В нашей голове скрывается удивительный орган - мозг. Эта странная на вид штука — один из самых сложных известных объектов во Вселенной — килограмм, как говорит нейроинженер Тим Хансон,
«одного из самых информационно плотных, структурных и самоорганизованных веществ среди всех известных»
И все это работает при помощи всего около 20 Вт энергии. Компьютер такой же мощности потребляет в миллион раз больше.
Профессор MIT Полина Аникеева называет его «мягким пудингом, который можно соскребать ложкой».
Мозговой хирург Бен Рапопорт описал его более научно: «что-то среднее между пудингом и желе». По его словам, если положить мозг на стол, под действием гравитации он расплывется как медуза. Сложно представить мозг такой размазней, потому что обычно он плавает в воде.
Чтобы добраться до мозга, нужно пройти через несколько слоев защиты.
Сначала идет кожа головы, потом череп, а затем три защитные оболочки. Первая - твердая, она защищает мозг от ударов. Вторая - жидкая, в которой мозг как бы плавает. Третья - мягкая, она прилегает прямо к мозгу и содержит кровеносные сосуды.
Хотя мы привыкли думать, что наше "я" - это наше тело или лицо, на самом деле мы и есть этот странный желеобразный орган. Все наши мысли, чувства, воспоминания хранятся в этом "мягком пудинге".
Долгое время люди не понимали значения мозга. Например, Аристотель считал, что центр разума находится в сердце. Сейчас мы знаем гораздо больше, но мозг все еще остается загадкой для ученых.
Сложность его изучения заключается в том, что мы пытаемся понять инструментом то, чем этот инструмент является. Это создает парадокс. Попытка понять мозг представляет собой уловку-22:
«Если бы человеческий мозг был настолько прост, что мы смогли бы его понять, мы были бы настолько простыми, что не смогли бы [его понять]»
Нейробиолог Моран Серф
Мозг человека можно условно разделить на несколько основных частей. Невролог Пол Маклин сделал простую диаграмму, иллюстрирующую деление на "три мозга":
1. Рептильный
2. Мозг млекопитающих
3. Наш собственный третий мозг
Самая древняя часть - рептильная - это ствол мозга и мозжечок. Эта часть похожа на мозг лягушки и отвечает за базовые функции организма.
В него входят несколько участков. Продолговатый мозг контролирует жизненно важные процессы, такие как дыхание и сердцебиение. Он также заставляет нас рвать, если организм считает, что мы отравились.
Варолиев мост отвечает за множество разных функций: от глотания до контроля мочевого пузыря и мимики.
Средний мозг участвует во многих процессах, включая зрение, слух и движение, но большинство его функций дублируются другими частями мозга.
Варолиев мост и средний мозг вместе контролируют движение глаз.
Мозжечок, похожий на маленький мозг на затылке, отвечает за равновесие, координацию и плавность движений.
Все эти секции составляют древнюю рептильную часть нашего мозга. Над ней в процессе эволюции надстроились новые отделы, характерные для млекопитающих и, в частности, для человека.
Над стволом мозга находится лимбическая система — часть мозга, делающая нас просто невероятными.
“Лимбическая система — это система выживания. Важная часть ее работы заключается в том, что всякий раз, когда вы делаете то же, что может делать ваша собака — есть, пить, заниматься сексом, драться, прятаться или убегать от чего-то страшного — за рулем находится лимбическая система. Хочешь ты этого или нет, но когда делаешь что-то из вышеперечисленного, ты находишься в примитивном режиме выживания.”
Тим Урбан. Neuralink and the Brain’s Magical Future
Лимбическая система - как строгая бабушка: всегда заботится о вашем выживании, даже когда вы этого не хотите. Это своего рода навигатор, который всегда ведёт вас к ближайшему источнику дофамина.
“Я почти уверен, что контроль над вашей лимбической системой — это и определение зрелости, и основная человеческая борьба. Не то чтобы нам было лучше без лимбических систем — они делают нас людьми, в конце концов, и большая часть жизненного кайфа связана с эмоциями и удовлетворением животных потребностей. Просто ваша лимбическая система не учитывает, что вы живете в цивилизованном обществе, и если предоставить ей слишком большие полномочия в управлении вашей жизнью, она быстро ее разрушит.”
Тим Урбан. Neuralink and the Brain’s Magical Future
И вот мы добрались до верхнего слоя - коры головного мозга. Ее называют по-разному: кортекс, неокортекс, церебрум. Эта часть мозга есть только у млекопитающих.
Кора отвечает за обработку того, что мы видим, слышим и чувствуем. Она также управляет нашим языком, движениями, мышлением и личностью. Кора разделена на четыре основные области, называемые долями.
Лобная доля отвечает за мышление, планирование и черты характера. В ней также находится участок, контролирующий движения тела. Теменная доля обрабатывает сенсорную информацию, особенно тактильную. Височная доля связана со слухом и памятью. Затылочная доля почти полностью посвящена зрению.
