Как утроен наш мозг? Какие отделы отвечают за дыхание и сон, голод и агрессию, где рождается тревога и формируется воля? Повреждение какого отдела может выключить нашу личность? Какие программы до сих пор сохранились в мозге от наших предков — рептилий и рыб? Об этом рассказывает доктор биологических наук, профессор биофака МГУ Вячеслав Дубынин.
Здравствуйте. Я Вячеслав Дубынин, доктор биологических наук, профессор биофака МГУ и специалист по физиологии мозга, нейробиолог. Мозг — моя прямая специальность, я занимаюсь им уже более тридцати лет и сегодня хочу немного рассказать о том, как он устроен и работает. Нервная система, наша нервная система или нервная система кошки, белой крысы, даже дождевого червяка, имеют общую логику строения и функционирования.
Начинаем мы обычно с макроуровня, то есть с таких крупных заметных отделов, и собственно, прежде всего бросаются в глаза большие полушария, а потом такие структуры как мозжечок и ствол. Каждая из этих структур имеет свои функции, многочисленные функции, и особенно тонко распределены функции ствола. То есть, если мы смотрим на вот эти глубинные отделы мозга, мы здесь обнаруживаем те древние программы, которые установлены эволюцией еще на уровне наших предков-рептилий, предков-рыб, скажем, дыхание или управление движениями глаз, или центр сна и бодрствования. Здесь же, внутри ствола, находятся зоны, связанные с ощущением голода, с желанием размножаться, заботиться о потомстве, центр страха, центр агрессии и так далее.
Стволовые структуры, для них характерно то, что те нейросети, которые обеспечивают их функции, эти нейросети имеют врожденно заданные свойства, то есть процессы обучения и памяти на вот эти глубинные зоны почти не распространяются. И если в этих центрах произойдет какой-то сбой, травма, микроинсульт, то, к сожалению, такие потери, они практически невосполнимы. Как правило, мы говорим о стволовых структурах как о структурах древних, это означает, что они есть уже у рыб, или, например, как о структурах старых. Если в физиологии и анатомии мозга используется понятие старые структуры, это часто то, что еще называют рептильным мозгом, то, что есть у наших предков — ящериц, змей, не знаю, динозавров каких-нибудь. Во всяком случае, это древние центры, связанные в основном с врожденно заданными программами.
Ствол, он как ствол дерева, и на нем растет мозжечок и большие полушария. Мозжечок, про него в основном все знают, что это центр, который управляет движениями, а если точнее, это центр нашего двигательного обучения и формирования двигательной памяти, то есть это зона, которая учится сокращать наши мышцы в правильной последовательности, хорошо координировать движения. И с того момента, как ребенок начал шевелиться в утробе матери, мозжечок начинает формировать эти двигательные автоматизмы. Несмотря на то, что мозжечок довольно невелик, в нем находится больше половины наших нервных клеток, и вообще надо сказать, что движениями занимается, как минимум, две трети наших нейронов, это очень важная функция. Поэтому если вы хотите взбодрить мозг, то подвигаться это самая лучшая идея, особенно если это будет какое-то новое движение, скажем, танец под музыку, вот тогда очень многие нервные клетки начинают активно передавать сигналы, и идет такое общее возбуждение нейросетей, и многие-многие функции начинают работать лучше. Разные части мозжечка запоминают разные движения, какая-то зона отвечает за поддержание равновесия, какая-то за ходьбу и бег, а самая наружная часть отвечает за тонкую моторику пальцев, речь, то есть вот те самые новые функции, которые характерны уже для мозга млекопитающих. То есть древние функции — рыбы, старые функции — рептилии, а новые функции — млекопитающие, ну и особенно если рука, это, конечно, обезьяны, то есть это наша такая специфическая линия эволюции, которая позволила нам сначала хорошо цепляться за деревья, а потом взять в руки орудия труда и достичь таких успехов в этом мире.
Ну и большие полушария, здесь, конечно, каждая зона тоже имеет свою функцию, и в отличие, например, от стволовых структур, кора больших полушарий это прежде всего нейросети, которые обучаются, то есть там мы можем видеть в момент рождения ребенка как бы такие пустые зоны, готовые к записи информации. И мы начинаем учиться, вкладывать туда те или иные программы, и очень многие программы формируются, записываются на нашу кору больших полушарий за счет подражания. Это так называемые зеркальные принципы работы мозга, которые по сути лежат в основе нашей культуры, то есть мы можем, глядя на наших родителей, наших учителей, на тех, кого мы выбираем образцами для подражания, запоминать информацию, структурировать свое поведение, и это, конечно, очень здорово. То есть, по сути, это основа нашей цивилизации, нашей культуры, вот такая не генетическая передача информации из поколения в поколение.
