Мозг. Как он устроен и что с ним делать - Илья Мартынов

В последние годы ведутся разговоры о том, чтобы расширить возможности нашего мозга за счет встраивания различных чипов и дополнительных модулей обработки информации. Но прежде чем понять, почему этого до сих пор не сделано, необходимо осознать один важный факт: мозг не компьютер.

Почему мозг не компьютер

Интересно, что даже процессор компьютера обрабатывает информацию не параллельно, а последовательно. Да-да. Он перебирает все программы по очереди! Просто он делает это очень быстро, и нам кажется, что все происходит одновременно.

Рис. 59. Миелинизированное волокно с перехватами (перехваты Ранвье)

Наш мозг несколько медленнее, чем принято думать. Давайте убедимся в этом на конкретных цифрах. Импульс бежит со скоростью 3–7 м/с по немиелинизированному волокну (без оболочки из клеток глии) и около 120 м/с по миелинизированному. Но миелинизировано волокно неравномерно: где-то есть утолщения, а где-то – участки, практически свободные от миелина (перехваты). Посмотрите на рис. 59.

Импульс не бежит напрямую, а скачет от одного перехвата к другому. И хотя сейчас многое об ионных токах в клетках мы стали понимать лучше, чтобы упростить, будем считать, что за счет перескоков импульс прыгает в миелинизированном волокне быстрее.

Но много это или мало – 120 м/с? Вообще, это 432 км/ч. Скажем, серийный автомобиль Bugatti Veyron способен развивать сопоставимую скорость (407 км/ч). Импульс скачет немногим быстрее серийного автомобиля.

А теперь другие цифры. Исследуя ответы структур во время предъявления слуховых стимулов, физиологи выяснили, что до коры импульсы могут идти десятки миллисекунд. Скажем, процессы зрительного внимания начинают включаться в работу только с 50–60 мс после предъявления изображения (стимула). Некоторые авторы осторожно указывают, что слуховая осознанная обработка информации может происходить только спустя 20–30 секунд после поступившего звукового сигнала.

На самом деле даже 60 мс – это очень существенное время для мозга. Получается, что мы как бы видим и слышим с легким запаздыванием. А уж начинаем включать сложные формы внимания чуть ли не через полминуты. И это осознанно. Почему так долго? Как раз потому, что до этого мозгу нужно самому «поварить» все на скрытой от сознания внутренней кухне. И лишь после этого он формулирует и шлет нам сигнал-сообщение о том, что все хорошо и вроде бы мы сами сознательно приняли решение.

Отличие «цифрового» и «нейронного» восприятия

Известно, что цифровая техника позволила нам производить более точные измерения. Аналоговые весы (например, безмен) имеют ограниченное число делений и не могут показать нам сотые доли граммов. Цифровые весы могут распознать отличия в весе и в 1 грамм, и в 0,01 грамма. Но нервная система не умеет работать с различиями в столь малых величинах.

Согласно психофизиологическому закону восприятия (закон Вебера – Фехнера), сила ощущения прямо пропорциональна логарифму интенсивности воздействующего стимула. На практике это означает, что для нашего мозга нет разницы между грузом в 100 граммов и 101 грамм. Но все изменится, если масса составит, скажем, 100 и 120 граммов. Опытным путем было обнаружено, что порог различий должен составлять около 5 %. То есть наш мозг может отличить только 100 и 105 граммов. Соответственно, для веса в 200 граммов необходим порог в 10 граммов (200 и 210) и так далее. Порог различий удваивается пропорционально увеличению массы. Для света, звука и других ощущений есть свои соотношения.

Ранее мы уже разобрали механизмы обработки информации как по этажам, так и по отдельным нейронным цепям в коре мозга. Может возникнуть ложное ощущение, что сегодня науке известно все о механизмах восприятия сигналов нервной системой. Но главная проблема в том, что мы до конца не можем объяснить природу закона восприятия Вебера – Фехнера, как и других психофизиологических закономерностей.

Открытия, сделанные в области клеточной нейрофизиологии, в некотором смысле даже на какое-то время завели исследователей в тупик. Казалось, что открытие нейроновдетекторов в зрительной системе (см. часть I), реагирующих на линии определенного наклона, на движения, на целые объекты (лица, жилища), должно было объяснить работу психофизиологических законов, но этого не произошло.

Инженерам хотелось уподобить нейронные импульсы электрическим в процессоре компьютера, сделать нейронные разряды вариантом алфавита. В каком-то смысле Е. Н. Соколов, уже упомянутый в книге ранее, попытался это сделать, раскрыв модель ориентировочной реакции.

Но еще дальше в этом направлении продвинулась в нашей стране Наталья Петровна Бехтерева. Она стала широко использовать термин «нейронные коды». В 1970–80-х годах в ее лаборатории проводили исследования, в которых множество электродов погружали вглубь мозга. Бехтеревой удалось записать целые группы импульсов, связанных в течение определенного времени с физическими особенностями и смыслом воспринимаемых сигналов. По сути, получалось, что какой-то сигнал соответствовал совокупной активности группы клеток. Подобные группы импульсов и назывались нейронными кодами. Возникало ощущение, что так можно составить своего рода словарь нейронных кодов памяти. Но сделать это удалось далеко не сразу.

Метод регистрации мозговой активности с помощью погруженных в нервную ткань электродов был популярен в среде нейрофизиологов 1970–80-х годов. Но были и ученые, которым хотелось получить доступ к психофизиологии мозга без вскрытия черепной коробки. Тогда функциональной МРТ еще не существовало, поэтому оставался только метод регистрации ЭЭГ.

Кстати, электроэнцефалограмма представляет собой отражение активности огромного количества нейронов. Широкое распространение регистрация ЭЭГ получила в 1930-е годы. Впоследствии метод стал особенно популярен у неврологов, потому что позволял достаточно точно сказать: есть ли в работе мозга человека признаки эпилепсии или нет.

Одним из исследователей, который смог обнаружить на ЭЭГ отражение психических процессов, в том числе связанных с восприятием и мышлением, был академик Михаил Николаевич Ливанов. Он подошел к решению этих вопросов еще до Второй мировой войны. Ливанов предположил, что, если двум областям мозга (даже весьма удаленным друг от друга) нужно выполнить работу в рамках одного психического процесса, их нервные клетки должны работать синхронно (на одной частоте). И это было поистине простым до изящества предположением.

У клеток после возбуждения наступает фаза отдыха (рефрактерности), когда их невозможно активировать. Но через некоторое время приходит черед фазы сверхвозбудимости (экзальтации), когда клетки легко включаются в работу. И вот если две группы клеток работают на одной частоте, но с небольшим фазовым сдвигом (задержкой), могут возникать ситуации, когда импульс добегает от одной группы клеток к другой как раз в фазу сверхвозбудимости. И так происходит установление функциональной связи между двумя группами клеток из разных областей мозга. В статье 2007 года академик Алексей Михайлович Иваницкий по этому поводу приводит хорошую аналогию со светофорами, регулирующими движение автотранспорта. Светофоры работают на одной частоте, но существует задержка включения зеленого света, равная времени, которое затрачивают автомобили чтобы доехать от одного перекрестка к другому.