Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека

Существует расхожее представление о том, что мозг – это самый сложный объект во Вселенной. С точки зрения науки, такое утверждение кажется довольно сомнительным. Действительно, можно ли претендовать на знание всех объектов во Вселенной? И даже если это так, то как сравнивать их сложность? Тем не менее это клише отражает огромный интерес к тайнам крайне своеобразного органа, напрямую связанного с нашей психической жизнью. Биологическое значение мозга сразу же становится очевидным при подсчете энергетических затрат: этот орган, вес которого составляет приблизительно 1,4 килограмма, то есть всего лишь 2 % от общей массы тела, потребляет 20 % всей его энергии. Даже в состоянии покоя – при полном отсутствии интеллектуальной деятельности! Можно ломать себе голову в попытках доказать сложную теорию или предоставить мыслям свободу, но количество энергии, востребованной мозгом, существенно не изменится.

Еще более энергозатратным по сравнению с мозгом взрослого человека является мозг новорожденного: он потребляет почти две трети всей энергии тела. Где же мозг находит такое количество энергии? Печень и мышцы накапливают ее в форме углеводов (имеется в виду гликоген) и в виде жировой ткани, содержащей запас жирных кислот, но мозг выбирает другое решение. Свободное пространство в черепно-мозговой коробке настолько ценное, что для таких запасов там просто нет места. Вот поэтому функцию постоянного снабжения мозга энергией берет на себя все остальное тело. Можно ли считать мозг «эгоистом»? Парадокс заключается в том, что, как мы скоро увидим, мозг сам наделяет нас способностью изучать окружающую среду в поисках источников энергии.

Инструмент взаимодействия с окружающей средой

Как понять эту напоминающую своей консистенцией желе массу, так далеко спрятавшуюся и защищенную черепной коробкой? У нас есть возможность начать все с самого начала и заняться изучением происхождения мозга в эволюции видов (речь идет о филогенезе), а также его созревания от стадии эмбриона до взрослого человека (речь идет об онтогенезе).

Первые организмы, жившие на Земле несколько миллиардов лет тому назад, были очень простыми и, разумеется, мозга у них не было, но они уже реагировали на изменения окружавшей их среды. По всей видимости, принимать решения способны даже простейшие одноклеточные организмы без мозга как, например, живущая в желудочно-кишечном тракте бактерия Escherichia coli. Она «выбирает», стоит ли ей приближаться к питательным веществам или избегать вредных для нее токсинов. Этот феномен называется хемотаксис. За счет преобразования сенсорного сигнала (через рецепторы мембраны) бактерия Escherichia coli реагирует на изменение в ее окружении (в этом случае речь идет о концентрации вещества в среде) приближением или избеганием. Такие реакции основаны на том, что градиентам концентрации несвойственно резко менять направление. Поэтому кишечная палочка может двигаться в направлении, в котором градиент будет постепенно увеличиваться или уменьшаться. А когда концентрация токсичного вещества будет возрастать? Она перемещается с помощью вращения маленьких ресничек (так называемых жгутиков) и таким образом удаляется от опасности. Все происходит так, как если бы бактерия могла предвидеть (разумеется, самым простым способом) будущее изменение своей среды и действовать наилучшим образом.

В ходе эволюции появились все более разнообразные и сложные решения, связанные с необходимостью реагировать на собранную информацию об окружающей среде. У многоклеточных организмов на распознавании внешних событий и реализации двигательной реакции стали специализироваться отдельные клетки. Осуществляя начальную когнитивную обработку, эти клетки сформировали первичную нервную систему, которая была рассеяна по всему организму, как у современных медуз.