И собственно, скажем, затылочная кора — это зрительная зона, височная — это слуховая зона, теменная кора — это чувствительность тела и так далее. С мышлением связана прежде всего область на стыке затылочной, теменной и височной коры, а вот воля, принятие решений, это прежде всего лобная кора, поэтому такое страшное слово лоботомия, оно, собственно, обозначает травму, которая выключает человека как личность и лишает возможности принимать волевые решения, планировать действия, претворять какие-то планы в жизнь.
Итак, мозг это примерно 1300-1500 такой вот достаточно желеобразной массы, которая спрятана в нашей черепной коробке, если мы говорим о головном мозге. Но дальше, если мы хотим знать, а как он более тонко устроен и функционирует, нам нужно взять микроскоп и погрузиться в нервную ткань, и там мы обнаружим прежде всего, конечно, нервные клетки, нейроны, клетки, которые имеют очень характерное строение и обладают большим количеством отростков. Отростки эти называются дендриты и аксоны. Дендриты — это отростки, которые принимают сигналы, по аксонам информация убегает от нервных клеток к другим клеткам нашего организма. Всего у нас в мозге около 90 миллиардов нервных клеток, и каждая их них за счет аксонов и дендритов соединена где-то с тремя, четырьмя, пятью тысячами других нейронов. Возникающая нейросеть, она, собственно, в основе и обучения, и принятия решений, и управления движениями, собственно, все функции нашего мозга, даже самые сложные психические функции, они реализуются за счет функционирования, работы нейросети.
И сейчас мы все лучше и лучше можем это видеть с помощью современных методов, особенно с помощью технологии, которая называется ФМРТ, функциональная магнитно-резонансная томография, когда в течение ну буквально нескольких секунд можно накопить информацию об активности той или иной зоны мозга. Собственно, как устроено ФМРТ? По сути, это реакция на кровенаполнение в том или ином отделе нервной системы. То есть, если где-то нервные клетки начинают работать более активно, они более активно потребляют кислород и выделяют углекислый газ, а сосуды нашего мозга, они так устроены, что при увеличении концентрации углекислого газа они расширяются. И соответственно, в той зоне мозга, которая активно работает, становится больше крови, а кровь это гемоглобин, а в гемоглобине железо, и вот на это железо и реагирует, собственно, ФМРТ. По сути мы видим активность не отдельных клеток, а достаточно больших крупных зон, размером, скажем так, в миллиметр, в два миллиметра, но тем не менее, мы можем увидеть, оценить, как, например, при решении какой-то визуальной задачи меняется кровенаполнение в затылочной коре, как, скажем, вспыхивает передний гипоталамус, если вы разглядываете фотографию любимого человека, как зажигается, например, амигдала, структура в глубине височных долей, если человек испытывает страх и агрессию. Все это становится доступным при помощи современных методов анализа.
Ну и еще немного, и мы увидим такие тонкие процессы, как скажем, человеческая воля, человеческое сознание. Пока это не очень получается, потому что данные события очень быстрые, 1-2 секунды, и мозг занимается уже чем-то другим, и ФМРТ, вот эта технология, она не успевает накопить сигнал, то есть нужно хотя бы три, хотя бы пять секунд. То есть пока мы такие быстрые процессы не видим, но уже, например, видим конкуренцию положительных и отрицательных эмоций, когда человек принимает какое-то важное решение, скажем, уже делать этой девушке предложение или не делать, или там берем ипотеку-не берем ипотеку. Вот подобные эксперименты, они проводятся, и есть особая область, которая называется нейроэкономика, на стыке физиологии, психологии, экономики, когда, скажем, мы можем пронаблюдать, как принимаются те или иные решения в нашей нервной системе.
