Как понять что мозг работает
Нейроны и нейромедиаторы
Химические цепочки
Все чувства и эмоции, которые испытывают люди, возникают путем химических изменений в головном мозге. Прилив радости, который человек ощущает после получения положительной оценки, выигрыша в лотерею или при встрече с любимым, происходит вследствие сложных химических процессов в головном мозге. Мы можем испытывать огромное количество эмоций, например таких, как печаль, горе, тревога, страх, изумление, отвращение, экстаз, умиление. Если мозг дает телу команду на осуществление какого-либо действия, например, сесть, повернуться или бежать, это также обусловлено химическими процессами. «Химический язык» нашей нервной системы состоит из отдельных «слов», роль которых исполняют нейромедиаторы (их еще называют нейротрансмиттерами).
Любой нейрон может получать большое количество химических сообщений, как положительных, так и отрицательных («работай» или «стоп»), от других нейронов, которые его окружают. Эти сообщения могут конкурировать или «сотрудничать», между собой, заставляя нейрон отвечать специфическим образом. Поскольку все эти события происходят в течение очень короткого времени (считаные доли секунды), очевидно, что медиатор должен быть удален из синаптического пространства очень быстро, чтобы те же самые рецепторы могли работать снова и снова. И это удаление может происходить тремя способами. Молекулы нейромедиатора могут быть захвачены назад в то нервное окончание, из которого они были выделены, и этот процесс получил название «обратный захват» («reuptake»); нейромедиатор может быть разрушен специфическими ферментами, находящимися в готовности недалеко от рецепторов на поверхности нейрона; или активное вещество может просто рассеяться в окружающую область мозга, и быть разрушено там.
Изменение нейротрансмиссии с помощью лекарств
Рассмотрим, что происходит при изменении уровней нейромедиаторов мозга на примере трех из них (серотонин, дофамин и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).
Серотонин
Многие исследования показывают, что низкий уровень серотонина в головном мозге приводит к депрессии, импульсивным и агрессивным формам поведения, насилию, и даже самоубийствам. Лекарственные вещества под названием антидепрессанты создают блок на пути обратного захвата серотонина, тем самым несколько увеличивая время его нахождения в пространстве синапса. Как итог, в целом увеличивается количество серотонина, участвующего в передаче сигналов с нейрона на нейрон, и депрессия со временем проходит.
В последние годы ведутся бурные дискуссии вокруг психического расстройства, носящего название «синдром дефицита внимания с 
гиперактивностью» (СДВГ, ADHD). Это расстройство, как правило, диагностируется в детском возрасте. Таким детям очень сложно сохранять концентрацию внимания в течение длительного времени, они совершенно не могут сидеть, не двигаясь; они постоянно находятся в движении, импульсивны и чрезмерно активны. К сожалению, СДВГ диагностируют у все большего числа детей, и многие из них получают лекарства, увеличивающие деятельность медиатора дофамина. Это помогает ребенку быть готовым к работе, более внимательным и сосредоточенным, и поэтому более способным последовательно выполнять задания.
Наркотическое вещество, известное как «экстази» или МДМА, также изменяет уровень серотонина в мозге, но намного более радикально. Он заставляет выделяющие серотонин нейроны выплескивать все содержимое сразу, затапливая этим химикатом весь мозг, что, конечно, вызывает ощущение чрезвычайного счастья и гиперактивность (чрезмерную двигательную активность). Однако, за это приходится расплачиваться позже. После того как экстази израсходовал весь мозговой запас серотонина, включаются компенсаторные механизмы, быстро разрушающие избыток нейромедиатора в мозге. После того, как спустя несколько часов действие наркотика заканчивается, человек, вероятно, будет чувствовать себя подавленным. Этот период «депрессии» продлится до тех пор, пока мозг не сможет восполнить запасы и обеспечить нормальный уровень медиатора. Повторное использование на этом фоне экстази может привести к глубокой депрессии или другим проблемам, которые будут тянуться в течение долгого времени.
Дофамин
Ученые обнаружили, что люди с расстройством психики, известным как шизофрения, фактически чрезмерно чувствительны к дофамину в мозге. Как следствие, при лечении шизофрении используются лекарства, которые блокируют дофаминовые в головном мозге, таким образом, ограничивая воздействие этого нейромедиатора.
