Почему это вообще называется «отступлением»
Ствол мозга (и мозжечок)
Это самая древняя часть нашего мозга.
Это секция нашего мозгового сечения выше того, где живет босс-лягушка. Фактически весь мозг лягушки подобен этой нижней части нашего мозга:
Когда вы понимаете функцию этих частей, тот факт, что они древние, имеет смысл — все, что делают эти части, могут делать лягушки и ящерицы. Вот крупнейшие секции:
Продолговатый мозг
Продолговатый мозг заботится о том, чтобы вы не умерли. Он выполняет неблагодарные задачи управления непроизвольными процессами, такими как частота сердечных сокращений, дыхание и кровяное давление, а также заставляет вас рвать, когда думает, что вас отравили.
Варолиев мост
Варолиев мост делает всего понемногу. Он отвечает за глотание, контроль мочевого пузыря, мимику, жевание, слюну, слезы и стул — короче, все подряд.
Средний мозг
У среднего мозга еще больший кризис личности, чем у варолиева моста. Вы понимаете, что у части мозга проблемы, когда почти все ее функции выполняются другой мозговой частью. В случае среднего мозга речь идет о зрении, слухе, моторике, бдительности, температурном контроле и множестве других вещей, которыми занимаются другие части мозга. Остальная часть головного мозга также не особо похожа на средний мозг, учитывая то, как смехотворно неравномерно сложились «передний мозг, средний мозг, задний мозг», словно намеренно изолируя средний мозг.
За что стоит отдельно благодарить варолиев мост и средний мозг, так это за то, что они контролируют добровольное движение глаз. Поэтому если вы сейчас двигаете глазами, то в мосту и среднем мозге протекают процессы.
Мозжечок
Эта странная на вид штука, похожая на мошонку вашего мозга, это мозжечок, или cerebellum, что с латыни «маленький мозг». Он отвечает за равновесие, координацию и нормальные движения.
Лимбическая система
Над стволом мозга находится лимбическая система — часть мозга, которая делает людей просто невероятными.
Лимбическая система — это система выживания. Важная часть ее работы заключается в том, что всякий раз, когда вы делаете то же, что может делать ваша собака — есть, пить, заниматься сексом, драться, прятаться или убегать от чего-то страшного — за рулем находится лимбическая система. Хочешь ты этого или нет, но когда делаешь что-то из вышеперечисленного, ты находишься в примитивном режиме выживания.
В лимбической системе также живут твои эмоции, и на всякий случай эмоции тоже отвечают за выживание — это более продвинутые механизмы выживания, необходимые животным, живущим в сложной социальной структуре.
Всякий раз, когда где-то в вашей голове разворачивается внутренняя борьба, стоит благодарить вашу лимбическую систему за то, что она делает что-то, о чем вы позже пожалеете.
Я почти уверен, что контроль над вашей лимбической системой — это и определение зрелости, и основная человеческая борьба. Не то чтобы нам было лучше без лимбических систем — они делают нас людьми, в конце концов, и большая часть жизненного кайфа связана с эмоциями и удовлетворением животных потребностей. Просто ваша лимбическая система не учитывает, что вы живете в цивилизованном обществе, и если предоставить ей слишком большие полномочия в управлении вашей жизнью, она быстро ее разрушит.
В любом случае давайте рассмотрим ее подробнее. Есть много маленьких частей лимбической системы, но мы уделим внимание самым знаменитым.
Миндалина
Миндалина — это своего рода эмоциональное расстройство структуры мозга. Она отвечает за беспокойство, грусть и чувство страха. Есть две миндалины, и что странно, у левой настроение получше — иногда она производит счастливое чувство в дополнение к неприятным. Вторая же всегда в плохом настроении.
Гиппокамп
Ваш гиппокамп (от греческого — «морской конек», потому что на вид такой же) — это чертежная доска для памяти. Когда крысы начинают запоминать направления в лабиринте, воспоминания кодируются в их гиппокампе — буквально. Разные части двух гиппокампов крыс будут активироваться в разных частях лабиринта, потому что каждая секция лабиринта хранится в отведенной ей части гиппокампа. Но если после запоминания одного лабиринта крысе дадут другую задачу и вернут в оригинальный лабиринт через год, она его едва вспомнит, потому что чертежная доска гиппокампа будет стерта, дабы освободилось место под новую память.
