительных нервов. Терминали аксона в нервах начинают работать с потенциалом, передавая этот сигнал в ваш мозг, чтобы сообщить о мухе. Сигналы идут в спинной мозг и в сомы соматосенсорной коры. Соматосенсорная кора затем дает сигнал моторной коре, что нужно лениво повести плечом, чтобы смахнуть муху. Определенные сомы в моторной коре, которые связаны с мышцами руки, начинают действие потенциалов, посылая сигналы назад в спинной мозги и оттуда в мышцы руки. Терминали аксона на конце нейронов стимулируют мышцы руки, которые встряхивают ее, чтобы согнать муху. Нервная система мухи проходит через свой цикл, и та улетает.

Затем ваша миндалина озирается и осознает, что на вас сидит насекомое, сообщает моторной коре неприязненно подергаться, а если это паук вместо мухи, также приказывает вашим голосовым связкам невольно закричать и разрушить вашу репутацию.

Получается, мы понимаем, как работает мозг? Почему же тогда, если профессор задал этот вопрос — сколько мили мы преодолели, если эта миля — все, что нам нужно знать о мозге, — ответом будет три дюйма?

А секретик вот в чем.

Мы знаем, как отдельный компьютер отправляет электронную почту и полностью пониманием любые концепции Интернета, например, сколько в нем людей, какие сайты самые большие, какие тренды ведущие. Но вся эта начинка в центре — внутренние процессы Интернета — они немного сбивают с толку.

Экономисты могут рассказать вам все о том, как действует отдельный потребитель, об основных концепциях макроэкономике и о всеобъемлющих силах в игре — но никогда не могут рассказать, как работает экономика с точностью до секунды или что с ней будет через месяц или год.

Мозг в чем-то похож. У нас есть малая картина — мы знаем все о том, как активируются нейроны. И у нас есть общая картина — мы знаем, сколько нейронов в мозге, каковы крупнейшие доли и структуры, как они управляют телом и сколько энергии потребляет система. Но где-то между — что делает каждая часть мозга — мы совершенно теряемся.

Просто не понимаем.

Что действительно хорошо показывает, насколько мы сбиты с толку, это то, как нейробиологи говорят о тех частях мозга, которые мы понимаем лучше всего. Вроде зрительной коры. Мы хорошо понимаем зрительную кору, потому что ее легко картировать.

Ученый Пол Меролла так описал ее мне:

«Зрительная кора имеет прекрасную анатомическую функцию и структуру. Когда на нее смотришь, буквально видишь карту мира. Поэтому когда что-то в поле зрения оказывается в определенной области пространства, сразу виден участок на коре, который представляет эту область пространства, он активируется. И если этот объект движется, есть топографическое картирование, на котором это отражают соседние клетки. Это почти как иметь декартовские координаты реального мира, который соответствует полярным координатам в зрительной коре. Можно буквально по сетчатке проследить, через таламус и в зрительную кору, как одна точка в пространстве отражается в точке зрительной коры.

Пока хорошо. Но он продолжает:

Это картирование действительно полезно, если вы хотите взаимодействовать с определенными частями зрительной коры, но есть много областей зрения, и чем глубже вы погружаетесь в зрительную кору, тем туманнее она становится, и это топографическое представление начинает ломаться. В мозге процессы протекают на самых разных уровнях, и визуальное восприятие отлично это показывает. Мы смотрим на мир, который представлен физическим трехмерным миром где-то извне — вот чашка, и вы ее видите — но ваши глаза видят лишь горстку пикселей. А когда вы смотрите на визуальную кору, вы видите 20-40 разных карт. V1 — это первая область, на которой размечаются кромки и цвета. Другие области отражают более сложные объекты, и все это разнообразное зрительное представление накладывается на поверхность вашего мозга. И вдруг, каким-то образом, эта информация собирается воедино из этого информационного потока, который закодирован таким образом, чтобы вы поверили, что видите простой объект.

И моторная кора, еще одна из наиболее хорошо изученных областей головного мозга, при ближайшем рассмотрении оказывается еще более сложной, чем зрительная кора. Потому что, хоть мы и знаем, какие общие области карты моторной коры отвечают определенным областям тела, отдельные нейроны в этих областях моторной коры топографически не выстроены, и специфика их совместной работы над созданием движения тела абсолютно не ясна.

Нейронные беседы на тему движения рукой в голове ни на что не похожи — нейроны не говорят по-английски, мол, «двигайся» — это схема электрической активности, и у каждого она немного своя. При этом вы хотели бы понимать совершенно интуитивно, что это означает «двигай рукой вот так», или «двигай рукой в направлении цели», или «двигай рукой налево, двигай еще, хватай, хватай с определенной силой, двигай с определенной скоростью» и так далее. Мы не задумываемся об этом, когда двигаемся — все это происходит незримо. Поэтому каждый мозг имеет уникальный код, в соответствии с которым он общается с мышцами в руке и кисти.

Нейропластичность, которая делает наши мозги такими полезными, также делает их невероятно трудными для понимания, потому что принципы работы нашего мозга основаны на том, как мозг формирует себя под действием определенной среды и жизненного опыта. Это не бездушный кусок мяса или чего-то там, который у вас, у меня, у тети Маши, у дяди Пети и у Билла Гейтса будет одинаковым хотя бы на вид — глубоко внутри мозг каждого человека уникален в самом высоком значении этого слова.

И снова, все это области мозга, которые мы понимаем лучше всего. «Когда дело доходит до более сложных процессов, таких как язык, память, математика», рассказал мне один эксперт, «мы вообще не понимаем, как работает мозг». Он посетовал, например, что понятие о своей матери закодировано по-разному и в разных частях мозга у каждого человека. И в лобной доли — именно там, где, как мы выяснили, вы обитаете — «там вообще нет топографии».

И все же ничто из этого не является причиной того, почему создать эффективный нейрокомпьютерный интерфейс так сложно. Сложными нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) делают колоссальные инженерские препятствия. Именно физическая работа с мозгом так усложняет процесс создания НКИ.

Ствол дерева в виде мозга нами построен. Мы готовы отправляться к первой ветке.