В 1887 г. испанский ученый Сантьяго Рамон-и-Кахаль использовал свой опыт в искусстве фотографии для химического окрашивания мозговой ткани. Этот метод позволил увидеть отдельные клетки мозга со всеми их разветвлениями. Стало ясно, что мозг – необыкновенно сложная система, не имеющая аналогов, а также языка для ее описания.
С массовым распространением микроскопов и появлением новых методов окрашивания клеток ученые начали описывать – по крайней мере, в общих терминах – нейроны, из которых состоит наш мозг. Эти удивительные структуры самых разных форм и размеров сплетены в непроходимые джунгли, которые ученым предстоит распутывать еще не одно десятилетие.
Сначала зрительная система сканирует место действия, чтобы обнаружить стоящую передо мной чашку, и мой многолетний опыт вызывает воспоминание о кофе в других ситуациях. Моя фронтальная кора посылает сигналы моторной коре, которая управляет сокращениями мышц туловища, плеча, предплечья и ладони таким образом, что я могу взять чашку. Как только я дотрагиваюсь до чашки, мои нервные клетки начинают передавать информацию о весе чашки, ее положении в пространстве, температуре, фактуре ручки и т. д. Эта информация через спинной мозг поступает в головной мозг, компенсируя данные, которые идут в обратном направлении, наподобие быстро движущегося потока транспорта на дороге с двусторонним движением. Эти данные являются результатом сложного взаимодействия между такими отделами мозга, как базальные ядра, мозжечок, соматосенсорная кора и многие другие. За долю секунды вносятся коррективы в скорость, с которой я поднимаю чашку, и в силу сжатия пальцев. Посредством интенсивных вычислений и обратной связи я заставляю мышцы не наклонять чашку, пока я плавно поднимаю ее вверх по дуге. В процессе я постоянно корректирую свои движения, и, когда чашка оказывается у губ, я наклоняю ее, чтобы отхлебнуть часть жидкости и при этом не обжечься.
Описание расчетов, которые производит мозг, чтобы я мог поднести чашку ко рту, займет несколько томов. Но все это остается невидимым для сознания: я осознаю только, попал кофе в рот или нет.
Чтобы произвести расчеты, необходимые для выполнения этой задачи, потребуются десятки самых быстрых в мире суперкомпьютеров. А я совсем не чувствую бури электрических импульсов, которая бушует в моей голове. Хотя нейронная сеть активно работает, сознание пребывает совсем в другом состоянии, похожем на полное неведение. Мое сознание занято беседой. До такой степени, что, поднимая чашку, я даже могу регулировать поток воздуха, проходящий через мой рот, чтобы поддерживать непростой разговор.
Единственное, что я осознаю, – попал кофе ко мне в рот или нет. Если мои движения безошибочны, я их даже не замечу.
Бессознательный механизм нашего мозга работает все время, но так слаженно, что мы обычно не замечаем его действий. В результате нередко получается, что обратить на него внимание легче всего тогда, когда он перестает работать. Что было бы, если бы пришлось обдумывать каждое простое действие, которое кажется нам естественным, например такую якобы простую вещь, как ходьба? Чтобы это выяснить, я побеседовал с человеком по имени Иэн Уотермен.
В девятнадцать лет после тяжелой формы желудочного гриппа у Иэна развилось осложнение – редкое поражение нервной системы. У него были повреждены сенсорные нервы, которые передают мозгу осязательные ощущения, а также информацию о положении конечностей (так называемая проприоцепция). В результате Иэн больше не мог двигаться автоматически. Врачи сказали ему, что он до конца жизни останется прикованным к инвалидной коляске, хотя его мышцы были в полном порядке. Человек просто не может передвигаться, не зная положения своего тела. Мы редко об этом задумываемся, но именно обратная связь между окружающим миром и нашими мышцами делает возможными сложные движения, которые мы постоянно совершаем.
Проприоцепция
Даже с закрытыми глазами вы знаете положение своих рук и ног. Левая рука поднята или опущена? Ноги согнуты или выпрямлены? Плечи развернуты или сгорблены? Эта способность знать состояние своих мышц называется проприоцепцией. Рецепторы в мышцах, сухожилиях и суставах поставляют информацию об угле поворота сустава, о напряжении мышцы и ее длине. Все это вместе дает мозгу точную картину положения тела и обеспечивает быструю корректировку.
Временное отключение проприоцепции вы испытывали, например, когда пытались ходить с «онемевшей» ногой. Давление на пережатые сенсорные нервы препятствовало приему и передаче сигналов. Не чувствуя положения рук и ног, почти невозможно совершать простейшие действия – нарезать еду, набирать текст на клавиатуре или ходить.