Но если смотреть по сути, то все это активность конкретных нервных клеток, в конкретных нейросетях, и собственно, по ходу нашего обучения каждый нейрон, он формирует все более прочные контакты с другими нервными клетками. Да, каждая нервная клетка соединена тысячами контактов с соседними нейронами, но эти контакты изначально могут функционировать достаточно вяло, достаточно хило, и сигнал передается совсем слегка. По ходу нашего обучения информация начинает передаваться все более и более активно, возникает как бы такая колея для передачи сигналов, и этот процесс лежит в основе того, что мы называем обучением и памятью. Поэтому нервная клетка, например, ей запрещено делиться, все знают, что нейроны не делятся. Это не какой-то дефект, это прямой запрет, потому что по ходу обучения и встраивания каждой нервной клетки в некую нейросеть, те контакты, которые возникают, это по сути каналы для передачи информации. И если вы разрешите нервной клетке разделиться, то каналы будут разорваны, то есть разделившийся нейрон это не два нейрона, а один поломанный нейрон, поэтому деление запрещено. А вот сами контакты, вот эти синапсы, их можно добавлять, их количество можно уменьшать. Вообще самая густая нейросеть, судя по всему, она в мозге ребенка в возрасте примерно трех лет, то есть в этот момент наша, например, кора больших полушарий способна к очень сложным и очень разным процессам обучения, запоминания, адаптации. И вот дальше, в зависимости от тех условий, в которых взрослеет мозг, разные компоненты нейросети, разные участки нейросети, они используются, скажем так, с разной частотой, с разной интенсивностью. И в тех зонах, где сигнал почти не проходит, ну вот не понадобились они, постепенно начинается разрыв контактов, то есть каждый контакт синапс это же ведь дополнительная энергия, поэтому какой смысл кормить и снабжать энергией те участки нейросети, которые активно не функционируют. Идет действительно вот такой вот разрыв, адаптация, подгонка нейросети под текущие задачи, и собственно до возраста 30, даже 40 лет, мы называем это оптимизацией.
Но дальше что происходит, мы идем по жизни, выбрав какую-то профессию, взаимодействие с какими-то конкретными людьми, мы примерно одинаково каждый день двигаемся. Вот эта одинаковость, она еще называется словом стереотипизация поведения, стереотипизация жизни, эта одинаковость, она приводит к тому, что и после 40-50 лет контакты разрываются, разрываются и разрываются. И это называется уже не оптимизация, а деградация, упрощение, поэтому очень важно, чтобы нейросети получали новые, дополнительные сигналы, чтобы мы ввязывались в какие-то новые проекты, чтобы много, активно и интересно двигались. Все это залог сохранения высокой эффективности работы мозга, ну и того, что мы называем активным долголетием.
Можно попытаться починить нейросети, используя стволовые клетки. Подобного рода научные проекты, они еще как бы в самом начале своей реализации, потому что ведь недостаточно просто вставить стволовую клетку куда-нибудь в поврежденный участок спинного мозга, нужно дальше как-то объяснить этой клетке, как установить контакты с другими нейронами, чтобы каналы для передачи информации заработали. И вот это, конечно, самое сложное. То есть технология стволовых клеток позволяет заместить погибшие клетки в тех или иных частях нашего тела. Скажем, произошел инфаркт, вот с помощью стволовых клеток можно попытаться зону рубца как бы «засадить» новыми кардиомиоцитами, новыми мышечными клетками сердца, и собственно устранить последствия инфаркта. И такие работы сейчас очень активно ведутся, и там гораздо более понятно, как собственно, направлять научные исследования. В случае мозга использование стволовых клеток это существенно более сложная и тяжелая задача, потому что нужно объяснить нейронам, а куда направлять свои аксоны и дендриты. Но тем не менее, такие исследования тоже проводятся, и например, большое внимание уделяется стволовым клеткам, нервным стволовым клеткам, которые есть у нас в носовой полости. То есть наши обонятельные рецепторы, клетки, которые реагируют на запахи, это истинные нейроны, но они живут в носовой полости всего около двух месяцев, потом разрушаются, и на смену приходят новые обонятельные рецепторы. Это значит, что в слизистой носовой полости есть вот такие стволовые клетки, которые, если выделить, дальше можно использовать для починки нервной системы конкретного человека, для того, чтобы еще обойти несовместимость тканей. Вот все это очень интересные такие, очень современные и многообещающие перспективы.