Энергетические, химические и цифровые способы передачи информации, механизмы приспособления

Между тем, с эволюционной точки зрения, на фоне усложнения нервной системы, такой подход показал свои недостатки: по мере развития организма нервные клетки все больше удаляются друг от друга. Как обеспечить их взаимодействие в условиях дистанцирования? Приблизительно 500 миллионов лет назад произошло впечатляющее «обновление», благодаря которому стал возможен быстрый и точный обмен информацией между удаленными клетками – посредством электрической связи, которая называется потенциалом действия (мы вернемся к этому явлению в другой главе). У потенциала действия есть «цифровой» формат: он присутствует или отсутствует, что соответствует двоичной системе счисления. Таким образом, передаваемая информация меньше подвержена затуханию из-за внешних помех, когда сигнал проходит большие расстояния в организме. Более того, он очень быстро перемещается по нервной системе, со скоростью до 100 м/с. Эти два важных качества для организмов, находящихся в пространстве на расстоянии друг от друга.

Появление потенциала действия создало благоприятные возможности для передачи информации в многоклеточном организме. Этот процесс послужил основой для кембрийского взрыва – периода, сопровождавшегося возникновением многочисленных форм жизни. Среди них находились предшественники почти всех основных групп животных, живущих на Земле в настоящее время: рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие и другие.

Объемный орган

Первые позвоночные поедали другие организмы: растительные или животные. Эти морские хищники обладали примитивным мозгом и вначале идентифицировали свою добычу главным образом с помощью обоняния. Затем они распространились на суше. Примерно 80 миллионов лет назад на Земле появились гораздо более опасные хищники – приматы, к числу которых относимся и мы. Приматы обнаруживали добычу издалека благодаря зрению. Расположенные у приматов спереди глаза связаны с более объемным и более сложно устроенным мозгом по сравнению с мозгом их биологических предков. Этот крупный мозг требует значительных затрат: помимо существенного расхода энергии, он нуждается в интенсивном развитии, продолжительность которого выходит за пределы периода внутриутробной жизни. Вот почему возникает потребность в родителях, которые должны присматривать за новорожденным и кормить его в течение длительного периода, так как он полностью зависит от них сразу же после рождения. Необходимость постнатального (после рождения) развития мозга обусловлена тем, что вмещающая полностью сформированный мозг черепная коробка была бы слишком объемной, чтобы пройти через узкий канал, предназначенный природой для рождения. Мозг также использует куда более богатый опыт, чем ограниченный опыт находившегося в матке эмбриона. Поэтому те преимущества, которые крупный мозг дает приматам, намного превосходят связанные с ним высокие затраты: несмотря на ряд корректировок, касающихся соотношения затрат и пользы, в ходе эволюции у гоминидов прослеживается тенденция к увеличению его объема (рисунок 1).

Дело в том, что после продолжавшегося в течение 2 миллионов лет роста мозг уменьшился и от объема 1 550 см³, который был у наших предков кроманьонцев, за последние 20 000 лет он сократился до нынешних 1 350 см³. Следует отметить, что самый крупный мозг, который был у живших по всей Евразии в период с 120 000 по 35 000 гг. до н. э. наших предков – неандертальцев (он доходил до 1 680 см³), не спас их от вымирания (рисунок 2). Для самых крупных мозгов Homo sapiens находится место в ограниченном пространстве черепной коробки благодаря одной уловке эволюции: вместо того, чтобы постепенно вытягиваться, как это происходит у других животных, они сохраняют до взрослого возраста округлую форму черепа новорожденного (в эволюционной биологии такое постоянство называется «педоморфизм»).

1. Эволюция объема мозга у гоминидов//S. Condemi и F. Savatier, Dernières nouvelles de Sapiens, 2-е дополненное издание, Flammarion, 2021

2. Сравнение среднего объема мозга человека неандертальского, наших предков – кроманьонцев и современного человека

Питание – ключевой фактор в развитии мозга

Внутриматочное развитие центральной нервной системы у человека проходит через несколько основных этапов. Как и у всех позвоночных, эмбрион развивается из трех зародышевых листков (от внутреннего к наружному: эндодерма, мезодерма, эктодерма). Центральная нервная система образуется из эктодермы, которая на третьей неделе после зачатия утолщается и складывается в нервную пластинку, а та, в свою очередь, сворачиваясь, формирует нервную трубку (рисунок 3). Затем эта трубка сегментируется, и ее передняя часть образует три мозговых пузыря, которые дифференцируются для формирования структур мозга (рисунок 4). В конце этого сложного цикла мозг покрывают шесть слоев коры больших полушарий, которая есть только у млекопитающих.

