Клетки и сети из клеток в работе

 

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

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

 

Импульс – действие – мысль

 

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

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

 

Синапс

 

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

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

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

 

Нейротрансмиттеры

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Системы

 

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

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

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

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

 

Эдна

 

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

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

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