Как работают отдельные нервные клетки? Если мы смотрим на нейрон, мы видим, что он передает информацию в виде коротких электрических импульсов, таких ступенечек тока, которые называются потенциалы действия. И подобный принцип передачи сигналов, он очень похож на тот, который используется в компьютерах, то есть в компьютерах есть двоичная система, 01 01, и с помощью ступенек тока кодируется вся та информация, которая идет внутри вычислительных устройств. Похожий принцип используют и наши нервные клетки, то есть все наши мысли, чувства, они кодируются такими ступеньками тока, и эти ступеньки имеют очень стандартные параметры. Их амплитуда около 0,1 вольта, немного, но вполне достаточно для того, чтобы уверенно передавать сигналы и их не терять. Если синхронно срабатывает большое количество нервных клеток, мы видим это как волны электроэнцефалограммы, то есть особые электрические волны, события, которые можно записывать с поверхности головы, и ЭЭГ, электроэнцефалограмма, это важный метод для такой экспресс-оценки состояния, прежде всего, коры больших полушарий. Огромную роль энцефалограмма играет, например, в диагностике эпилепсии, с ее помощью можно четко различить разные состояния сна, скажем, сон-отдых, медленноволновой сон и парадоксальный сон, когда на электроэнцефалограмме картина бодрствующего мозга. И используя наши знания об электрических принципах функционирования нервных клеток, можно пытаться воздействовать на работу мозга вот именно за счет каких-то электрических воздействий.
Например, вживление стимулирующих электродов. Это так называемая глубокая стимуляция мозга, deep brain stimulation, когда, естественно, по клиническим показаниям вживляются, собственно, источники электрического сигнала, например, в очаг тяжелой эпилепсии, которая не лечится противосудорожными препаратами, или в очаг тяжелой депрессии, которая не устраняется антидепрессантами.
Это, конечно, очень отдельные истории, но тем не менее это уже довольно типичная операция, которая проводится, например, в Москве в институте нейрохирургии имени Бурденко. То есть вживление подобных электродов позволяет человеку порой вернуться к нормальной жизни, и это очень важная, очень современная технология.
Существует технология транскраниальной магнитной стимуляции, ТМС, когда с помощью такой восьмерки, где очень много накручено проводов, генерируется мощнейший магнитный импульс, выключающий небольшое количество нервных клеток в коре больших полушарий. Надо сказать, что физическая основа этого метода еще недостаточно изучена, но он тоже уже применяется в клинике, опять-таки для лечения, скажем, тяжелых депрессий или, например, для помощи людям после инсульта, то есть с помощью ТМС порой удается ускорить восстановление коры больших полушарий после инсульта.
Наиболее интересная и бурно развивающаяся область в сфере использования электрических принципов работы мозга ― это то, что называется нейрокомпьютерные интерфейсы, когда некая железяка сопрягается на входе с мозгом или, например, наоборот, снимаются сигналы с мозга и направляются, скажем, на железную руку.
Зачем это нужно? Прежде всего для помощи людям, у которых, скажем, проблемы с сенсорными системами или, например, поврежден спинной мозг и невозможно нормально управлять рукой. То есть вы берете видеокамеру, перекодируете полученные от нее сигналы в двоичный код, понятный мозгу, и, соответственно, пытаетесь помочь слепому человеку. С двигательных центров, например, с того же мозжечка вы считываете сигналы, идущие к мышцам, и дальше направляете их на некое железное устройство, которое позволит человеку, скажем, брать предметы, а может быть, вообще ходить или работать на клавиатуре. Все это ― такие очень-очень интересные и важные, перспективные области.
Итак, по отдельным нейронам сигнал передается в виде электрических импульсов, но между нейронами передача, как правило, осуществляется химическим путем за счет выделения особых молекул. Они называются нейромедиаторами, и знание о нейромедиаторах ― это основа современной психофармакологии, а также такой отдельной сферы, которая именуется наркологией.
Список нейромедиаторов достаточно велик, но около дюжины основных молекул очень активно изучаются, и два самых главных нейромедиатора называются глутаминовая кислота, или глутамат, и гамма-аминомасляная кислота, или ГАМК. Глутамат ― это наш главный возбуждающий медиатор, и с его помощью передается львиная доля информации в нашем головном и спинном мозге. Соответственно, скажем, процессы памяти, сенсорные сигналы, движения, когда они готовятся, ― это все выделение глутамата.
Система ГАМК ― тормозная система, это наш главный тормозной нейромедиатор, и тормозить лишние сигналы не менее важно, чем их передавать. То есть очень важно проводить информацию, но не менее важно не допускать проведения лишней информации, убирать лишние сенсорные сигналы, сенсорный шум, убирать эмоциональный шум, ментальный шум. То есть в хорошо работающем мозге работает активно не много нейронов, а наоборот, мало, а остальные помалкивают и не мешают, и это делает система гамма-аминомасляной кислоты.