3. Первая стадия развития примитивной нервной системы у эмбриона

4. Формирование мозга у человека из нервной трубки от пятой недели до рождения

У взрослого человека площадь этих слоев достигает 2,6 кв. м! Они вмещаются в черепную коробку только благодаря плотной укладке, чем и объясняются многочисленные извилистые складки головного мозга человека, именуемые мозговыми извилинами.

У большинства животных передний отдел центральной нервной системы (головной мозг позвоночных) расположен очень близко от входа в пищеварительную систему (у позвоночных животных это рот). Эта анатомическая близость подчеркивает изначальную важность мозга для выбора пищи. Итак, между мозгом и питанием существует тесная связь.

Эта связь подтверждается тем фактом, что у млекопитающих, которые едят фрукты, например, у макак-резусов, мозг обычно крупнее, чем у их близких родственников, питающихся только листьями, например, у принадлежащих к роду широконосых обезьян ревунов. В лесах фрукты встречаются реже, чем листья, поэтому плодоядным приходится проявлять больше усилий для обнаружения и распознавания еды, а также планировать сбор урожая по времени (так, например, цвет фруктов указывает на то, что они спелые по мере прошествия дней). С другой стороны, сахара спелых фруктов перевариваются легче, чем целлюлоза листьев. Вот поэтому пищеварительная система у плодоядных, как правило, меньше развита по сравнению с другими животными. Простая и небольшая пищеварительная система потребляет меньше энергии, в результате чего мозг извлекает пользу из неизрасходованной энергии. Что является наглядной иллюстрацией того, как когнитивные компетенции (здесь речь идет о внимательности и зрительном поиске с целью обнаружения фруктов, а также о мыслительной обработке формы и цветов для выбора лучших плодов) могут выгодно заменить менее «интеллектуальные» функции типа переваривания сложных углеводов.

Как считает американский нейробиолог Джон Оллман, увеличению объема нашего мозга (он увеличился приблизительно на 24 % в период между 100 000 и 50 000 гг. до нашей эры) способствовал такой фактор, как использование огня. Считается, что гоминиды могли использовать огонь 1,8 миллионов лет назад. Действительно, тепло разбивает на фрагменты белки термически обработанной пищи, и наши предки воспользовались таким образом питательными веществами, которые легче усваиваются организмом. Более того, термическая обработка создает благоприятные условия для здорового питания, разрушая растительные токсины и убивая патогенные микроорганизмы. В результате она значительно увеличила имеющиеся у мозга ресурсы. Овладение огнем также помогло решить проблему сохранения температуры тела в холодное время: в некотором смысле крупный мозг человека вполне эффективно заменил густую шерсть, которой покрыто большинство других млекопитающих!

Другой типичный элемент нашего биологического вида состоит в значительном развитии навыков общения, послуживших основой для возникновения совокупности всех взаимосвязанных отношений, которые мы обычно называем «культурой» в широком смысле. В сравнении с другими млекопитающими мозг приматов вообще и человека в частности отличается непропорциональным развитием лобных долей – участков, расположенных в передней части мозга (рисунок 5). В эволюционной линии человека такое развитие сопровождалось растущим усложнением в организации социального взаимодействия. Эта новая способность дала индивидам огромное преимущество для самозащиты и эта новая способность дала людям огромное преимущество в защите и преодолении изменений окружающей среды через совместный труд, общение и передачу знаний с помощью речи.

