Мозг. Как он устроен и что с ним делать

Отложите книгу на несколько минут и подумайте над этим явлением.

Становится жутковато, когда начинаешь думать о том, что наши собственные клетки сражаются друг с другом за ресурсы! Но мы столкнемся с подобным явлением еще не раз – при рассмотрении других примеров работы мозга. Впереди нас ждут и более впечатляющие факты!

Итак, мы выяснили, что самые цепкие и быстрые нейроны получают достаточное количество факторов роста и успешно формируют связи. Так они и выживают.



Связи между нейронами

Важно сказать несколько слов о том, какие именно связи устанавливают нейроны. Это пригодится в дальнейшем для понимания процессов памяти и внимания.

Давайте кратко рассмотрим строение нервной клетки. На самом деле принципиально нейрон ничем не отличается от любой другой клетки.

Содержимое нейрона помещено в мембрану, состоящую из двух слоев липидов (жироподобных молекул) с погруженными в них белками. Представьте себе двухслойный полиэтиленовый пакет, заполненный водой, в которой плавают овощи. Так вот, мембрана по толщине сопоставима с полиэтиленовым пакетом (с поправкой на масштаб). А овощи представляют собой органоиды (по сути, это внутренние органы клетки). Жидкость клетки называют цитоплазмой.

Вы, возможно, удивитесь, но в состав мембраны клетки входит холестерин. Да, тот самый, о вреде которого так много говорят уже не первое десятилетие. На самом деле холестерин жизненно важен и вопрос о его вреде и пользе намного сложнее, чем считалось ранее. Из молекул холестерина синтезируются некоторые гормоны. Влияет он и на обмен веществ. А также выполняет структурную функцию, являясь частью клеточной мембраны. Именно поэтому важно, чтобы мы получали с питанием правильные жиры (например, жирные кислоты омега-3).





Рис. 5. Накручивание ДНК на катушки (или нуклеосомы), состоящие из белков гистонов



В цитоплазме, обычно ближе к центру клетки, размещается ядро с хромосомами. Это упакованные с помощью белков гистонов молекулы ДНК. На эти белки молекулы ДНК спирально накручиваются, как на катушки, а затем еще несколько раз укладываются (рис. 5). Если распутать молекулу ДНК и вытянуть в нить, ее длина составит около двух метров!

Вокруг ядра находятся органоиды клетки, синтезирующие белок (их называют рибосомами). Также в клетке есть аппарат Гольджи – структурный комплекс, похожий на набор микроскопических цистерн. В аппарате Гольджи к белкам присоединяются молекулы сахаров, остатков ортофосфорной кислоты. Все это нужно для того, чтобы в дальнейшем белки могли работать в разных частях клетки и выполнять специфические функции.

Белки – главные строительные элементы организма. По сути, гены (последовательности внутри ДНК) кодируют информацию о белках, а белки выполняют практически все физиологические функции в нашем организме. Они транспортируют кислород, строят соединительные и мышечные ткани организма, увеличивают скорость химических реакций. Ферменты – тоже белки. И ряд гормонов является белками.

Вы можете удивиться, но на самом деле информация о наших внешних признаках (цвет глаз, структура волос, рост, величина мышечной массы и так далее), записанная в ДНК, – это своего рода программа для строительства белков. Наш внешний вид и поведение – это белки! Даже память и внимание – белки!

В общем, с этого белкового корабля нам никуда не деться. Мы и есть этот корабль с ног до головы.

На рис. 6, схематично показаны матричные (связанные с ДНК) процессы в клетке. Они называются так, потому что молекула ДНК выполняет роль матрицы-шаблона, с которой считывается информация.





Рис. 6. Матричные процессы в клетке



Мы видим, что с ДНК синтезируется РНК. Затем с этой самой молекулы РНК (она выступает матрицей-шаблоном) на органоидах-рибосомах происходит синтез белка. Запомните эту схему, мы еще вернемся к ней чуть позже, когда будем говорить о памяти.

Также в нейроне есть митохондрии. В них синтезируются молекулы, снабжающие клетку энергией.





Рис. 7. Схематическое изображение разных типов синаптических контактов (шипиков)



Органоиды в нейроне работают на то, чтобы клетка могла создавать новые отростки и синтезировать ряд важных веществ.

Нервные клетки связываются друг с другом различными путями. Большинство нейронов передают сигнал друг другу с помощью электрических и химических структурных соединений – синапсов. Иногда в популярной литературе синапсы называют шипиками. Еще в мозге эмбриона нервные клетки в первую очередь отращивают именно шипики (синапсы) (рис. 7).

Чаще всего в нервной системе встречаются химические синапсы.

Химический синапс – место, где мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, но при этом напрямую не соприкасаются (рис. 8).

В некоторых случаях синапс может состоять из мембраны нейрона и мембраны другой клетки (которую он обычно активирует). Одним из примеров является нервно-мышечный синапс. Это путь, по которому мышце передается команда действовать. Отросток нейрона отправляет импульс к синапсу, и в результате мышца сокращается.