История в фильме Memento вполне реальна — антероградная амнезия — и вызвана повреждением гиппокампа. Альцгеймер тоже начинается в гиппокампе, прежде чем проложить себе путь через другие части мозга, поэтому из-за множества разрушительных последствий болезни проблемы с памятью появляются первыми.
Таламус
В своем центральном положении мозга таламус также служит сенсорным посредником, который получает информацию от ваших органов чувств и отправляет в кору мозга для обработки. Когда вы спите, таламус спит вместе с вами, а значит, сенсорный посредник не работает. Поэтому в состоянии глубокого сна звук, свет или касание могут и не разбудить вас. Если вы хотите растолкать кого-то, кто спит глубоким сном, вам придется постараться достучаться до таламуса.
Исключением является ваше обоняние, которое является единственным ощущением, которое обходит таламус. Поэтому пахучие соли используют для пробуждения обгоревшего человека. И раз уж мы здесь, вот вам клевый факт: обоняние является функцией обонятельной луковицы и является самым древним чувством. В отличие от других чувств, обоняние коренится глубоко в лимбической системе, где работает в тесном контакте с миндалиной и гиппокампом, и именно поэтому запах так тесно связан с памятью и эмоциями.
Кора
Наконец, мы прибыли в кору, кортекс. Кора головного мозга. Неокортекс. Церебрум. Паллиум.
Самая важная часть всего мозга не может определиться с названием. И вот почему:
Мозг вблизи
Аксон, длинный отросток нейрона, который несет информацию, имеет микроскопический диаметр — слишком маленький для изучения. Но в 1930-х годах английский зоолог Дж. З. Юнг выяснил, что кальмары могут перевернуть наше представление о мозге, потому что у кальмаров невероятно большие аксоны в телах и над ними можно проводить эксперименты. Через несколько десятилетий, используя большой аксон кальмара, ученые Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли определенно выяснили, как нейроны передают информацию: потенциал действия. Вот как это работает.
Прежде всего, существует много различных видов нейронов:
Для простоты мы обсудим простой, обычный нейрон — пирамидальную клетку, подобную той, что можно найти в моторной коре.
Когда другие нейроны передают информацию нашему, то либо с ним ничего не происходит, либо он выдает потенциал, промежуточного варианта нет. Он не может быть немножко под напряжением или слишком под напряжением — либо он под ним, либо нет, и всегда в определенной степени.
Когда это происходит, импульс электричества (в виде кратковременного разворота нормального заряда его тела с отрицательного на положительный, а затем быстрого возврата к нормальному отрицательному) проходит через его тело (аксон) в его терминали аксона нейрона.
Вот так обычно информация движется через нервную систему — химическая информация, посылаемая в крошечном пробеле между нейронами, запускает передачу электрической информации через нейрон — но иногда, когда организму нужно быстрее перемещать сигнал, нейрон-нейронные соединения могут быть электрическими сами по себе.
Потенциалы действия движутся от 1 до 100 метров в секунду. Одной из причин этого большого разброса является то, что другой тип клеток нервной системы — клетка Шванна — выступает в роли заботливой бабушки и постоянно обертывает некоторые типы аксонов слоями жировых одеял, называемых миелиновой оболочкой. Примерно так:
Помимо защиты и изоляции, миелиновая оболочка является основным фактором в темпе коммуникации — потенциалы действия движутся гораздо быстрее через аксоны, когда покрыты миелиновыми оболочками.
Один хороший пример разницы в скорости, созданной миелином: вы знаете, каково это, когда вы ушибаетесь пальцем, ваше тело дает вам одну секунду на размышление, чтобы понять, что вы только что сделали и что вы сейчас почувствуете, прежде чем накатывает боль? Вы одновременно ощущаете удар мизинца о что-то твердое и острую часть боли, потому что острая информация о боли посылается в мозг через миелинизированные аксоны. Требуется секунда или две, чтобы появилась тупая боль, потому что она посылается через немиелинизированные «С-волокна» — на скорости метра в секунду.
