Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды - Марк Хамфрис

Первое заблуждение состоит в том, что все импульсы вызваны событиями во внешнем мире. Если мы регистрируем, что нейрон посылает импульс, то это должно быть связано с чем-то происходящим вовне. То есть, например, импульс в моторной коре головного мозга в конечном счете является ответом на импульс из сетчатки, вызванный тем, что глаз что-то увидел.

Но это не так. Многие импульсы, а возможно, большинство импульсов в мозге, не имеют никакого отношения к событиям во внешнем мире. В совокупности мы называем импульсы, возникающие, казалось бы, безо всякой причины, спонтанной активностью.

Одно из объяснений этих «спонтанных» импульсов состоит в том, что они являются следами, эхом того, что произошло мгновением раньше. Возможно, эти «спонтанные» импульсы, которые мы встречали во время нашего путешествия, возникли, когда в поле зрения первый раз мелькнула потрепанная картонная коробка с полуоткрытой крышкой, прежде чем ваши глаза остановились на границах и поверхностях, сложившихся в форму печенья. Заманчивое объяснение, но неполное. Мы знаем, что импульсы и на самом деле возникают спонтанно. Что бы вы ни делали, на протяжении всей жизни нейроны в вашем мозгу самопроизвольно отправляют импульсы.

Закройте глаза. В них больше не попадает свет, то есть им ничего не нужно направлять в зрительные зоны коры головного мозга. Можно предположить, что на этом этапе импульсы уходят на заслуженный отдых. Однако нет. Ваша зрительная кора постоянно бомбардируется импульсами, неважно, закрыты глаза или открыты, независимо от того, есть ли перед ними что-то, что можно увидеть, или нет. Действительно, нейровизуализация показывает, что целая сеть областей коры головного мозга парадоксальным образом наиболее активна, когда вы спокойно отдыхаете с закрытыми глазами; а когда вы что-то делаете, эта сеть снижает свою активность. Спонтанная активность в этой сети пассивного режима работы мозга (СПРРМ) не только не является эхом внешнего мира, но даже снижается при взаимодействии с ним [256].

Теперь рассмотрим сон. Можно наивно предположить, что сон – это «выключение» вашего мозга, что нейроны перестают разговаривать друг с другом. Однако мозг не может этого сделать; в конце концов, во многих странах фиксация того факта, что нейроны перестали отправлять друг другу импульсы, является по закону ключевым элементом определения смерти. На самом деле нейроны во всех структурах вашего мозга продолжают посылать импульсы на протяжении всего вашего сна [257]. В самой глубокой стадии глубокого сна нейроны по всей коре примерно раз в секунду переключаются между вспышками активности и периодами тишины. И они переключаются все вместе, синхронно по всей коре головного мозга, скоординированно отправляя волну импульсов, а затем синхронно замолкая, что представляет собой совершенно противоположную картину по сравнению с нерегулярной, несинхронизированной активностью бодрствующего мозга. Тем не менее в этой фазе медленного сна нейроны кортекса посылают в сумме столько же или даже больше импульсов, сколько и во время бодрствования. При этом во время фазы быстрого сна (БДГ-фазы, от БДГ – «быстрые движения глаз») те же самые нейроны отправляют нерегулярные, нескоординированные импульсы и картина их активности такова, как будто вы бодрствуете. За исключением того, что они не оказывают большого влияния на окружающий мир, потому что мотонейроны в позвоночнике неактивны, глубоко подавлены, блокируя доступ мозга к мышцам вашего тела [258]. Сон, таким образом, наполнен спонтанными импульсами, порожденными не в ответ на входящие сигналы, но все же добавляющими шума и суеты активности.

Эта спонтанная активность наблюдается в ваших нервных клетках с первых дней вашего существования [259]. В развивающемся мозге зародыша и плода, повсюду, в сетчатке, в коре, в полосатом теле, в черной субстанции среднего мозга и в его стволе, нейроны спонтанно посылают импульсы, прежде чем появится что-либо, что могло бы их вызвать. Импульсы в сетчатке и зрительной коре появляются до того, как откроются глаза. Импульсы в сенсорной зоне коры, получающей сигналы от вибрисс, появляются до того, как усы начнут движение.

Спонтанная активность мозга по мере развития зародыша и плода имеет множество причин. Она контролирует, сколько нейронов рождается и какие отмирают. Она формирует сами нейроны и сеть соединений между ними. Начальные связи между нейронами в коре кажутся случайными, синапсы появляются везде, где аксон касается дендрита [260]. Насколько далеко нейрон протянет свой дендрит по мере развития, не является жестко генетически детерминированным, но регулируется его собственной активностью. Дерево растет, пока нейрон недостаточно активен, ища новые входящие данные, более многочисленный легион, чтобы легче было довести нейрон до критического уровня. И наоборот, дерево сжимается, если нейрон излишне активен, пытаясь сократить число входящих сигналов, уменьшает легион и затрудняет достижение критического потенциала [261]. Спонтанные импульсы присутствуют в нервной ткани с самого начала формирования мозга в первом триместре беременности.

Несомненно, спонтанные импульсы играют различную роль при формировании мозга у эмбриона, во сне и в повседневной жизни в состоянии бодрствования. Но независимо от их роли возникать эти спонтанные импульсы могут двумя способами: их может генерировать сам нейрон или они могут возникать в группах нейронов, объединенных в сеть.

Кто это сказал?

Здесь мы встречаемся со вторым заблуждением: нейрон всегда нуждается в получении сигналов от других нейронов, чтобы произвести импульс. Если мы видим, что нейрон посылает импульс, то это должно быть вызвано каскадом всплесков потенциала, бегущих по его дендритному дереву, которые, соединяясь в теле нейрона, доводят его до критического уровня, после чего он испускает импульс.

И это тоже не совсем так. Поскольку самым простым способом получить импульсы будет генерация нейроном собственных, не вызванных входящими сигналами импульсов [262]. В буквальном смысле слова спонтанных.

Мы столкнулись с некоторыми из этих странных нейронов в базальных ганглиях. Этот нескончаемый поток ГАМК из выходных нейронов, стена на пути вызывающих движение импульсов, был спонтанной активностью. Непрерывная пулеметная очередь импульсов, мешающих вам танцевать макарену на столе вашего босса, исходит от нейронов, которые настолько любят отправлять импульсы, что делают это, даже лежа в одиночестве в чашке Петри на лабораторном столе. Аккуратно выньте выходной нейрон базальных ганглиев из мозга, и пока вы сможете поддерживать его в живых, он будет выплевывать импульсы с регулярностью метронома каждые 100 миллисекунд или около того.

Как мы узнали в начале нашего пути, импульс рождается из быстрой последовательности открытия и закрытия каналов в мембране клетки. Каналов двух типов: тех, через которые в тело клетки проникает натрий, и тех, через которые из нее откачивается калий. Эта последовательность запускается, когда электрический потенциал нейрона достигает своей критической точки. Таким образом, для того чтобы