С другой стороны, вещества, известные как амфетамины, увеличивают уровень дофамина, заставляя нейроны его высвобождать, и препятствуя его обратному захвату. В некоторых странах врачи используют разумные дозы этих препаратов при лечении некоторых заболеваний, например, синдрома гиперактивности с дефицитом внимания. Тем не менее, иногда люди абсолютно необдуманно неправильно используют эти вещества, пытаясь обеспечить себе повышенный уровень бодрствования и способность решать любые задачи.
Гамма-аминомасляная кислота
Гамма-аминомасляная кислота, или ГАМК, является главным медиатором, чья роль заключается в передаче нейронам команды «стоп». Исследователи полагают, что определенные типы эпилепсии, которые характеризуются повторными припадками, затрагивающими сознание человека и его двигательную сферу, могут являться результатом снижения содержания ГАМК в головном мозге. Передающая система мозга, не имея адекватного «тормоза», входит в состояние перегрузки, когда десятки тысяч нейронов начинают сильно и одновременно посылать свои сигналы, что приводит к эпилептическому приступу. Ученые полагают, что за разрушение слишком большого количества ГАМК могут быть ответственны мозговые ферменты, в связи с чем появились лекарства, которые помогают остановить этот процесс. Время показало их эффективность в лечении не только эпилепсии, но и некоторых других нарушений работы мозга.
Гормоны
Химическое взаимодействие
5 причин узнать, как работает ваш мозг
Мы можем прожить всю жизнь, не зная ничего о культуре Японии, забывая ряд чисел Фибоначчи или даже путая винительный падеж с родительным. Эти знания не сильно повлияют на качество нашей жизни. Совсем другое дело — знания о работе мозга. Они буквально меняют жизнь. И вот почему.
Мозг влияет на всё, что вы думаете, чувствуете и делаете
Мозг не просто влияет на наши мысли, чувства и действия — он производит их.
Сейчас вы читаете эти строки благодаря тому, что зрительные нейроны передают информацию от глаз в мозг. Одна его часть распознаёт буквы, другая — составляет их в слова, третья — подбирает образы, которые обозначают слова. Затем целая сеть клеток мозга работает, чтобы вы восприняли довольно абстрактный смысл фразы: «Этот текст сейчас читает ваш мозг».
То же касается всех способов восприятия (от слуха до интуиции), мышления (от удачных креативных приёмов до заевшего в памяти рекламного джингла), принятия решений (от того, что съесть, до того, куда пойти учиться) и так далее.
Все мозги уникальны: ни один порядок извилин не повторяет другой — прямо как рисунок отпечатков пальцев. Но при этом все мозги воспринимают мир по универсальным законам. Важно понимать, что происходит в вашей голове, когды вы воспринимаете мир, чтобы научиться размышлять максимально разумно.
Если вы изучите свой мозг, то поймёте, как организовать свою жизнь с учётом его особенностей. Например, узнаете о том, что он не может научиться ничему новому, если вам скучно или страшно, — и это изменит ваш подход к образованию и к освоению новых сфер.
Или о том, что для экономии энергии мозг может работать по «шаблонам». Они облегчают автоматические действия, например, помогают быстро определить, кто из окружающих людей в магазине — сотрудник, а кто другой покупатель, или молниеносно повернуть руль, чтобы объехать ежа на шоссе. Но они же делают нас уязвимыми к обману, рекламе или политической пропаганде. Вы сможете замечать эти когнитивные искажения и научитесь переходить из «быстрого» автоматического режима мышления в «медленный» критический.
Мозг влияет на вашу личность
Если вы учитываете, что информация о мире, проходя через органы чувств, обрабатывается мозгом и превращается из объективных данных в субъективное переживание, то вы переходите на следующий этап научной осведомленности о мозге: знание о том, что ваше «я» тоже конструируется мозгом.
Пока что науке неизвестно, как именно мозг производит ощущение собственного «я» и то, что мы называем сознанием. Но мы много чего знаем об отдельных процессах, которые относим к «глубинам души»: такие эфемерные переживания, как страх и гнев, влюблённость и боль разбитого сердца или чувство общности и дружбы — следствие реальных физиологических процессов тела, которые запускаются в наших извилинах.
