Алан Джасанов - Мозг: прошлое и будущее [Что делает нас теми, кто мы есть]

Самое изученное и, пожалуй, самое влиятельное из наших чувств – зрение. Исследователи зрения десятилетиями изучали, как свет, попадающий на светочувствительную часть глаза – сетчатку, распознается фоторецепторными клетками (так называемыми палочками и колбочками) и как эта информация перерабатывается в нервные импульсы (потенциалы действия), которые переправляются в мозг по зрительному нерву. Нейрофизиолог Хорес Барлоу в 70-е годы прошлого века занялся измерением электрических сигналов от нейронов роговицы, которые отвечают за вывод информации, так называемых ганглиозных клеток , и обнаружил, что каждый отдельный квант света – каждый фотон – порождает в среднем от одного до трех потенциалов действия [310] H. B. Barlow, W. R. Levick, and M. Yoon, «Responses to single quanta of light in retinal ganglion cells of the cat», «Vision Research», Suppl 3 (1971): 87–101. . Оказалось, что некоторые ганглиозные клетки даже в полной темноте «выстреливают» потенциалами действия до 20 раз в секунду; в сущности, эта деятельность – системный шум, но он все равно забивает ящик входящей почты в мозге.

Профессор Калифорнийского технологического института Маркус Мейстер придумал, как проанализировать первые этапы зрения. Для этого он изолировал образцы живой сетчатки животных и растянул их, будто простынки, на подложках из записывающих электродов, что позволяло одновременно регистрировать сигналы десятков ганглиозных клеток [311] M. Meister, R. O. Wong, D. A. Baylor, and C. J. Shatz, «Synchronous bursts of action potentials in ganglion cells of the developing mammalian retina», «Science» 252 (1991): 939–943. . Благодаря этому методу Мейстер и другие нейрофизиологи пронаблюдали, как быстро сетчатка адаптируется к сильным изменениям яркости и контраста изображения, чтобы поток зрительной информации в мозг ни на миг не притормаживался. В ходе одного исследования ученые установили, что общий объем передачи данных от человеческого глаза к мозгу примерно равен передаче данных при подключении компьютера к Интернету – это около мегабайта входящих зрительных данных (четыре миллиона импульсов действия) в секунду по нервным проводам, сформированным аксонами миллиона ганглиозных клеток по всей сетчатке [312] K. Koch et al., «How much the eye tells the brain», «Current Biology» 16 (2006): 1428–1434. .

Остальные органы чувств также служат богатым источником входных данных для мозга. Кортиев орган внутреннего уха преобразует звуковые волны в нервные импульсы – это слуховой эквивалент сетчатки. Большинство слуховых нейронов из кортиева органа выстреливают потенциалами действия с частотой свыше 50 в секунду даже при низком уровне шума [313] B. C. Moore, «Coding of sounds in the auditory system and its relevance to signal processing and coding in cochlear implants», «Otology & Neurotology» 24 (2003): 243–254. . Поскольку слуховых нейронов у человека по 30 тысяч на ухо, общее количество потенциалов действия, доходящих в мозг от ушей в секунду, достигает нескольких миллионов. Огромный объем входящих данных поступает и от самого большого органа чувств в организме – от кожи. Нормальная кожа содержит четыре типа клеток-рецепторов давления и прикосновения, два типа тепловых и два типа болевых рецепторов. Большинство рецепторов напрямую связаны со спинным мозгом и синапсами – с нейронами, которые передают их данные оттуда в головной мозг. Некоторые осязательные рецепторы достигают плотности более двух тысяч на квадратный сантиметр, на одной только кисти руки таких клеток 17 тысяч [314] R. S. Johansson and A. B. Vallbo, «Tactile sensibility in the human hand: Relative and absolute densities of four types of mechanoreceptive units in glabrous skin», «Journal of Physiology» 286 (1979): 283–300. . Особые типы кожи – поверхность языка и слизистая оболочка носа, где содержатся соответственно рецепторы вкуса и запаха. Обонятельные нейроны значительно многочисленнее, этих клеток, связывающих нос и мозг, свыше 10 миллионов [315] Daniel L. Schacter, Daniel T. Gilbert, Daniel M. Wegner, and Matthew K. Nock, «Psychology» , 3rd ed. (New York: Worth Publishers, 2014). . А следовательно, несмотря на то что средняя частота испускания импульсов действия у них довольно низка – около трех спайков в секунду, в совокупности эти клетки передают в мозг больше электрических импульсов, чем глаза или уши [316] T. Connelly, A. Savigner, and M. Ma, «Spontaneous and sensory-evoked activity in mouse olfactory sensory neurons with defined odorant receptors», «Journal of Neurophysiology» 110 (2013): 55–62. .

