Елена Белова - Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Благодаря чувству проприоцепции человек может уверенно определить положение всех частей своего тела в пространстве.

Мозжечок сравнивает свой внутренний образ идеального движения с обратной связью от мышц, чтобы оценить, каким движение было в действительности. Информацию о расхождениях между желаемым и действительным мозжечок отправляет к первичной моторной коре, откуда команды отправляются через спинной мозг непосредственно к мышцам. В коре эти сигналы используются для корректировки движения, чтобы оно больше походило на то, что нам хочется выполнить. По мере того как раз за разом мы тренируем одно и то же движение, мозжечок подгоняет реальную траекторию к внутреннему идеалу, и движение становится все более точным [4].

Мозжечок состоит из трех основных частей, которые отличаются тем, откуда именно они получают информацию. Самый большой и самый новый отдел мозжечка — цереброцеребеллум— получает информацию от коры больших полушарий и занимает основную часть своих боковых областей. У человека он развит лучше, чем у большинства позвоночных: здесь координируются сложные движения, в которых требуется большая точность мелких движений во времени и пространстве. В центральной части мозжечка находится более старый отдел — спиноцеребеллум, отвечающий за связь мозжечка со спинным мозгом. Важная часть этого отдела — червь, расположенный посередине и делящий мозжечок на правую и левую половины: здесь координируются осевые движения нашего тела, от которых зависят поза, походка и равновесие тела. В самом низу у основания расположен древнейший отдел мозжечка — вестибулоцеребеллум, состоящий из клочковой и узелковой долек: эти структуры тесно связаны с вестибулярным аппаратом и отвечают за баланс и поддержание равновесия.

Мозжечок очень интенсивно обменивается информацией с другими отделами мозга: нервные окончания, которые несут потоки информации от мозжечка и обратно, образуют три пары плотных хорошо различимых тяжей — их называют ножками мозжечка. Кора мозга посылает к мозжечку порядка 40 миллионов нервных волокон (по 20 на полушарие). Кроме этого мозжечок получает сенсорную информацию от тела и головы — вестибулярную, слуховую и зрительную; от проприоцепторов и механорецепторов — все, что помогает ему максимально точно определить положение каждого участка тела в пространстве.

Вся поступающая информация в мозжечке существует в двух копиях: одна сразу попадает в ядра мозжечка, а вторая отправляется туда же после этапа дополнительной обработки в коре.

Сопоставляя обработанную и необработанную копии, ядра мозжечка способны сгенерировать корректирующие сигналы о том, что и насколько надо изменить, чтобы движение получилось как следует, а не как придется. Эти сигналы отправляются обратно к моторной коре (с промежуточной «пересадкой» в таламусе), а также к вестибулярным ядрам и к верхним холмикам в стволе мозга, которые управляют движениями глаз и координируют их с поворотами и наклонами головы [33] Именно благодаря работе мозжечка мы можем крутить головой и при этом не переставать читать: движения глаз, шеи и головы отлично скоординированы, и мы можем точно зафиксировать взгляд на строчках, как угодно поворачивая голову. Однако если вертеть книгу или дисплей, строчки уже не прочитаешь — у нас нет внутреннего отдела, который с той же точностью может синхронизировать движение объекта в руках, как это получается для глаз и головы. — Прим. авт. .

Мозжечок выглядит совсем не так, как большой мозг: он почти в десять раз меньше, но поверхность коры мозжечка так плотно упакована, что сопоставима по площади с корой каждого из больших полушарий (на срезе мозжечок напоминает дерево — в многочисленных щелях, идущих в глубину, опять-таки прячутся бороздки коры). В коре мозжечка сидят четыре из пяти всех нейронов, которые есть в нашем мозге. Главные «действующие лица» здесь — чрезвычайно крупные клетки Пуркинье и многочисленные мелкие клетки-зерна, а также три типа волокон, которые образуют между собой невообразимое количество контактов, позволяющих с невероятной точностью рассчитать время, силу и направление каждого мышечного сокращения в любом движении из нашего репертуара.

Мозжечок гораздо меньше большого мозга, но поверхность его коры по площади такая же, как площадь коры каждого из полушарий!

Самая необычная часть мозжечка — это его кора, там находится подавляющее большинство нейронов. В коре выделяют три слоя с очень характерным устройством — молекулярный, слой клеток Пуркинье и зернистый слой. Нервные клетки плотно упакованы внутри коры, а кора — вдоль поверхности мозжечка, образуя дольки (или, по-другому, листки), рассеченные довольно глубокими щелями: получается, что у сравнительно небольшого мозжечка (примерно 10 см в ширину и всего 3–4 см в высоту) площадь поверхности сопоставима с площадью каждого из полушарий большого мозга.

В коре мозжечка расположены, наверное, самые удивительные и красивые клетки мозга — клетки Пуркинье. От тела нейрона отходит чрезвычайно густая и очень своеобразная «древесная крона» из дендритов. Своеобразие состоит в том, что крона эта практически двумерная: она чрезвычайно широко ветвится, если мы смотрим на клетку Пуркинье анфас, и почти плоская — если в профиль. Клетки Пуркинье идут одна за другой, словно карты в колоде, а в перпендикулярном направлении их кроны пронизывают параллельные волокна. Вместе они образуют рекордное число синапсов: на одну клетку Пуркинье приходится до 200 тысяч синапсов с проходящими через нее параллельными волокнами! В мозжечке 15 миллионов клеток Пуркинье получают сигналы от 40 миллиардов клеток-зерен, которые и образуют параллельные волокна, — это обеспечивает мозжечок огромными вычислительными мощностями, которые используются, чтобы практически моментально сравнивать текущие параметры с изначально заданными и вносить поправки в идущие процессы. На завершающем этапе в каждом из сотен вычислительных модулей в мозжечке сигналы от 100 миллионов параллельных волокон сходятся примерно на полсотни нейронов в одном из ядер мозжечка, откуда информация отправляется к месту назначения — прежде всего, в первичную моторную кору, откуда запускаются наши движения [12]. Таким образом, чрезвычайно структурированная сеть внутри мозжечка рассчитывает и моментально исправляет малейшие ошибки в наших действиях.

Необычное устройство мозжечка с колоссальным числом нейронов и связей между ними делает его суперцентром, позволяющим выполнять обучение с учителем ( supervised learning ), — так называется один из алгоритмов работы, в котором набор данных сравнивается с эталоном, чтобы определить расхождения и внести корректировки. На выходе такой алгоритм выдает целый набор поправок для множества параметров: в случае мозжечка ими могут быть точное время, сила и скорость сокращений для каждого из десятков и сотен мышечных волокон, которые и образуют плавное и скоординированное движение [13].