Нейронные сети
Нейроны в чем-то похожи на компьютерные транзисторы — они также передают информацию на бинарном языке нулей и единиц (0 и 1), без срабатывания и со срабатыванием потенциала действия. Но, в отличие от компьютерных транзисторов, нейроны мозга постоянно меняются.
Помните, когда вы учитесь чему-то новому, и у вас хорошо получается, а на следующий день вы пытаетесь снова, но уже ни хрена? Дело в том, что вчера вам помогала в обучении концентрация химических веществ в сигналах между нейронами. Повторение вызывало изменение химических веществ, вы становились лучше, но на следующий день химические вещества вернулись в норму, поэтому и улучшения сошли на нет.
Но если вы продолжите практиковаться, вы в конце концов будете хорошо разбираться в чем-то, и это уже надолго. Вы как бы говорит мозгу «мне это нужно не на один раз», и нейронные сети мозга отвечают, соответствующим образом внося структурные изменения. Нейроны меняют форму и местоположение и укрепляют или ослабляют различные связи таким образом, чтобы создать сеть путей к навыку, к умению что-то делать.
Способность нейронов менять себя химически, структурно и даже функционально позволяет нейронной сети вашего мозга оптимизировать себя под внешний мир — это явление называют пластичностью мозга. Мозг младенца наиболее пластичный. Когда рождается ребенок, его мозг понятия не имеет, к какой жизни ему готовиться: к жизни средневекового воина, которому придется освоить фехтование, музыканта 17 века, который должен будет выработать точную мышечную память для игры на клавесине, или современного интеллектуала, которому придется хранить и работать с колоссальным количеством информации. Но мозг младенца готов менять себя под любую жизнь, которая его ожидает.
Младенцы — звезды нейропластичности, но нейропластичность сохраняется на протяжении всей нашей жизни, поэтому люди могут расти, меняться и учиться новому. И именно поэтому мы можем формировать новые привычки и ломать старые — ваши привычки отражают существующие схемы в вашем мозге. Если вы хотите изменить свои привычки, вам придется проявить большую силу воли, чтобы переписать нейронные пути мозга, но если вы постараетесь, мозг наконец поймет и изменит все эти пути, после чего новое поведение больше не будет требовать силы воли. Ваш мозг физически превратит изменения в новую привычку.
Всего в мозге насчитывается около 100 миллиардов нейронов, составляющих эту невероятно обширную сеть — подобно количеству звезд в Млечном Пути. Около 15-20 миллиардов этих нейронов находятся в коре, остальные — в других частях вашего головного мозга. Удивительно, что даже в мозжечке в три раза больше нейронов, чем в коре.
Давайте уменьшим масштаб и посмотрим на другое поперечное сечение мозга. На этот раз разрежем не вдоль, а поперек.
Вещество мозга можно разделить на так называемое серое и белое вещество. Серое вещество на самом деле выглядит темнее и состоит из клеточных тел (сом) нейронов мозга и их зародышей дендритов и аксонов — наряду с другим материалом. Белое вещество состоит в основном из электропроводных аксонов, переносящих информацию из сомы в другие сомы или в месте назначения в теле. Белое вещество белое, потому что эти аксоны обычно обертываются в миелиновую оболочку, которая представляет собой белую жирную ткань.
В мозге есть две основные области серого вещества: внутренний кластер лимбической системы и частей ствола мозга, о которых мы говорили выше, и толстый слой коры, покрытый двухмиллиметровым слоем коры снаружи. Большой кусок белого вещества между ними состоит в основном из аксонов кортикальных нейронов. Кора представляет собой большой командный центр, и из массы аксонов в его составе исходит множество ее приказов.
Крутейшая иллюстрация этой концепции — это набор художественных представлений, сделанных доктором Грегом Данном и Брайаном Эдвардсом. Посмотрите на четкую разницу между структурой внешнего слоя коры серого вещества и белым веществом под ним.
Эти кортикальные аксоны могут передавать информацию в другую часть коры, в нижнюю часть мозга или через спинной мозг — супермагистраль нервной системы — и в остальную часть тела.
