После 25 лет размышлений о мозге данный факт кажется мне не менее поразительным, чем раньше. Тончайшая пленка, состоящая из нервных клеток, видит, чувствует, творит наше мировоззрение. Это просто невероятно! Наслаждение теплотой летнего дня и смелые мечты о будущем – все создается этими клетками. Много лет спустя после публикации статьи в журнале Scientific American Фрэнсис Крик написал книгу под названием Поразительная гипотеза. Поразительная гипотеза состояла в том, что разум создается нейронами. Ничего другого не существует: никакой магии, никакого специального соуса, только нейроны, исполняющие информационный танец. Надеюсь, вы прониклись тем, насколько важным было это открытие. Существует большой философский канал, соединяющий нервные клетки и опыт нашего сознания, однако разум и мозг – это одного поля ягоды. Называя свой тезис гипотезой, Крик просто проявил политическую корректность. То, что клетки мозга – эти тридцать миллиардов нейронов – творят разум, совсем не предположение, а научный факт. Чтобы разобраться в том, как кора головного мозга формирует сознание, мы рассмотрим ее структуру более подробно.
Давайте вернемся к нашему секционному столу и еще раз взглянем на мозг в разрезе. Осматривая кору головного мозга невооруженным глазом, мы отметим, что она довольно однородна. Лишь большая продольная борозда разделяет два полушария головного мозга, а глубокая центральная борозда – его лобную долю и теменную. Других различимых разграничительных линий не существует. Одинаков и цвет всех видимых невооруженным глазом отделов мозга.
Тем не менее людям давно известно, что такие границы все же существуют. Еще до того как нейрологи обнаружили наличие обратных связей в коре головного мозга, им было известно, что за разные психические функции отвечают определенные отделы головного мозга. Человек, у которого повреждено правое полушарие, может лишиться чувствительности левой половины своего тела или способности воспринимать внешнюю среду слева от себя. При поражении левой лобной доли, где расположен центр Брока, возникает афазия Брока, которая характеризуется невозможностью объединения отдельных речевых движений в единый речевой акт (при этом словарный запас и способность понимать слова остаются неизменными). Поражение веретенообразной борозды, пролегающей по нижней поверхности височной доли, может лишить человека способности распознавать лица – он не узнает свою мать, жену, детей и даже свое собственное лицо на фотографии. Наблюдая за такими трудно вообразимыми мозговыми расстройствами, нейрологи пришли к осознанию того, что кора головного мозга состоит из многих функциональных зон. Каждая зона полунезависима и специализируется на определенных аспектах восприятия или мышления. Возникает ассоциация с лоскутным одеялом, причем почти одинаковым у большинства людей. Функциональная организация головного мозга имеет форму отраслевой иерархии.
Понятие «иерархия» очень важное, поэтому я хочу обсудить его подробнее и дать ему четкое определение, на которое буду ссылаться в последующих главах книги. Любая иерархическая система характеризуется тем, что одни элементы расположены выше, а другие – ниже. В иерархии делового мира, например, менеджер среднего звена расположен выше клерка и ниже вице-президента компании. Иерархическое расположение и физическая позиция в пространстве не тождественны: даже если кабинет менеджера находится этажом ниже той комнаты, в которой работает клерк, последний все равно стоит ниже в иерархической структуре компании. Я подчеркиваю это различие, чтобы в дальнейшем у вас не возникало сомнений, что я имею в виду, когда говорю, что какая-либо функциональная зона является высшей или низшей. Физическое местонахождение в структуре мозга в данном случае роли не играет. Все функциональные зоны головного мозга обитают в одной и той же ткани коры. Одна зона будет «выше» или «ниже» другой в зависимости от того, как они связаны и взаимодействуют друг с другом. Так, низшие зоны поставляют информацию в высшие через определенные нейронные каналы связи. В свою очередь, высшие зоны используют совершенно другие нейронные каналы связи для передачи обратных сигналов В отечественной науке выделяют такие зоны коры: первичные (проекционные), вторичные, третичные (интегративные, ассоциативные). – Примеч. ред.