5. Анатомия головного мозга. Он разделен на два полушария, в каждом из которых шесть различных долей

Орган, предсказывающий будущее

Особая важность мозга в реакции человека на изменения в окружающей среде может свидетельствовать о его принципиальной роли в репрезентации внешней реальности, чтобы мы принимали решения на ее основании. Речь идет о старом представлении, которое неоднократно повторялось в истории. В этом есть смысл, так как нам необходима возможность быстрой реакции, соответствующей непредвиденным событиям, начиная от неожиданного появления на дороге велосипеда в тот момент, когда переходим через улицу, до телефона, который внезапно начинает вибрировать в кармане.

Между тем, мозг, который ограничивался бы исключительно внешними стимулами, очень плохо координировал бы наше взаимодействие с событиями. Канадский нейробиолог Патрик Каванах приводит пример теннисиста, который должен ударить ракеткой по мячу, летящему со скоростью 40 м/с. Если бы спортсмен дожидался того момента, когда мяч окажется рядом с ним, чтобы поставить руку в соответствующее положение, то он никогда бы не успевал ударить ракеткой по мячу. За десятую долю секунды, которая нужна ему, чтобы определить положение мяча и отреагировать, мяч пролетел бы на четыре метра больше и был бы слишком далеко от ракетки. Если бы рука теннисиста двигалась с целью перехватить мяч, то это значило бы, что его мозг опережает траекторию. С каждым нашим движением мы регулярно опережаем их последствия. Простой реакции на внешние стимулы недостаточно: в этом случае мы были бы обречены на неудачу, так как всегда опаздывали бы реагировать на те или иные события.

6. Чтобы теннисист смог отразить мяч на высокой скорости, его мозг должен предвидеть траекторию его полета заранее

Для эффективного взаимодействия с окружающей средой мы должны обладать способностью предвидеть последствия как собственных движений, так и движений других людей. Это и есть главная причина появления мозга у человека! Нейробиолог Родольфо Льинас приводит яркий пример с небольшими морскими организмами – асцидиями. Благодаря своему мозгу молодая асцидия бродит по морю в поисках скалы, к которой могла бы прирасти на всю оставшуюся жизнь. Как только она прикрепляется к такой скале, мозг ей больше не нужен. В результате она… переварит его за ненадобностью! Так взрослая асцидия значительно экономит энергетические затраты по поддержанию мозга, которым она больше не пользуется.

Моделирование реальности

Представление о том, что основная роль мозга у позвоночных якобы заключается в том, чтобы предвидеть будущее, недавно получило широкое теоретическое обоснование. В соответствии с гипотезой предсказывающего кодирования мозг человека постоянно конструирует модели внешней реальности и ее будущего развития (симуляции). Таким образом, восприятие не только воспроизводит копию этой реальности (та самая репрезентация, о которой говорили ранее), но и постоянно сравнивает эти внутренние модели с внешней реальностью. Такое сравнение осуществляется через восприятие и активное изучение окружающей среды с конечной целью обновления моделей и выработки более надежных сценариев. Согласно этой теории, мы берем на вооружение данные модели и действуем в реальном мире, одновременно приобретая соответствующий опыт.

В историческом отношении корни этой теории могут восходить к немецкому физику Герману фон Гельмгольцу (1821–1894), который считал, что восприятие является ничем другим, как проверкой гипотез. По его мнению, мозг в той или иной мере действует как ученый, который выдвигает гипотезу (модель) и проверяет эмпирическим (посредством познания через органы чувств) путем ее состоятельность посредством контролируемого эксперимента. Так, например, когда я встречаю какого-нибудь человека, то делаю выводы о его намерениях по отношению ко мне, наблюдая за его лицом и мимикой. У него неприступное выражение лица и он нахмурил брови? По всей видимости, я ему малосимпатичен. Он широко улыбается? Скорее всего, он будет вести себя довольно доброжелательно по отношению ко мне… Взаимодействуя с человеком, я проведу эксперимент, результаты которого подтвердят или опровергнут эту гипотезу, или позволят мне скорректировать ее, чтобы затем проверить ее в новом варианте.