Давайте посмотрим на нервную систему целиком.
Нервная система разделена на две части: центральная нервная система — ваш мозг и спинной мозг — и периферическая нервная система — состоящая из нейронов, которые исходят из спинного мозга в остальную часть тела.
Большинство типов нейронов — это интернейроны, которые общаются с другими нейронами. Когда вы думаете, в вашей голове куча интернейронов разговаривает между собой. Интернейроны в основном содержатся в мозге.
Два других типа нейронов — это сенсорные нейроны и моторные нейроны — они уходят вниз по спинному мозгу и составляют периферическую нервную систему. Эти нейроны могут быть метровой длины. Вот типичная структура каждого типа:
Помните две наших полосы?
Эти полосы находятся там, где рождается периферическая нервная система. Аксоны сенсорных нейронов уходят вниз из соматосенсорной коры, через белое вещество мозга, в спинной мозг (который просто являет собой массивный пакет аксонов). Из спинного мозга они уходят во все части вашего тела. Каждая часть вашей кожи устлана нервами, которые рождаются в соматосенсорной коре. Нерв, между прочим, — это несколько пучков аксонов, стянутых вместе в небольшой шнур. Вот нерв в разрезе:
Нерв — это все, что в сиреневом круге, а четыре больших круга внутри — это пучки аксонов.
Если муха садится на вашу руку, происходит следующее:
Муха касается вашей кожи и стимулирует пучок чувствительных нервов. Терминали аксона в нервах начинают работать с потенциалом, передавая этот сигнал в ваш мозг, чтобы сообщить о мухе. Сигналы идут в спинной мозг и в сомы соматосенсорной коры. Соматосенсорная кора затем дает сигнал моторной коре, что нужно лениво повести плечом, чтобы смахнуть муху. Определенные сомы в моторной коре, которые связаны с мышцами руки, начинают действие потенциалов, посылая сигналы назад в спинной мозги и оттуда в мышцы руки. Терминали аксона на конце нейронов стимулируют мышцы руки, которые встряхивают ее, чтобы согнать муху. Нервная система мухи проходит через свой цикл, и та улетает.
Затем ваша миндалина озирается и осознает, что на вас сидит насекомое, сообщает моторной коре неприязненно подергаться, а если это паук вместо мухи, также приказывает вашим голосовым связкам невольно закричать и разрушить вашу репутацию.
Получается, мы понимаем, как работает мозг? Почему же тогда, если профессор задал этот вопрос — сколько мили мы преодолели, если эта миля — все, что нам нужно знать о мозге, — ответом будет три дюйма?
А секретик вот в чем.
Мы знаем, как отдельный компьютер отправляет электронную почту и полностью пониманием любые концепции Интернета, например, сколько в нем людей, какие сайты самые большие, какие тренды ведущие. Но вся эта начинка в центре — внутренние процессы Интернета — они немного сбивают с толку.
Экономисты могут рассказать вам все о том, как действует отдельный потребитель, об основных концепциях макроэкономике и о всеобъемлющих силах в игре — но никогда не могут рассказать, как работает экономика с точностью до секунды или что с ней будет через месяц или год.
Мозг в чем-то похож. У нас есть малая картина — мы знаем все о том, как активируются нейроны. И у нас есть общая картина — мы знаем, сколько нейронов в мозге, каковы крупнейшие доли и структуры, как они управляют телом и сколько энергии потребляет система. Но где-то между — что делает каждая часть мозга — мы совершенно теряемся.
Просто не понимаем.
Что действительно хорошо показывает, насколько мы сбиты с толку, это то, как нейробиологи говорят о тех частях мозга, которые мы понимаем лучше всего. Вроде зрительной коры. Мы хорошо понимаем зрительную кору, потому что ее легко картировать.
Ученый Пол Меролла так описал ее мне:
«Зрительная кора имеет прекрасную анатомическую функцию и структуру. Когда на нее смотришь, буквально видишь карту мира. Поэтому когда что-то в поле зрения оказывается в определенной области пространства, сразу виден участок на коре, который представляет эту область пространства, он активируется. И если этот объект движется, есть топографическое картирование, на котором это отражают соседние клетки. Это почти как иметь декартовские координаты реального мира, который соответствует полярным координатам в зрительной коре. Можно буквально по сетчатке проследить, через таламус и в зрительную кору, как одна точка в пространстве отражается в точке зрительной коры.
