Если мы начнем сравнивать мозг с компьютером в деталях, то обнаружится весьма обидная ситуация: в вычислительной машине упомянутые ступеньки тока генерируются по несколько миллиардов за секунду (гигагерцы), а рабочая частота большинства нейронов нашего мозга составляет примерно 50–100 Гц. Получается, что в нервной системе по каждому аксону за единицу времени передается очень мало информации. Вдобавок происходит это чрезвычайно медленно. В компьютерах сигналы распространяются, как говорят нам физики, со скоростью, составляющей примерно половину от скорости света, а у нас максимальная скорость 100–120 м/с, это очень мало.
У такого большого существа, как человек, пока импульс от кожи пальца добежит до спинного мозга, переработается там и вернется обратно, появляется явная задержка во времени, и палец при этом может, например, вполне чувствительно пострадать. Если бы у нас по нервам информация шла со скоростью света, мы бы вообще не обжигались. Мы бы настолько быстро реагировали, что в тот момент, когда палец прикасался к горячей сковородке, рука бы сразу же отдергивалась. Но скорость 100 м/с дает задержку при проведении импульсов по руке порядка 20 м/с, и за это время палец повреждается – спасибо, что не сгорает дотла.
Эволюция честно пыталась создать максимально «быстрые» аксоны, но смогла только такие. И это тоже победа, так как скорость проведения импульсов по нервам у примитивных беспозвоночных не превышает 1 м/с.
Мозг как химическая конструкция
Если копнуть еще глубже, то мы увидим, что мозг – не только электрическая машина, но и химическая конструкция. В ней огромную роль играют так называемые синапсы – контакты между нервными клетками. Как правило, аксоны нейрона дотягиваются до следующей клетки.
Пока информация находится внутри нейрона, она передается в электрической форме в виде импульсов. Но когда приходит время переходить к следующей клетке, информация передается в химической форме в виде особых веществ – медиаторов, и это очень интересно.
Получается чередование: в нейроне – электричество, между нейронами – химия. Потом опять электричество и опять химия. Это чередование химической и электрической передачи – важный базовый принцип работы мозга.
Именно на химическом уровне нам гораздо легче влиять на работу и состояние нервной системы. Если мы знаем, какие вещества выделяются в синапсах (а наука это уже неплохо знает), мы можем вводить молекулы, похожие на них, или, например, мешающие им работать. Этим мы серьезно воздействуем на функции мозга: изменяем баланс между возбуждением и торможением, влияем на память, эмоции. Подавляющее большинство веществ, которые воздействуют на мозг: лекарства, яды или наркотические препараты, – похожи на химические соединения, выделяющиеся в синапсах. Соединения эти называются медиаторами, и они являются посредниками между клетками. Синапсы очень важны для работы мозга!
На рис. 1.1 справа крупно изображен синапс. Внутри окончания аксона находятся синаптические пузырьки – мембранные пузырьки, которые содержат медиатор. Логика работы синапса следующая: сначала по мембране нервной клетки пробегает электрический импульс, он называется потенциал действия; этот импульс запускает движение пузырьков с медиатором в сторону следующей клетки. Дальше пузырьки доходят до окончания аксонов, лопаются, медиатор попадает в узкую щель между аксоном и ближайшей клеткой (она называется синаптическая щель) и влияет на следующую клетку. Это влияние означает, что на мембране следующей клетки сидят особые белки, они выполняют функцию кнопок, а медиатор – это палец, который нажимает на эти кнопки. После того как медиатор нажал на эти белковые кнопки, следующая клетка может возбудиться, и тогда на ней возникнет импульс и побежит дальше. Это означает, что некий кусочек информации будет передаваться дальше.
Бывают и обратные ситуации, когда нажатие на «кнопку» тормозит следующую клетку, и такая клетка на некоторое время перестает передавать сигналы. Это тоже важно.
В нервной системе человека все время сосуществуют и конкурируют два принципа, все время решаются две задачи. Одна задача – это передавать информацию, а вторая – не передавать лишнюю информацию.
То и другое очень важно, поэтому соответственно есть механизмы передачи импульса на следующие клетки и есть механизмы блокады такой передачи. Медиаторы, выделяющиеся в конкретных синапсах, по своим эффектам делятся на две большие группы: возбуждающие и тормозные.
Возбуждающие – те, которые заставляют следующую клетку работать, генерировать импульсы, а тормозные – те, которые мешают следующей клетке проводить, как правило, ненужную информацию.
Важнейшие медиаторы – глутаминовая кислота и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).
Глутаминовая кислота, или глутамат, одновременно известна как вкусовая добавка. Тот самый глутамат, который улучшает вкус, в мозге работает как важнейший медиатор. Глутаминовую кислоту в качестве медиатора используют не менее 40–50 % нервных клеток. За счет выделения этого вещества передаются сенсорные сигналы, работает память, центры мышления и принятия решений. Двигательные программы, пока они не дошли до мышц, также зависят от выделения глутамата.
ГАМК – гамма-аминомасляную кислоту – в качестве медиаторов, судя по всему, использует не менее трети нейронов. Это вещество мешает проводить лишние сигналы и сдерживает шум в нервной системе, блокируя ненужные информационные потоки, мешающие обработке информации. Эта задача не менее важная, чем проведение сигналов. Наш мозг хорошо работает не тогда, когда много нейронов возбуждено, а когда возбуждены правильные нейроны и их – в идеале – небольшое количество.
Есть популярный вопрос, его очень любят задавать: «В мозге в каждый момент времени активно функционирует всего 10 % нейронов. Как сделать так, чтобы больше работало?» Многие считают, что чем больше, тем лучше. Они ошибаются. На самом деле если импульсы начнут генерировать слишком много нервных клеток, то возникнет перевозбуждение или даже вовсе – эпилептический припадок.
Хорошо работающий мозг – это не мозг, который активировал все клетки, а мозг, который активировал правильные клетки. Тормозить шумящие нейроны – очень важная задача, и ГАМК эту задачу решает.
Мы сейчас кратко познакомились с двумя главными игроками: с возбуждением и торможением. В дальнейшем о них не будет часто упоминаться, нас больше будут интересовать медиаторы второго уровня – медиаторы, которые отвечают за эмоции, мотивации и потребности. Эти медиаторы прежде всего генерируют позитивные эмоциональные переживания в те моменты, когда человеку удается – с точки зрения нашей биологии – совершить что-то хорошее.
Например, вы поели, или узнали что-то новое, или благополучно убежали от опасности – вот в эти моменты при возникновении эмоциональных переживаний в нашем мозге выделяются другие, не менее важные медиаторы. Главные из них – дофамин, норадреналин и эндорфины. На самом деле список этих медиаторов гораздо больше. Медиаторов, связанных с удовлетворением потребностей и положительными эмоциями, около десятка, и мы постепенно будем с ними знакомиться.
Иногда нейрон сравнивают с чипом компьютера, причем весьма сложным, потому что на нервной клетке в среднем сходится около 3000–5000 синапсов. Каждый нейрон одновременно получает информацию по нескольким тысячам каналов. Причем часть этих каналов – возбуждающие, часть – тормозные, и нейрон принимает решение о том, проводить сигнал дальше или не проводить. Все это складывается в весьма сложную картину. Отдельные чипы-нейроны собираются в вычислительные центры, занимающиеся дыханием, реакцией на звук, кратковременной памятью.
В таком случае мозг можно сравнить с огромным компьютерным центром, в котором тысячи отдельных вычислительных устройств сложным образом взаимодействуют друг с другом.