. Кроме этого, еще существуют вторичные связи между отдельными областями иерархии – по аналогии с коммуникацией коллег одного уровня, но работающих в разных филиалах одной и той же компании. Двое ученых – Дэниэль Феллеман и Дэвид ван Эссен разработали схему коры головного мозга обезьяны, на которой изображены десятки областей, связанных между собой в сложную иерархию. Можно предположить, что похожая иерархия существует и в коре головного мозга человека.
Первичные сенсорные зоны, в которые непосредственно поступает информация об окружающем мире, являются низшими функциональными зонами. Эти области занимаются обработкой первичной информации на самом простом, базовом уровне. Например, зрительная информация поступает в кору головного мозга через первичную зрительную зону, назовем ее V1. Зона V1 обеспечивает зрительные свойства низшего уровня, такие как восприятие мелких контурных сегментов, простых составляющих движения, бинокулярное рассеивание (для стереоизображения), основные цвета, информация о контрастности. Зона V1 посылает информацию в зоны V2, V4, IT (о них мы расскажем позже), а также в другие зоны коры головного мозга. Каждая из этих зон отвечает за более узко специализированные или абстрактные аспекты восприятия визуальной информации. Например, нервные клетки, образующие зону V4, позволяют нам воспринимать объекты средней сложности, такие как формы звезд различных цветов. Зона МТ специализируется на восприятии движущихся объектов. На более высоких иерархических уровнях расположены зоны, отвечающие за запоминание всевозможных визуальных объектов (людей, животных, предметов и т. д.) и ассоциативные связи между ними.
Похожая иерархическая структура существует и в других отделах мозга, ответственных за получение информации об окружающем мире по другим сенсорным каналам. Так, есть первичная слуховая зона А1 и иерархия слуховых областей, расположенных над ней, а также соматосенсорная (ответственная за восприятие физических ощущений) зона S1 и иерархия соматосенсорных областей, расположенных над ней.
Наконец, сенсорная информация поступает в ассоциативные зоны (данное название используют для описания тех областей коры головного мозга, которые получают и оценивают информацию, исходящую от разных рецепторов). Например, есть зоны, получающие информацию от органов зрения и осязания. Именно благодаря этим ассоциативным зонам вы понимаете связь между видом мухи, ползущей по вашей руке, и щекочущим чувством на коже руки. Большинство ассоциативных областей получают значительно переработанную информацию от нескольких органов чувств, но их функции до сих пор остаются невыясненными. Позже мы еще вернемся к иерархической структуре коры головного мозга. Считается, что первичные зоны коры головного мозга обеспечивают элементарные ощущения; вторичные – целостные образы (люди, бабочки, звуки и т. д.); третичные (называемые еще ассоциативной корой) обеспечивают совместную работу различных анализаторов и формирование знаков и символов; при раздражении третичных зон у человека во время нейрохирургических операций на мозге могут возникнуть сценоподобные галлюцинации. (Например, человек может «видеть» и «слышать», как смеются его друзья, находящиеся на большом расстоянии от места операции. При этом, больной сам удивляется происходящему, так как осознает, где находится.)
Такая иерархичность организации зон является продуктом долгой эволюции животного мира. Например, у ежа и крысы первичная и вторичная зоны почти не дифференцированы, а третичных зон нет вообще. У человека, напротив, первичные зоны занимают небольшое место, они как бы вытеснены вторичными, а третичные зоны мозговой теменно-височно-затылочной коры занимают подавляющую часть места и наиболее развиты. – Примеч. ред.


В лобных долях коры головного мозга расположены моторные зоны, также имеющие иерархическое строение. Низшая моторная зона М1 посылает сигналы в спинной мозг и непосредственно управляет мускулами. Высшие зоны осуществляют обратную связь, посылая сложные моторные команды в зону M1. Иерархия моторных зон и иерархия сенсорных зон удивительно похожи, словно построены по одной и той же модели. В моторной области информация поступает из зон высшего порядка в зону M1 низшего порядка приводит мускулы в движение; в сенсорных областях органы чувств посылают информационные сигналы вверх по иерархической лестнице. В действительности же информационные сигналы передаются в обоих направлениях. То, что является обратной связью для сенсорных областей, одновременно является выходной информацией для моторных областей, и наоборот.
