Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

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.