Пока хорошо. Но он продолжает:
Это картирование действительно полезно, если вы хотите взаимодействовать с определенными частями зрительной коры, но есть много областей зрения, и чем глубже вы погружаетесь в зрительную кору, тем туманнее она становится, и это топографическое представление начинает ломаться. В мозге процессы протекают на самых разных уровнях, и визуальное восприятие отлично это показывает. Мы смотрим на мир, который представлен физическим трехмерным миром где-то извне — вот чашка, и вы ее видите — но ваши глаза видят лишь горстку пикселей. А когда вы смотрите на визуальную кору, вы видите 20-40 разных карт. V1 — это первая область, на которой размечаются кромки и цвета. Другие области отражают более сложные объекты, и все это разнообразное зрительное представление накладывается на поверхность вашего мозга. И вдруг, каким-то образом, эта информация собирается воедино из этого информационного потока, который закодирован таким образом, чтобы вы поверили, что видите простой объект.
И моторная кора, еще одна из наиболее хорошо изученных областей головного мозга, при ближайшем рассмотрении оказывается еще более сложной, чем зрительная кора. Потому что, хоть мы и знаем, какие общие области карты моторной коры отвечают определенным областям тела, отдельные нейроны в этих областях моторной коры топографически не выстроены, и специфика их совместной работы над созданием движения тела абсолютно не ясна.
Нейронные беседы на тему движения рукой в голове ни на что не похожи — нейроны не говорят по-английски, мол, «двигайся» — это схема электрической активности, и у каждого она немного своя. При этом вы хотели бы понимать совершенно интуитивно, что это означает «двигай рукой вот так», или «двигай рукой в направлении цели», или «двигай рукой налево, двигай еще, хватай, хватай с определенной силой, двигай с определенной скоростью» и так далее. Мы не задумываемся об этом, когда двигаемся — все это происходит незримо. Поэтому каждый мозг имеет уникальный код, в соответствии с которым он общается с мышцами в руке и кисти.
Нейропластичность, которая делает наши мозги такими полезными, также делает их невероятно трудными для понимания, потому что принципы работы нашего мозга основаны на том, как мозг формирует себя под действием определенной среды и жизненного опыта. Это не бездушный кусок мяса или чего-то там, который у вас, у меня, у тети Маши, у дяди Пети и у Билла Гейтса будет одинаковым хотя бы на вид — глубоко внутри мозг каждого человека уникален в самом высоком значении этого слова.
И снова, все это области мозга, которые мы понимаем лучше всего. «Когда дело доходит до более сложных процессов, таких как язык, память, математика», рассказал мне один эксперт, «мы вообще не понимаем, как работает мозг». Он посетовал, например, что понятие о своей матери закодировано по-разному и в разных частях мозга у каждого человека. И в лобной доли — именно там, где, как мы выяснили, вы обитаете — «там вообще нет топографии».
И все же ничто из этого не является причиной того, почему создать эффективный нейрокомпьютерный интерфейс так сложно. Сложными нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) делают колоссальные инженерские препятствия. Именно физическая работа с мозгом так усложняет процесс создания НКИ.
Ствол дерева в виде мозга нами построен. Мы готовы отправляться к первой ветке.
Часть 2: Мозг
Часть 7: Великое слияние
Полет над гнездом нейронов
Давайте на секунду отправимся назад во времени, в 50 000 год до нашей эры, украдем кого-нибудь и принесем его в 2017.
Это Бок. Бок, спасибо тебе и твоим людям за то, что вы изобрели язык.
Чтобы отблагодарить тебя, мы хотим показать тебе все невероятные штуки, которые нам удалось построить благодаря твоему изобретению.
Ладно, давайте посадим Бока на самолет, потом в подводную лодку, потом затащим на вершину Бурдж-Халифы. Теперь давайте покажем ему телескоп, телевизор и айфон. И пусть немного посидит в Интернете.