Итак, мы видим, что объем сенсорной информации, стекающейся в мозг, состоит из десятков миллионов потенциалов действия в секунду, что показывает, что у нашего мозга с окружением постоянная теснейшая связь. Чтобы оценить ее масштабы, вспомним, что объем входных данных от одного глаза в мозг сопоставим с объемом данных, передаваемых при активном интернет-соединении. Если так, то совокупный вклад всех органов чувств, вероятно, превосходит по объему 10 стандартных интернет-соединений, поскольку в секунду по миллионам нервных волокон передается около 10 мегабайт данных. Если направить столько данных в обычный современный домашний компьютер, он может и не справиться с подобной нагрузкой – иногда хакеры прибегают к этому методу, чтобы перегрузить интернет-сайты, и такая атака называется «отказ в обслуживании» [317] Eric Griffith, «How Fast Is Your Internet Connection… Really?» «PC Magazine» , 2 июня 2017 года. . То есть наше сенсорное окружение, похоже, проводит непрерывную атаку «отказ в обслуживании» на наш мозг.

Интересно, что по оценке количества потенциалов действия объем сенсорных данных, поступающих в мозг, сопоставим также с общим объемом исходящих из мозга данных – с постоянными сигналами, которые проходят от мозга к остальным органам, регулируют двигательную активность и мышечный тонус. Большинство моторных исходящих данных мозга передаются по так называемым пирамидным , или корково-спинномозговым , путям, состоящим более чем из миллиона аксонов, которые выстреливают со средней частотой около 10–20 спайков в секунду, что опять же дает в сумме десятки миллионов спайков в секунду [318] E. V. Evarts, «Relation of Discharge Frequency to Conduction Velocity in Pyramidal Tract Neurons», «Journal of Neurophysiology» 28 (1965): 216–228; L. Firmin et al., «Axon diameters and conduction velocities in the macaque pyramidal tract», «Journal of Neurophysiology» 112 (2014): 1229–1240. . Со стороны может показаться, будто мозг – несколько переусложненный механизм для переработки десятков миллионов входящих сигналов в секунду примерно в такое же количество исходящих сигналов, вроде телевизора, который преобразует данные из кабеля или с антенны в движущиеся картинки, которые можно смотреть.

Как же все входящие спайки влияют на мозг как таковой? Поскольку в ходе эволюции мозг научился принимать эти входящие данные, лавина чувственных ощущений на самом деле не переходит в атаку. Мозг от нее не теряет способности к действию, он просто меняется. Для всех органов чувств, кроме обоняния, у мозга оборудован входной порт под названием таламус , а обонятельные сигналы перерабатываются в другой области – обонятельной луковице . Эти участки в свою очередь связаны с участками коры головного мозга – первичной зрительной корой (сокращенно V1) в затылочной доле мозга и первичной слуховой корой в височной доле (см. рис. 7). Однако воздействие сенсорных данных ощущается далеко за пределами этих областей. Считается, что обработкой сенсорных данных занимается более 40 % коры [319] David C. Van Essen, «Organization of Visual Areas in Macaque and Human Cerebral Cortex» // « Visual Neurosciences» , vol. 1, ed. Leo M. Chalupa and John S. Werner. (Cambridge, MA: MIT Press, 2004). . В зрительной системе – самой обширной и сложной из всех органов чувств человека – информация распространяется от V1 к двум наборам участков мозга, каждый из которых регистрирует разные особенности каждого стимула. Так называемый дорсальный путь – полоса, идущая по верху затылочной и теменной долей, – классифицирует зрительные стимулы по грубым отличиям – например, по расположению и движению в пространстве, а вентральный путь, ведущий по основанию затылочной и височной долей, специализируется на более тонком анализе – в том числе на распознавании конкретных предметов и лиц. Подобные же пути иерархически расположенных областей, где происходит переработка данных, распознают звуки, запахи, вкусы и осязательные ощущения.