Например, когда вы стремитесь к своей цели — это ваш мозг производит активное вещество дофамин. Он создаёт мотивацию. Когда цель достигнута и коллеги поздравляют вас с удачным проектом, выделяющийся серотонин позволяет почувствовать себя победителем. Дофамин в целом обеспечивает ощущение осмысленности деятельности, а серотонин — удовлетворения от победы.
Нарушение обмена этих веществ делает нас апатичными и безынициативными. Знание этого факта удержит вас от того, чтобы говорить человеку в депрессии «Просто не грусти!» или стыдить самого себя за ангедонию — невозможность получить удовольствие от чего бы то ни было. Вместо этого вы на шаг приблизитесь к пониманию истинных причин таких состояний.
Понимая, почему возникают те или иные эмоции, вы сможете эффективнее ими управлять.
Нарушение работы мозга искажают реальность и личность
Многие явления, которые в разные времена относили на счёт личных недостатков, порочности или даже одержимости злыми духами, оказались особенностями или нарушениями работы мозга.
Лень — нарушение выработки дофамина, меланхолия — неполадки с обменом серотонина. Разбитое сердце и боль разлуки оказались не метафорами: мозг переживает отвержение как физическую травму. Одержимость болезненными воспоминаниями нашла разгадку в перевозбуждённом миндалевидном теле. Низкий контроль эмоций может быть вызван проблемами в лобной доле мозга, а попытки суицида — травмами левой височной доли.
Знать о подобных связях — значит вовремя обнаружить, что что-то идёт не так, и обратиться за помощью. Или как минимум не принимать резких решений в трудный период, когда вы «сам не свой».
На работу мозга влияют среда и опыт
Мозг — сложный орган. Его главный талант — постоянная адаптация к окружающей среде, какой бы она ни была.
Отличие клеток мозга от других клеток нашего организма — в их сложности. Каждый нейрон имеет множество отростков для связи с другими, причём не только с соседними, но и с находящимися «на другом конце» черепа: фотографии соединений в мозгу похожи на сложную трехмерную вышивку длинными нитями связей.
Нейронные связи возникают в ответ на получение новой информации, когда мы узнаём значение иностранных слов и сопоставляем слова с образом объектов, или на наши попытки научиться новому, когда мы осваиваем фортепиано. Если мы используем нейронный путь, связанный воедино отростками, он утолщается и укрепляется — а чем крепче связи, тем легче совершать действие. Вы бегло говорите на иностранном языке или без затруднений играете фортепианные пьесы — значит, необходимые для этого связи выросли и легко активизируются. Напротив, если вы что-то не используете, связи теряются: так мы можем напрочь забыть к экзаменам всё, что казалось кристально ясным в начале семестра, потому что не делали домашние задания регулярно.
Но это же свойство мозга делает нас уязвимыми к влияниям, которые мы не выбирали. Из-за нейропластичности мы мгновенно откликаемся на всё, что приносит быстрое удовольствие, и впадаем в зависимость — то есть заводим вредные привычки. Нейропластичность так же «виновата» в том, что под влиянием хронического стресса мы начинаем терять когнитивные способности и болеть. Это всё цена за потрясающую способность к адаптации.
Почему это важно знать? Потому что только понимая, как работает нейропластичность, мы можем по-настоящему осознать физическую реальность, которая стоит за словами «я хочу измениться» — и действительно измениться.
У пластичности мозга есть и возможности, и ограничения: как отличать первые от вторых, я подробно рассказываю в книге «Homo Mutabilis». Если коротко: мы не можем «залезть» в мозг (по крайней мере пока что наука нейроимплантов только в зачатке) и подправить свои эмоции и мысли. Мы не можем, несмотря на обещания целого корпуса литературы по самопомощи, «просто очень захотеть» — и измениться.
Для реальных изменений нужны:
Если вы понимаете, как различный опыт влияет на мозг, вы можете лучше контролировать его здоровье и продуктивность — а от этого, в свою очередь, будет зависеть то, как вы ощущаете мир и себя в нём.