Так что хотя наш мозг и не является «самым сложным объектом во Вселенной», тем не менее он наделен мощной силой: благодаря только что описанным процессам, он минимизирует неприятные сюрпризы и возможные риски, возникающие в повседневной жизни.

В 1906 году итальянец Камилло Гольджи и испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине, разделив ее за работы по структуре нервной системы. Разумеется, оба ученых были на седьмом небе от счастья, но Гольджи вызвал всеобщее удивление во время своего выступления на церемонии вручения: вместо того чтобы признать вклад Кахаля, он подверг резкой критике теорию коллеги, чтобы защитить свою собственную теорию, которая между тем уже устарела. Какая же муха его укусила?

Давно известно, что все биологические ткани (печень, почки, легкие и так далее) состоят из клеток, имеющих ядро и окруженных мембраной. Между тем мозг продолжал сбивать с толку ученых: с помощью микроскопа можно было разглядеть не эти пресловутые клетки, а хаотичное и непонятное нагромождение волокон и ядер. После многих лет упорной работы Гольджи в одиночку разработал так называемую «черную реакцию» – метод окрашивания отдельных клеток с использованием нитрата серебра, позволяющий получить представление о структуре нервной ткани. В отличие от обычных красителей, проникающих во все клетки, нитрат серебра пропитывал только небольшую часть нервных клеток (от 1 % до 5 %) по причинам, которые до настоящего времени все еще остаются неразгаданными. Некоторые окрашенные клетки резко выделялись среди других, которые оставались невидимыми. В результате Гольджи удалось добиться отличного изображения нервных клеток (рисунок 7).

На этих изображениях представлены темные скопления со странными отростками. Гольджи не догадался о то, что это отдельные клетки; он думал, что их отростки сливаются в непрерывную сетку, образуя единое целое с несколькими ядрами, – так называемый синцитий. Вот эту ошибочную теорию он и защищал в Стокгольме на вручении Нобелевской премии. Что касается Кахаля, то он понял, что нервные клетки были отдельными образованиями: он пришел к этому выводу в 1880-е годы, изучая метод, открытый Гольджи, что и привело Нобелевский комитет к решению о присуждении премии обоим ученым. Вскоре после наблюдений Кахаля эти клетки получили название «нейроны».

7. Изображение, сделанное с помощью окрашивания Гольджи. На иллюстрации представлены клеточные тела, центральная часть нейрона, получающие информацию дендриты (разветвленные волокна вокруг ядра) и аксон (длинный вертикальный отросток), который передает эту информацию

Диалог клеток

Сегодня мы знаем о нейронах гораздо больше. Одним из фундаментальных их свойств является способность вступать в контакты между собой посредством отростков, дендритов и аксонов. Подобно ветвям дерева, дендриты нейрона разветвляются вокруг центральной части, которая называется клеточным телом, с целью установления контакта с другими нервными клетками и получения от них информации. Другой отросток, который называется аксоном, передает затем эту информацию другим нейронам. Речь идет об открытом Кахалем законе «динамической поляризации»: информационный поток проходит только в одном направлении от одного полюса нейрона (один из его дендритов или клеточное тело) к другому (аксону), откуда он передается другим нейронам (рисунок 8). Место контакта между двумя нейронами называется синапсом.

Длина аксонов доходит до нескольких сантиметров, что в масштабах клетки является огромными размерами. Этот показатель даже может достигать длины один метр в случае с аксонами, управляющими работой мышц, – они идут от головного мозга к спинному мозгу. Аксоны часто собираются в большие пучки и образуют таким образом настоящие «автотрассы», обеспечивающие быструю коммуникацию между удаленными участками мозга. Такое объединение аксонов в один пучок представляет собой уникальную особенность мозга и обусловливает его поразительную способность быстрой обработки информации.

8. Типичный синапс образуется между окончанием аксона и дендритом, клеточным телом или аксоном другого нейрона