Интересно, что некоторые части тела занимают в мозге больше места, чем другие. Например, лицу и рукам в мозге уделено больше внимания, чем остальному телу. Это потому, что нам нужно очень точно управлять выражением лица и движениями рук.
Ученые даже создали специальную карту, которая показывает, как части тела представлены в мозге. Эта карта называется "гомункул Пенфилда". Да, я еще в процессе работы над роликом про сознание набрел на эту хрень и теперь с этим живу — поэтому и вы тоже.
Мозг человека имеет характерную морщинистую поверхность. Это результат эволюционного решения проблемы ограниченного пространства внутри черепа. Складки позволяют увеличить площадь коры головного мозга, не увеличивая объем головы. Если расправить кору, она будет похожа на салфетку размером 48 на 48 сантиметров и толщиной всего 2 миллиметра.
Изучение строения мозга на клеточном уровне началось в конце 19 века. Итальянский ученый Камилло Гольджи разработал метод окрашивания, который позволил увидеть отдельные клетки мозга - нейроны.
Позже, в 1950-х годах, ученые разобрались, как нейроны общаются между собой. Нейрон состоит из тела клетки, дендритов и длинного отростка - аксона. Когда нейрон находится в покое, он имеет небольшой отрицательный электрический заряд.
Другие нейроны постоянно воздействуют на его дендриты, выделяя химические вещества - нейромедиаторы. Если воздействие достаточно сильное, заряд нейрона меняется, и по аксону проходит электрический импульс.
Этот процесс работает по принципу "все или ничего" - нейрон либо возбуждается полностью, либо остается в покое. Импульс доходит до концов аксона, где происходит выброс нейромедиаторов, влияющих на следующие нейроны. Так информация передается по нейронной сети.
На рисунках в учебниках нейроны напоминают провода. Это клетки с длинными отростками, несущие электрический разряд в определенном направлении. Одни отростки – дендриты – несут входящие сигналы, другие – аксоны – несут исходящие сигналы. Нейроны соединяются друг с другом и передают друг другу электрический сигнал. Получается как бы несколько удлинителей, воткнутых один в другой.
Никита Кукушкин. Хлопок одной ладонью
Важную роль в изучении работы нейронов сыграли кальмары. У них очень крупные аксоны, что позволило ученым детально изучить процесс передачи нервного импульса. Вот как это работает.
Нервная система передает информацию как химическим, так и электрическим путем. Нервные импульсы движутся по аксонам нейронов со скоростью от 1 до 100 метров в секунду. Скорость зависит от наличия миелиновой оболочки – жирового слоя, который обволакивает некоторые аксоны. Миелин не только защищает нервные волокна, но и значительно ускоряет передачу сигналов.
Нейроны похожи на компьютерные транзисторы тем, что работают по принципу ВКЛ - ВЫКЛ. 0 или 1. Однако, в отличие от транзисторов, нейроны постоянно меняются.
Когда человек учится чему-то новому, в его мозге происходят химические изменения. При регулярной практике эти изменения становятся структурными - нейроны меняют форму и связи между собой, формируя устойчивые навыки.
Способность мозга меняться называется нейропластичностью. Она особенно выражена у младенцев, чей мозг готов адаптироваться к любым условиям жизни. Однако нейропластичность сохраняется и у взрослых, поэтому мы можем учиться новому и менять привычки. Подробнее о нейропластичности смотрите в моем недавнем ролике про мозг:
Едем дальше. В человеческом мозге около 85 миллиардов нейронов. Они образуют серое и белое вещество. Серое вещество состоит из тел нейронов и их коротких отростков. Оно находится в коре головного мозга и некоторых внутренних структурах. Белое вещество образовано длинными отростками нейронов – аксонами, покрытыми миелином. Оно занимает пространство между корой и внутренними структурами мозга.
Кора головного мозга – это командный центр. Она посылает сигналы через аксоны белого вещества в другие части мозга, спинной мозг и остальное тело. Так мозг управляет всеми процессами в организме.
Нервная система человека состоит из двух основных частей. Центральная нервная система включает головной и спинной мозг. Периферическая нервная система образована нервами, которые идут от спинного мозга ко всем частям тела.
В мозге преобладают интернейроны - то есть клетки, общающиеся друг с другом. Когда вы думаете, эти нейроны активно взаимодействуют. Сенсорные и двигательные нейроны составляют основу периферической нервной системы.
Например, когда на вашу кожу садится муха, они 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? Нет. Наши знания всё еще поверхностные. В следующей статье поговорим о том, насколько детально нам нужно понимать мозг, чтобы создавать волшебство. А именно, что нужно для создания продвинутых интерфейсов "мозг-компьютер" и "мозг-мозг".
Кстати, мой последний ролик ровно про это:
Источники:
- Tim Urban - Neuralink and the Brain’s Magical Future
- Николай Кукушкин - Хлопок одной ладонью
- Рита Картер - Как работает мозг