Мозг — самая сложная система во Вселенной
Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов: по некоторым оценкам, это примерно равно количеству звёзд в нашей галактике Млечный Путь, хотя точные подсчеты пока невозможны. Количество связей между нейронами трудно измеримо, но, по некоторым данным, может доходить до 1000 триллионов. При этом вся эта сложность умещается в среднем в 1,5 килограммах клеток объёмом 1,5 тысячи кубических сантиметров. Неудивительно, что эта система считается самой сложной из известных человеку.
Каждый год учёные делают удивительные открытия, которые полностью меняют наше представление о том, как устроен мозг. Мы думали, что мозг защищён от болезней, происходящих в теле, — а теперь знаем, что он связан с общей иммунной системой, а хроническое воспаление в теле приводит к воспалению в мозге, вызывая психические расстройства.
Мы даже были убеждены, что существуют серьёзные различия между мозгами мужчин и женщин — но выяснили только что индивидуальные различия в работе мозгов двух случайных людей куда больше, чем разница между средними значениями групп определённого пола.
Это малейшая часть того, что нам ещё предстоит узнать о мозге. А узнавать о нём нам обязательно нужно, раз мы встали на путь создания искусственного интеллекта и роботов: наука создания машин продвигается по стопам науки о мозге, и каждая нейросеть построена на основе того, что мы знаем о нейронных сетях в нашем собственном черепе.
Кроме того, есть один неоспоримый плюс выбора мозга как объекта своего научного интереса: ваш мозг всегда с вами, постоянно работает и ежеминутно предоставляет вам возможности для наблюдения, экспериментов и обучения.
2021, ООО «Альпина Диджитал»
Все права защищены
Мозг помнит всё? Беседа с нейрофизиологом Ольгой Сварник
Сегодня нам доступны самые разные научные инструменты и самые передовые технологии. Человечество накопило колоссальные знания, как в естественных науках, так и в гуманитарных. Однако человеческий мозг по-прежнему остается «Священным Граалем» ученых и самой сложной, малоизученной областью. Что мешает нам изучить мозг до конца? Как работает человеческая память и действительно ли наш мозг помнит всё? Об этом и многом другом рассказала Ольга Евгеньевна Сварник — нейрофизиолог, кандидат психологических наук, старший научный сотрудник лаборатории психофизиологии им. В.Б. Швыркова Института психологии РАН.
Все мы знаем о том, что мозг – это очень сложная структура. Десятки миллиардов нейронов, триллионы синапсов…Учитывая эту сложность, насколько мы вообще способны изучить мозг и что сегодня является главным камнем преткновения в подобных исследованиях?
Мы, безусловно, можем изучать мозг. И это достаточно длительный процесс, в силу тех особенностей, о которых вы говорите: огромное количество клеток, связей, клетки все очень разные. Исследования последних десятилетий показали, что существует огромное количество типов нейронов, и чем глубже мы погружаемся в эту область, тем больше новых типов находим. Процесс исследования мозга и клеток, которые этот мозг составляют — почти бесконечный и очень интересный.
Важный вопрос — а как мозг связан с психическими процессами? Активность наших нейронов связана с тем, что делает организм. Примечательно не только то, что в мозге есть множество разных типов нейронов, но и то, что они активируются в конкретные моменты, которые являются специфическими для этих нейронов. Есть нейроны, которые будут активны, когда я рассказываю кому-то о мозге, или когда я сама продумываю, как работает мозг, или даже когда я сплю и мне снится что-то о работе мозга. Исследуя эти нейроны, мы получаем доступ к внутреннему миру человека.
Главный камень преткновения в изучении мозга — это то, что огромное количество деталей, которые мы получаем о работе мозга, почему-то не хотят укладываться в некую общепринятую теорию. И есть некоторые изменения в том, что мы понимаем под принципами работы мозга. Существует несколько разных предложений о том, что это такое — принципы работы мозга. И довольно большое число исследователей никак не могут прийти к единому мнению в этом вопросе. Деталей много, а общая картина до сих пор не сложилась. Похожую ситуацию мы можем увидеть и в других науках, например, в физике.
Ольга Евгеньевна, вы изучаете память. Расскажите подробнее об этом. Память локализована где-то в мозге или это ситуативный процесс, и у нас нет конкретной зоны памяти?