Рис. 8. Строение синапса (схема)



На рис. 8 мы видим, что в месте контакта мембраны имеют специальные утолщения. Они похожи на своеобразные присоски. Между мембранами есть пространство: его называют синаптической щелью. Ширина синаптической щели может достигать около 40 нанометров (нм). Это совсем немного. Для сравнения: ширина двойной спирали ДНК около 2 нм. Получается, что ширина синаптической щели в 20 раз больше и, соответственно, в нее умещается только 20 молекул ДНК. А ведь туда еще надо «загрузить» молекулы нейромедиатора…

Чтобы запустить процесс передачи нервного импульса, необходимо вещество-посредник – его называют нейромедиатором. В синаптическую щель из отростка передающего нейрона выбрасывается нейромедиатор. Он связывается с молекулами-рецепторами на поверхности отростка принимающего нейрона подобно тому, как замок сочетается с ключом. Это и есть передача информации через синапс.

Связывание нейромедиатора с рецепторами приводит к тому, что в мембране отростка принимающего нейрона открываются специальные поры (каналы), пропускающие заряженные частицы (ионы). Из-за этого возникает изменение мембранного потенциала (формируется разница зарядов на внутренней и внешней поверхности мембраны). Волна возбуждения следует далее, перемещаясь по мембране отростка нейрона. Попеременно открываются и закрываются каналы на все более удаленных участках по ходу отростка. Каждый последующий участок возбужденной мембраны как бы заставляет соседа изменить заряд. Так и происходит перемещение нервного импульса по отростку нейрона дальше к другой клетке.

Это очень упрощенная схема, но она показывает, что в таком контакте передача возбуждения происходит иначе, чем, например, в электрических проводах. Здесь нужны биохимические молекулы – нейромедиаторы. Они как раз и открывают поры, регулирующие потоки заряженных частиц.

Но есть и электрические синапсы. Их совсем немного в нервной системе человека.

В электрическом синапсе мембраны двух нейронов располагаются очень близко друг к другу, и синаптическая щель узкая – менее 4 нм. Это в 10 раз меньше, чем у химического синапса. Поэтому в таких контактах возможно возбуждение мембраны соседнего нейрона и передача импульса от одного нейрона к другому напрямую, без посредника.

Пожалуй, единственное преимущество электрических синапсов перед химическими состоит в том, что они проводят нервные импульсы быстрее. Однако в некоторых случаях сигнал может ослабевать.

В химических синапсах используются разные нейромедиаторы в разном количестве, и вместе с тем могут открываться поры для различных ионов. Все это позволяет более тонко настраивать передачу информации. Именно поэтому подавляющее большинство наших синапсов химические.

Каждый день в первые месяцы после рождения в мозге ребенка возникают миллионы новых синапсов. 86 миллиардов нейронов выбрасывают ответвления, как щупальца, в поисках многочисленных отростков других клеток для передачи сигналов.

Например, синаптическая плотность (количество контактов) в зрительной коре достигает своего пика приблизительно в возрасте 9–15 месяцев. Затем она снижается, приближаясь к уровню взрослого человека.

Параллельно с образованием новых синапсов в мозге происходит уничтожение старых (прунинг). Наиболее активно этот процесс протекает в возрасте до 11–13 лет (до начала полового созревания). Прунинг позволяет стабилизировать уже имеющиеся нейросети. Такая обрезка синапсов на физиологическом уровне также обеспечивает процессы обучения.

Образование новых синапсов и их разборка происходят неравномерно, но с некоторой периодичностью. Мозг сотрясают последовательные волны производства и уничтожения синапсов. Каждая волна связана с определенным критическим периодом развития. Это своеобразные физиологические окна возможностей для обучения. Полагают, что в эти моменты мозг наиболее восприимчив к обучению разным типам деятельности: ходьбе, речи, чтению, сложным движениям и так далее.

Физиологические окна имеют свойство закрываться за счет приостановки создания (и разборки) синапсов. Так, если ребенок не слышал достаточное количество речи в возрасте до 3–4 лет, потом практически невозможно научить его полноценно разговаривать. Отсюда и возник описанный еще в XIX веке феномен детей-маугли.

Между 7 и 12 годами происходит последний крупный всплеск образования синапсов. В этот период наблюдается существенный прирост серого вещества коры головного мозга. Собственно, тела клеток и синапсы в коре мозга и есть серое вещество.

В период между 12 и 13 годами, помимо разборки старых синапсов, мозг избавляется и от большого числа нейронов.

Именно к 11–13 годам мы наблюдаем особые изменения в мышлении и поведении подростков. Дети становятся совершенно другими.

Профессор Гарвардского университета Говард Гарднер предложил весьма емкое и функциональное определение зрелости: «Момент, когда лишние клетки ликвидированы и изначально необходимые синаптические связи полностью установлены».