Было весело. Как тебе, Бок?
Да, мы поняли, что ты весьма удивился. На десерт, давайте покажем ему, как мы общаемся друг с другом.
Бок был бы потрясен, если бы узнал, что, несмотря на все волшебные способности, которые люди приобрели в результате диалогов между собой, благодаря умению говорить, процесс нашего общения ничуть не отличается от того, что был в его время. Когда два человека собираются поговорить, они используются технологии возрастом 50 000 лет.
Бок также удивится тому, что в мире, в котором работают удивительные машины, люди, сделавшие эти машины, бродят с теми же биологическими телами, с которыми ходили Бок и его друзья. Как такое возможно?
Вот почему нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ) — подмножество более широкой области нейронной инженерии, которая сама является подмножеством биотехнологий, — так интересны. Мы неоднократно покорили мир своими технологиями, но когда дело доходит до мозгов — нашего главного инструмента — мир технологий ничего нам не дает.
Поэтому мы продолжаем общаться с использованием технологий, изобретенных Боком. Поэтому я набираю это предложение в 20 раз медленнее, чем думаю, и поэтому болезни, связанные с мозгом, по-прежнему уносят слишком много жизней.
Но через 50 000 лет после того самого великого открытия мир может измениться. Следующим рубежом мозга будет он сам.
* * *
Есть много разных вариантов возможных нейрокомпьютерных интерфейсов (которые иногда называют интерфейсом «мозг — компьютер» или «мозг — машина»), которые пригодятся для разных вещей. Но все, кто работает над НКИ, пытаются решить один, второй или оба этих вопроса:
1. Как я буду извлекать нужную информацию из мозга?
2. Как я буду посылать нужную информацию в мозг?
Первое касается вывода мозга — то есть записи того, что говорят нейроны. Второе касается внедрения информации в естественный поток мозга или изменение этого естественного потока каким-то образом — то есть стимулирование нейронов.
Два этих процесса постоянно протекают в вашей голове. Прямо сейчас ваши глаза выполняют определенный набор горизонтальных движений, которые позволяют вам прочитать это предложение. Это нейроны мозга выводят информацию в машину (ваши глаза), а машина получает команду и реагирует. И когда ваши глаза движутся определенным образом, фотоны с экрана проникают в вашу сетчатку и стимулируют нейроны в затылочной доли вашей коры, позволяя картинке мира попасть вам в сознание. Затем эта картинка стимулирует нейроны в другой части вашего мозга, которая позволяет вам обрабатывать информацию, заключенную в картинке, и извлекать смысл из предложения.
Ввод и вывод информации — вот что делают нейроны мозга. Вся индустрия НКИ хочет присоединиться к этому процессу.
Поначалу кажется, что это не такая сложная задача. Ведь мозг — это просто шарик холодца. И кора — часть мозга, которую мы хотим присовокупить к нашей записи и стимулированию — это просто салфетка, удобно расположенная на внешней части мозга, где к ней легко можно получить доступ. Внутри коры работают 20 миллиардов нейронов — 20 миллиардов маленьких транзисторов, которые могут дать нам совершенно новый способ контроля нашей жизни, здоровья и мира, если мы научимся с ними работать. Неужели их так сложно понять? Нейроны маленькие, но ведь мы знаем, как расщепить атом. Диаметр нейрона в 100 000 раз больше атома. Если бы атом был леденцом, нейрон был бы километровым в поперечнике — так что мы точно должны уметь работать с такими величинами. Правильно?
В чем же проблема?
С одной стороны, это правильные мысли, потому что они приводят к прогрессу в области. Мы действительно можем это сделать. Но как только вы начинаете понимать, что на самом деле происходит в мозге, сразу становится очевидно: это самая сложная задача для человека.
Поэтому прежде чем мы поговорим о самих НКИ, нам нужно внимательно изучать, что делают люди, которые создают НКИ. Лучше всего — увеличить мозг в 1000 раз и посмотреть, что происходит.
Помните наше сравнение коры мозга с салфеткой?