Если коротко, то да, никакой зоны памяти нет. При этом, разрушение или нарушение работы определенных зон может приводить к амнезии. Но это не одно и то же. Есть кратковременная память, есть долговременная память, есть память имплицитная, когда мы приобрели какой-то опыт, но не можем ничего об этом сказать и не можем как-то его декларировать. А есть такие виды памяти, где мы можем сказать, например, что знаем, в каком месте находится Эйфелева башня или представляем, как работают нейроны в мозге. Это всё разные аспекты явления, которое принято называть памятью. И когда мы говорим об этих проявлениях работы мозга, мы не можем сказать, что память лежит где-то в определенном месте в мозге.
Один известный пациент с амнезией по имени Генри Молисон перенес операцию по разрушению гиппокампальных структур и некоторых корковых зон, которые были связаны с гиппокампом, в итоге он потерял возможность что-либо запоминать. У него не было впечатления, что он может описывать какие-то случившиеся с ним эпизоды. Но при этом, обучение у него всё же происходило, просто он не мог декларировать эпизоды. Грубо говоря, у пациента информация об эпизодах была, но он просто не мог об этом сказать. И ведь это явление было описано за 50 лет до случая Генри Молисона. Швейцарским врачом Эдуардом Клапаредом был описан очень известный, почти анекдотичный случай. Он постоянно здоровался за руку со своей пациенткой с похожим расстройством. У женщины тоже были проблемы с приобретением новой памяти и возможностью декларировать эпизоды из жизни. Во время одного из таких приветствий врач подложил иглу в свою руку и уколол больную. Впоследствии пациентка об этом совершенно не помнила, но стала избегать рукопожатий с доктором. Получается, что этот опыт у человека всё же остался, и такой опыт мог формировать дальнейшие взаимодействия этой женщины с миром.
В 2018 г. Ольга Сварник опубликовала научно-популярную книгу «Мозг за минуту».
А можно ли сказать, что наш мозг вообще ничего не забывает, и то, что произошло однажды, остается навсегда?
В современной нейронауке тенденция такова, что проблема памяти — это прежде всего проблема доступа к ней. Дело ведь не в том, что память как-то потерялась. Если мы представим, что любой приобретённый опыт — это формирование какой-то нейронной группы, которая теперь с ним связана, то получается, что вернуться к этому опыту — значит активировать эту группу. Если мы наслаиваем всё больше и больше других нейронных групп, уходя в нашем опыте от той первоначальной группы, то получается, что мы не можем к ней вернуться за счет того, что там уже есть другие наслоения и ветви этого «дерева опыта» изрядно разрослись.
Опыты на животных показывают, что можно заактивировать ту старую группу, которая была еще до всех этих наслоений, и вернуться к тому моменту. И в этом смысле конечно можно сказать, что да, мозг действительно хранит всё, если был сложившийся опыт. Вокруг нас сейчас есть масса краткосрочных моментов, которые на какой-то короткий период тоже «фиксируются» нашим мозгом, но при этом не переходят в долговременную фазу. А вот если всё перешло уже в долговременную память, то возможность потерять такую память — это прежде всего сложность найти к ней доступ, либо другой вариант — если клетки, связанные с этой памятью, разрушены.
Как объяснить случаи, когда какой-то запах возвращает тебя к таким далеким временам, о которых ты, казалось бы, уже не помнишь, но вдруг память оживает вновь? Запах — это сфера подсознания? И как он связан с памятью?
Бо́льшая часть того, что есть в нашем мозге, работает, не выходя на уровень, который принято называть сознанием. Но это всё равно составляет наш опыт.
В плане возможности вернуться к старым нейронным группам того опыта, который был до всех наслоений, запах играет универсальную и очень интересную роль. То есть запах помогает возродить то, к чему мы сами уже не можем подобраться: в силу завязанности предыдущего опыта на множестве других вещей, с которыми мы познакомились в процессе жизни.
Почему так происходит? Ответа на этот вопрос я, честно говоря не знаю, но он давно меня интересует. Даже какая-то картинка крайне редко приводит к подобному оживлению эпизодов нашего прошлого, а запах имеет такую уникальную возможность. В художественной литературе этот феномен был многократно и красочно описан, но с научной точки зрения трудно предположить, что бы это могло быть. Почему именно запах, даже не звук, обладает такими характеристиками? Ответ на этот вопрос мне бы тоже хотелось знать.