Из-за редкого заболевания Иэн Уотермен лишился сенсорной информации от своего тела. Его мозг больше не имеет доступа к осязанию и проприоцепции. В результате каждый шаг требует от него сознательного планирования и постоянного зрительного мониторинга положения рук и ног.
Иэн не желает жить в неподвижности. Поэтому он встает и идет, однако ему приходится сознательно отслеживать каждое движение своего тела. Не чувствуя, где находятся его руки и ноги, Иэн вынужден всецело сосредотачиваться на том, что делает. Зрение позволяет ему следить за положением рук и ног. При ходьбе он наклоняет голову и смотрит на ноги. Чтобы сохранить равновесие, ему приходится все время проверять, что руки отведены назад. Иэн не чувствует, когда его ноги касаются поверхности, и поэтому при каждом шаге должен оценивать точное расстояние до земли и напрягать ногу. Каждый его шаг сознательно вычисляется и координируется.
Утратив способность ходить автоматически, Иэн на себе прочувствовал, что такое удивительная координация, которую все мы считаем естественной, когда отправляемся на прогулку. Окружающие его люди двигаются так легко и непринужденно, отмечает он, что совсем не замечают сложнейшую систему, которая управляет этим процессом.
Если Иэн отвлечется или задумается о чем-то постороннем, то может упасть. Ему нужно отбросить все, не связанное с ходьбой, и сосредоточиться на мельчайших деталях: наклоне поверхности, движении ноги.
Проведя с Иэном пару минут, вы поняли бы необыкновенную сложность простейших действий, обсуждать которые нам не приходит в голову: как мы встаем, пересекаем комнату, открываем дверь, пожимаем руку. Несмотря на кажущуюся простоту, они чрезвычайно сложны. Поэтому, когда вы в следующий раз увидите человека, который идет, бежит трусцой, едет на скейте или велосипеде, попробуйте восхититься не только красотой человеческого тела, но и мощью мозга, который незаметно для хозяина тела безупречно управляет его движением. В основе самых разных аспектов наших элементарных действий лежат триллионы вычислений, которые выполняются в пространственном масштабе, недоступном нашему зрению, и сложность которых мы не в состоянии осознать. Еще не созданы роботы, возможности которых хотя бы приближались к тому, что умеет человек. И если суперкомпьютер потребляет огромное количество энергии, то мозг выполняет свою работу с удивительной эффективностью – энергии ему нужно не больше, чем 60-ваттной лампе.
Встраивание навыков в структуру мозга
Нейробиологи нередко проникают в тайны мозга, изучая людей, которые добились выдающихся результатов в той или иной области. С этой целью я поехал на встречу с Остином Набером, десятилетним мальчиком, обладавшим уникальными способностями: ему принадлежал мировой рекорд среди детей по капстекингу (скоростной сборке и разборке пирамид из специальных пластиковых стаканчиков).
Быстрыми, точными движениями, за которыми глаз не успевает следить, Остин превращает стопку вложенных друг в друга стаканчиков в симметричную фигуру из трех отдельных пирамид. Затем, действуя обеими руками, он перестраивает эти пирамиды в две маленькие стопки, после чего сооружает из них одну высокую пирамиду, которая снова преобразуется в первоначальную стопку стаканчиков.
Он проделывает это за пять секунд. Моя лучшая попытка заняла сорок три секунды.
ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАММА
ЭЭГ, или электроэнцефалограмма, позволяет оценить общую электрическую активность, отражающую активность нейронов. Маленькие электроды, помещенные на кожу головы, регистрируют электроэнцефалограмму – так называются усредненные электрические сигналы, которые создаются в результате обмена информацией между нейронами.
Первую электроэнцефалограмму записал немецкий физиолог и психиатр Ганс Бергер в 1924 г., а 1930-х и 1940-х гг. исследователи выделили несколько разных типов ритмов: дельта-ритм (менее 4 Гц), который наблюдается во время сна, тета-ритм (4–7 Гц), ассоциирующийся со сном, с глубокой релаксацией и визуализацией, а также альфа-ритм (8–13 Гц), регистрируемый в спокойном и расслабленном состоянии, и бета-ритм (13–38 Гц), наблюдающийся при активном размышлении и решении задач. С тех пор было идентифицировано еще несколько важных ритмов, в том числе гамма-ритм (39–100 Гц), который указывает на напряженную умственную деятельность, такую как логические рассуждения и планирование.