Если мы увеличим салфетку коры в 1000 раз — а она была примерно 48 сантиметров с каждой стороны — теперь она будет длиной в два квартала на Манхэттене. Потребуется около 25 минут, чтобы обойти периметр. И мозг в целом будет размером с Мэдисон Сквер Гарден.
Давайте выложим его в самом городе. Уверен, несколько сотен тысяч людей, которые там живут, нас поймут.
Я выбрал 1000-кратное увеличение по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что мы все мгновенно можем преобразовать размеры в своей голове. Каждый миллиметр фактического мозга стал метром. В мире нейронов, который намного меньше, каждый микрон стал миллиметром, который легко вообразить. Во-вторых, кора становится «человеческих» размеров: 2-миллиметровая толщина теперь 2 метра — как высокий человек.
Таким образом, мы можем подойти к 29-й улице, к краю нашей гигантской салфетки, и легко посмотреть, что происходит в ее двухметровой толщине. Для демонстрации давайте вытащим кубометр нашей гигантской коры, чтобы исследовать его, посмотреть, что происходит в обычном кубическом миллиметре настоящей коры.
Что мы видим в этом кубометре? Мешанину. Давайте очистим ее и положим обратно.
Сперва поместим сомы — маленькие тела всех нейронов, которые живут в этом кубе.
Сомы варьируются в размерах, но нейробиологи, с которыми я говорил, говорят, что сомы нейронов в коре чаще всего 10-15 мкм в диаметре (один мкм = микрон, 1/1000 миллиметра). То есть, если вы выложите 7-10 таких в линию, эта линия будет диаметром с волос человека. В наших масштабах сома будет 1–1,5 сантиметра в диаметре. Леденец.
Объем всей коры умещается в 500 000 кубических миллиметров, и в этом пространстве будет около 20 миллиардов сом. То есть средний кубический миллиметр коры содержит около 40 000 нейронов. То есть в нашем кубометре около 40 000 леденцов. Если разделить нашу коробку на 40 000 кубиков, каждый с гранью в 3 сантиметра, каждый из наших сома-леденцов будет в центре своего собственного 3-сантиметрового кубика, а все другие сомы — в 3 сантиметрах во всех направлениях.
Вы еще здесь? Можете представить наш метровый кубик с 40 000 плавающих леденцов?
Вот микроскопическое изображение сомы в реальной коре; все остальное вокруг нее было убрано:
Ладно, пока все выглядит не так сложно. Но сома — это лишь крошечная часть каждого нейрона. Из каждого нашего леденца простираются скрученные, ветвистые дендриты, которые в наших масштабах могут растягиваться на три-четыре метра в самых разных направлениях, и на том конце может быть аксон длиной в 100 метров (если переходит в другую часть коры) или километр (если спускается в спинной мозг и тело). Каждый из них толщиной в миллиметр, и эти провода превращают кору в плотно переплетенную электрическую вермишель.
И в этой вермишели происходит много всякого. Каждый нейрон имеет синаптические связи с 1000 — иногда до 10 000 — других нейронов. Поскольку в коре около 20 миллиардов нейронов, это значит, что в ней будет больше 20 триллионов отдельных нейронных связей (и квадриллион связей во всем мозге). В нашем кубометре будет более 20 миллионов синапсов.
При всем этом, не только из каждого леденца из 40 000 в нашем кубе исходят заросли вермишели, но и тысячи других спагетти проходят через наш куб из других частей коры. И значит, если бы мы попытались записать сигналы или простимулировать нейроны конкретно в этой кубической области, нам пришлось бы очень тяжело, потому что в мешанине спагетти будет трудно определить, какие нити спагетти принадлежат нашим сома-леденцам (и не дай бог в этой пасте будут клетки Пуркинье).
И, конечно же, не стоит забывать о нейропластичности. Напряжение каждого нейрона постоянно меняется, сотни раз в секунду. И десятки миллионов синаптических соединений в нашем кубе будут постоянно менять размеры, исчезать и появляться вновь.
Но это только начало.