Почему мы на долгие годы можем запомнить какие-то незначительные детали из далекого прошлого, которые, казалось бы, не несут никакой смысловой нагрузки (например, зеленые носки, увиденные на ком-то давным-давно, или пробежавшую мимо собаку)? Или здесь, как говорил Фрейд, незначительных деталей быть не может и за этим воспоминанием стоит какое-то более серьезное, спрятанное переживание?
Такие воспоминания связаны с каким-то общим состоянием организма на тот момент. Возможно, то состояние по своим эмоциональным характеристикам действительно имело большую значимость. Наверное, такая особенность нашей памяти сыграла свою роль в эволюции: организмы, которые фиксировали с помощью своих нейронов как можно больше деталей, вероятно получали большее преимущество в эволюции.
Другой аспект — это то, что состояние, столь важное на тот момент, могло возвращаться снова и снова, когда мы мысленно думали о пережитом. И вот в момент одного из таких возвратов могли добавиться эти зелёные носки или ещё что-то. Возможно, прямого отношения к той ситуации они и не имели, но наша память, спустя какое-то время, связав это и наслоив ещё что-то, «решила», что эти зелёные носки были очень важны для той ситуации. Есть разные нюансы касательно того, как наша память претерпевает разнообразные модификации с каждый реактивацией тех нейронных групп, которые лежат в её основе. Это тоже очень интересные процессы.
Получается, что по сути самым верным является именно первое воспоминание, а все остальные возвраты, воспоминания об этом моменте, которые наслоились позже, ложные? Может быть, все наши воспоминания вообще являются неверными и мало связаны с тем, что происходило на самом деле?
Очень важно сказать, что это за виды памяти. Явление переделки памяти за счет возврата к активации самой ранней нейронной группы связано всё-таки с эпизодической памятью. А семантическая память работает как бы наоборот: если мы что-то учим, например, пытаемся запомнить все столицы мира, то здесь повторение только на пользу и это нашу память укрепляет. (Под семантической памятью подразумеваются знания (например, о том, что Эйфелева башня в Париже), а не сам эпизод моего первого видения Эйфелевой башни). А вот сам эпизод, свидетелем которого мы были, имеет тенденцию видоизменяться, приобретать детали, которых не было, и терять те, что были. Многочисленные исследования показывают, что эпизодической памяти, возможно, не стоит сильно доверять. Были ли эпизоды из нашего детства именно такими, какими мы их запомнили — этот вопрос не так прост. Вполне может быть, что похожие вещи были, но выглядели совсем не так, как мы их запомнили.
Лекция Ольги Сварник «Сон и память» в БЕН РАН.
Ольга Евгеньевна, вы работаете в Институте психологии РАН, в Московском Институте психоанализа, активно ведете преподавательскую деятельность Что вас, как ученого, больше всего привлекает в нейронауке?
Как преподаватель, я рассказываю о принципах работы мозга разным студентам: от физиков до психологов. Как учёный, я исследую клетки, которые есть в мозге на самых разных уровнях: это и нейрогенетические изменения, и изменения электрической активности, а также изменения суммарной активности мозга, регистрируемые с помощью электроэнцефалограммы на людях.
Меня очень увлекает описание и исследование поведения, а также поиск некоторых общих закономерностей для людей и для животных. Мои исследования показывают, что процесс приобретения какого-то опыта (когда организм сталкивается с какой-то новой для него ситуацией) приводит к тому, что у нас, прежде всего, реактивируются те нейронные группы, которые связаны с чем-то похожим: уже имеющимся предыдущим опытом.
Наблюдается интересная закономерность — как часто и стабильно мы, приобретая что-то новое, возвращаемся к старому. И люди, и животные, приобретя новый опыт и найдя решение для новой ситуации, уже добавив что-то новое в свой мозг, снова и снова возвращаются к старому: к ранее приобретенным формам поведения. Как будто снова и снова тестируют старую модель поведения, пытаясь убедиться, а точно ли она не работает? Ведь раньше работала? Эксперименты показывает, что люди часто даже не отдают себе в этом отчет. И вопрос о том, насколько далеко мы возвращаемся в старое и почему мы это делаем, меня сейчас занимает больше всего.