Большинство схематических изображений мозга представляют собой упрощенные отображения потоков информации и иерархических отношений зон коры головного мозга. Согласно таким описаниям, сенсорные сигналы из органов чувств (зрение, слух, осязание) поступают в первичные сенсорные зоны и по мере передвижения вверх по иерархии подвергаются обработке, потом проходят через ассоциативные зоны, поступают в лобные доли коры головного мозга и, видоизмененные, передаются назад в моторные зоны. Я не оспариваю такие представления. Действительно, когда вы читаете вслух, зрительная информация на самом деле поступает в зону V1, передается вверх к ассоциативным зонам, потом поступает в моторные зоны, расположенные в лобных долях коры головного мозга, и преобразуется в команду, заставляющую мышцы речевого аппарата сокращаться и воспроизводить звуки. Но не все так просто. Я хотел бы предостеречь вас от такого излишне упрощенного подхода, в котором сложные процессы передачи информации считаются односторонними, как будто сигналы всегда передаются в одном и том же направлении, подобно деталям автомобиля при сборке на конвейере. Я утверждаю, что информационные сигналы в коре головного мозга одновременно передаются и в нисходящем направлении, причем обратные информационные потоки, поступающие от зон высшего порядка к низшим, имеют большую информационную насыщенность. Возвращаясь к примеру с чтением вслух, высшие зоны коры головного мозга посылают к первичным зонам зрительного восприятия намного больше информации, чем получают ее от взгляда, бегущего по строкам книги! Ниже мы еще коснемся вопроса обратной передачи информации. А теперь – внимание: хотя иерархия строения коры головного мозга действительно существует, не стоит считать, что информационные потоки всегда движутся одними и теми же путями.
Вернемся к нашему воображаемому секционному столу Допустим, у нас есть очень мощный микроскоп. Мы сделали небольшой срез коры головного мозга, нанесли краску на несколько нервных клеток и рассматриваем их под микроскопом. Если бы мы окрасили все нейроны, то увидели бы однородную черную массу, поскольку клетки очень плотно прилегают друг к другу. Но, окрасив лишь небольшую их часть, мы сможем увидеть шестислойную структуру, о которой упоминалось выше. Слои различаются по типам и плотности составляющих их нейронов, а также по характеру связей между ними.
Рассмотрим строение нейрона. Любая нервная клетка состоит из тела клетки, или сомы, и двух типов внешних древоподобных ветвей: аксона («передатчика») и дендритов («приемников»). Тело клетки включает ядро, которое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы (импульсы) от других нейронов через дендриты и передает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль аксона, который в конце разветвляется на волокна. На окончаниях этих волокон находятся синапсы. Синапсы (от греч. synapsis – соединение, связь) – это специализированные функциональные контакты между возбудимыми клетками, служащие для передачи и преобразования сигналов.
Нервный импульс – это процесс распространения возбуждения по аксону от тела клетки до окончания аксона. Некоторые аксоны имеют обратное действие, таким образом подавляя возбуждение клетки. Итак, по функциональному значению синапсы могут быть возбуждающими и тормозящими – в зависимости от того, активируют они или подавляют деятельность соответствующей клетки. В зависимости от поведения двух клеток сила синапса может изменятся. Наиболее простая форма синаптического обмена имеет место, когда два нейрона создают возбуждение почти одновременно, а сила взаимодействия между ними возрастает. Исследователь нейронных сетей Дональд Хебб предположил, что синаптическая связь, соединяющая два нейрона, будет усиливаться, если в процессе обучения нейронной сети оба нейрона согласованно испытывают возбуждение либо торможение. Простой алгоритм, реализующий такой механизм обучения, получил название правила Хебба, к которому мы вернемся позже. Помимо переменной силы синапса, существуют также доказательства того, что в результате взаимодействия двух нейронов могут возникнуть совершенно новые синапсы. Возможно, данный процесс происходит постоянно. Научные доказательства такого факта носят противоречивый характер. Независимо от того как изменяется сила синапсов, с уверенностью можно утверждать, что формирование и усиление синапсов – это то, от чего зависит процесс запоминания.
В коре головного мозга существует много типов нейронов, но 80% из них являются пирамидальными. Они называются так потому, что тела их клеток напоминают форму пирамид. За исключением верхнего слоя шестислойной коры головного мозга, которая состоит из километров аксонов, но очень небольшого количества клеток, каждый последующий слой состоит из пирамидальных клеток.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38