И для очень многих аспектов качественного функционирования нашего мозга важен тонкий баланс возбуждения и торможения, баланс между глутаматом и ГАМК. Если он нарушается, а он нарушается, как правило, в сторону избыточного возбуждения, возникают самые разные проблемы. У детей это называют порой СДВГ, у взрослых ― повышенная тревожность или бессонница, а самый предельный вариант ― это эпилепсия, когда в мозге хронически присутствует очаг, как правило, мы видим этот очаг такого избыточного возбуждения, из которого периодически вырываются волны активации, провоцирующие припадки, судороги, нарушающие всю работу мозга. Это очень отдельная и важная сфера. Эпилептиком является каждый двухсотый человек, это все очень значимо и актуально.
Для того чтобы корректировать баланс возбуждения и торможения, используются или препараты, которые помогают ГАМК, или препараты, которые мешают глутамату. Сейчас существует довольно большой арсенал таких лекарственных средств.
Второй слой нейромедиаторов составляют молекулы, связанные с психоэмоциональной сферой: дофамин, эндорфины, норадреналин, серотонин. Эти молекулы на слуху, они всем известны. Собственно, самым значимым нейромедиатором положительных эмоций является дофамин. Это молекула, которая довольно специфично связана, например, с радостью движений или радостью, которую мы испытываем при получении новой информации, по ходу творческих процессов.
Если система дофамина активно работает, вы любите двигаться и для вас значимо творчество, значимо узнавание нового, то есть вы такой экстравертный, открытый новому человек. Если дофаминовая система работает не очень хорошо, вы, соответственно, двигательно можете быть более ленивы, более склонны к комфорту. Каждому из нас достался разный уникальный мозг. Мы уникальны на генетическом уровне, уникальны на уровне иммунной системы и уникальны на уровне нейросетей, и врожденная установка активности разных нейромедиаторных систем во многом лежит в основе нашего темперамента.
Соответственно, высокая активность дофаминовой системы делает мозг более настроенным на новизну, активное взаимодействие с окружающим миром, а если зашкаливает интенсивность дофаминовых сигналов, то это порой предпосылки к психопатологиям, таким как маниакальное состояние или шизофрения. Для того чтобы как-то справляться с этими состояниями, используют препараты, которые мешают дофаминовой системе, они называются нейролептики.
И примерно такую же историю можно рассказывать про другие нейромедиаторы, связанные с положительными эмоциями. Прежде всего это норадреналин и эндорфины. Эндорфины ― очень важная группа нейромедиаторов, которые, с одной стороны, контролируют боль, с другой стороны, вызывают положительные эмоции, которые связаны с тем, что можно назвать поведенческим затиханием. То есть если у вас в мозгах много дофамина в результате вашего поведения, то вам хочется бежать по улице и кричать от радости, а если в результате того, что вы совершили, много эндорфинов, то вы просто тихо лежите в углу и думаете, что жизнь удалась. Это довольно большая разница. Соответственно, выделение эндорфинов связано с радостью комфорта, еды, затиханием после секса или, например, с ситуацией, когда ребенок прижался к маме, и ему, и ей уютно, комфортно и как-то светло и радостно в этом мире.
Во всяком случае, сфера нейромедиаторов, связанных с положительными эмоциями, очень бурно изучается. У этой области есть темная сторона, потому что препараты, обладающие наркотическими свойствами, как правило, похожи на дофамин, норадреналин, эндорфина, и тогда введение этих молекул в организм на пустом месте вызывает радость и эйфорию. К сожалению, наши нейросети в коре больших полушарий тут же запоминают: а, вот что надо сделать, чтобы испытать вот такой кайф, ― и мгновенно возникает то, что называется психологической зависимостью, а если повторно использовать такие препараты, то идет нарушение уже на синаптическом уровне, и тогда мы говорим о физиологической зависимости.
Наркотики ― очень опасная штука, это такой черный вход в наши нервные процессы. Собственно, порой даже однократное их применение наносит необратимые повреждение или, по крайней мере, очень долготекущие повреждения. Я, как нейробиолог, категорически против использования таких веществ, и вообще мне кажется, что обидно быть зависимым от какой-то молекулы.
А в целом наши знания о мозге, о нервных клетках, о механизмах электрической и химической передачи позволяют нам, во-первых, быть более осознанными пользователями этой штуки, которая спрятана в нашей черепной коробке, и в целом, надеюсь, делают человечество более здоровым и более счастливым.