После 11–13 лет количество синапсов начинает стремительно уменьшаться. На снимках МРТ мы отчетливо видим, как снижается количество серого вещества. Особенно это выражено в возрасте 18–20 лет. Длинные отростки нервных клеток (аксоны) обволакивает жироподобное вещество – миелин. Так вокруг аксонов формируются своего рода изолирующие капсулы. Это как резиновая изоляция электрического провода. Только в случае с аксонами есть одно отличие: изоляция из миелина не сплошная – остаются оголенные участки (перехваты). Импульс на самом деле не бежит, а как бы перескакивает от одного перехвата к другому. Поэтому энергия нервного импульса не рассеивается, а движется скачками напряжения.



Итак, взрослый мозг = меньше синапсов + много миелина



Подобное строение аксона увеличивает скорость распространения нервного импульса с 0,5 до 120 метров в секунду! Такой мозг начинает значительно эффективнее связывать разные части нервной системы друг с другом. Отсюда мы получаем выигрыш в скорости обработки информации и быстроте реагирования.

Согласно одной из теорий, у вундеркиндов процесс образования миелиновых оболочек происходит быстрее, чем у других детей. По этой причине их мозг раньше становится «взрослым», что внешне проявляется в их поведении.



Гиперсвязанность, или Найти дорогу к дому

Говоря простым языком, рецепторам изначально все равно (или почти все равно), куда отправлять информацию. Когда ребенок смотрит на тарелку с кашей, его глаза могут отправлять сигналы не только в зрительную кору (затылочная область), но и в слуховую (височная область). Возникает функциональная синестезия, то есть смешение потоков восприятия. В таком случае ребенок не только видит тарелку, но и «слышит» ее. По мере взросления у малыша постепенно усиливаются связи между глазами и зрительной корой. Одновременно с этим идут процессы разборки синапсов, постепенно выстраивающие пути зрительного и слухового восприятия. Так глаза обучаются только видеть, не «вмешивая» в информационный поток звук.

Есть люди, у которых способность «слышать» предметы зрением сохраняется во взрослом возрасте. Предполагают, это обусловлено тем, как еще в эмбриональном периоде (и раннем детстве) строились связи от органов чувств.

Таким образом, мозг можно представить в виде города, в котором множество домов и бесчисленное количество дорог. Представьте: однажды вы ушли в гости к новому знакомому и потом долго не могли найти путь назад. Вы стерли ноги, прошли сотни дорог, пока наконец не обнаружили свой дом (нужный вам нейрон). Вы постарались запомнить маршрут, чтобы впредь не теряться. И стали чаще ходить одной и той же дорогой. Постепенно другие дороги перестали для вас существовать.

Обнаружив однажды самую удобную и быструю дорожку, мозг постепенно разбирает другие. Причем нужную дорогу он всячески облагораживает, расширяет. И это не просто образное сравнение: мозг действительно может расширять дороги. Как вы догадались, под дорогами мы понимаем связи между клетками. Такие нужные синапсы способны за счет пластичности перестраиваться, становиться объемнее и толще. Прунинг потом уберет ненужные связи.

Развитие мозга заканчивается приблизительно к 25 годам. В этот период прекращается образование миелиновых оболочек (изоляторов) вокруг отрост-ков нервных клеток. Основные цепи построены и стабилизированы. Лобные доли, обеспечивающие высшие познавательные функции, окончательно сформированы.

В этом возрасте мозг на пике своего могущества. Примечательно, что Исаак Ньютон сделал практически все крупные открытия в возрасте до 25 лет! Далее же он занимался лишь дополнениями и расширениями уже открытых им (и другими учеными) закономерностей.

С другой стороны, в науке немало примеров, когда ученые совершали прорывные открытия и в более позднем возрасте. Но даже в этих случаях можно предположить, что, согласно современной нейрофизиологической концепции, основные интеллектуальные функции и навыки у людей были сформированы в возрасте до 25 лет.

Однако не печальтесь. Хоть ваш мозг и пройдет пиковую стадию развития в 25 лет, это не значит, что нужно опускать руки. Возможно, вам осталось совсем чуть-чуть до главного достижения, и за счет имеющихся профессиональных навыков, отточенных до предела, вы за несколько лет достигнете цели. Да, вероятно, до 25 лет мозг максимально гибкий и податливый, но после этого рубежа он еще долго может служить вам и окружающим как эффективный инструмент. Главное – не запускать ситуацию. В мозг необходимо постоянно загружать качественную информацию, позволяющую «пересобирать» имеющийся опыт и вырабатывать новые навыки.

Я полагаю, что путь в науку, да и в философию, только один: встретить проблему, увидеть, как она красива, и влюбиться в нее; обвенчаться с нею и жить счастливо, пока смерть не разлучит вас, – если только вам не суждено будет увлечься другой, более красивой проблемой или отыскать решение первой.

Карл Поппер