Оказывается, в мозге также существуют глиальные клетки — клетки, которые бывают разных видов и выполняют множество различных функций, таких как вымывание химических веществ, высвобождаемых в синапсах, обертывание аксонов миелином и обслуживание иммунной системы мозга. Вот несколько самых распространенных типов глиальных клеток:
И сколько глиальных клеток находится в коре? Примерно столько же, сколько и нейронов. Поэтому добавьте в наш куб еще 40 000 этих штучек.
Наконец, есть кровеносные сосуды. В каждом кубическом миллиметре коры содержится около метра крошечных кровеносных сосудов. В наших масштабах это означает, что в нашем кубометре есть километр кровеносных сосудов. Вот так они выглядят:
Инструменты НКИ
С тем, что уже было проделано, можно выделить три широких критерия, по которым оцениваются плюсы и минусы записывающего инструмента:
1) Масштаб — сколько нейронов может записываться.
2) Разрешение — насколько подробна информация, которую получает инструмент — пространственное (насколько близко ваши записи сообщают, какие из отдельных нейронов активируются) и временное (насколько хорошо можно определить, когда происходит записываемая вами активность).
3) Инвазивность — необходимо ли хирургическое вмешательство, и если да, то насколько дорогое.
Долгосрочная цель — собрать сливки со всех трех и скушать. Но пока неизбежно возникает вопрос, каким из этих критериев (один или два) вы можете пренебречь? Выбор того или иного инструмента — это не повышение или понижение качества, это компромисс.
Давайте посмотрим, какие инструменты используются в настоящее время:
ФМРТ
· Масштаб: большой (показывает информацию со всего мозга)
· Разрешение: от низкого к среднему — пространственное, очень низкое — временное
· Инвазивность: неинвазивный
фМРТ чаще используется не в НКИ, а как классический инструмент записи — дает вам информацию о происходящем внутри мозга.
фМРТ использует МРТ — технологию магнитно-резонансной томографии. Изобретенная в 1970-х годах, МРТ стала эволюцией рентгеновского КТ-сканирования. Вместо рентгеновских лучей, МРТ использует магнитные поля (наряду с радиоволнами и другими сигналами) для создания изображений тела и мозга. Вроде такого:
Полный набор поперечных сечений, позволяющий вам видеть голову целиком.
Весьма необычная технология.
фМРТ («функциональная» МРТ) использует технологию МРТ для отслеживания изменений кровотока. Зачем? Потому что, когда области мозга становятся более активными, они потребляют больше энергии, а значит им нужно больше кислорода — поэтому поток крови увеличивается в этой области, чтобы доставить этот кислород. Вот что может показать сканирование фМРТ:
Конечно, в мозгу всегда есть кровь — это изображение показывает, где увеличился кровоток (красный, оранжевый, желтый) и где он уменьшился (синий). И поскольку фМРТ может сканировать весь мозг, результаты будут трехмерными:
У фМРТ много медицинских применений, например, информирование врачей о том, функционируют ли определенные участки мозга после инсульта, и фМРТ очень многому научила нейробиологов о том, какие области головного мозга участвуют в работе этих функций. Сканирование также предоставляет важную информацию о том, что происходит в головном мозге в определенный момент времени, оно безопасно и неинвазивно.
Большим недостатком является разрешение. фМРТ сканирование имеет буквальное разрешение, как компьютерный экран пиксели, только вместо двухмерных, его разрешение представлено трехмерными кубическими объемными пикселями — вокселями (voxel, воксел).
ВокселифМРТ становились меньше по мере улучшения технологии, что привело к увеличению пространственного разрешения. Воксели современных фМРТ могут быть размером с кубический миллиметр. Объем мозга составляет порядка 1 200 000 мм3, поэтому сканирование фМРТ высокого разрешения делит мозг на один миллион маленьких кубиков. Проблема в том, что в нейронных масштабах это по-прежнему довольно много — каждый воксель содержи десятки тысяч нейронов. Так что, в лучшем случае, фМРТ показывает средний кровоток, втягиваемый каждой группой из 40 000 нейронов или около того.
Еще большая проблема — временное разрешение. фМРТ отслеживает кровоток, который является неточным и происходит с задержкой около секунды — вечность в мире нейронов.
ЭЭГ
· Масштабы: вы