Мозговой трест. 40 ведущих нейробиологов – о том, что мы знаем и чего не знаем о мозге

Рассказывая о своей работе, ученые часто впадают в занудство. Вот почему я люблю подпаивать моих коллег-нейробиологов. На протяжении многих лет я угощал исследователей мозга выпивкой, после чего задавал им один и тот же вопрос: «Что бы вы больше всего хотели рассказать людям о работе мозга?» И наслаждался их ответами. Ученые не погружались в подробности своих последних экспериментов и не переходили на профессиональный жаргон. Они лишь немного расправляли плечи, чуть шире открывали глаза и давали ясные, глубокие и зачастую непредсказуемые или парадоксальные ответы.

Эта книга – во многом результат тех бесед. Я собрал «команду мечты» из самых известных в мире нейробиологов – серьезных, эрудированных и ясно мыслящих исследователей – и попросил их ответить на тот важный вопрос в жанре короткого эссе. Конечно, я обращался к специалистам с разным опытом, однако у меня не было цели создать краткий учебник по нейробиологии – неформальный, но всеобъемлющий. Я просто предложил ученым с самыми разными интересами самостоятельно выбрать тему и рассказать ту научную историю, которой они хотели бы поделиться.

Стоит признать: большинство книг о мозге написаны не исследователями мозга и не слишком хороши. Многие скучны, а те, которые можно читать, нередко содержат непроверенную или даже ложную информацию. Наш век – это век мозга, но думающие люди проявляют вполне оправданный скепсис, попадая под мощный поток псевдонаучной ахинеи («созерцание синего цвета улучшает творческие способности» или «существуют различия в строении мозга республиканцев и демократов»). Я уверен, что читателю нужны надежные и убедительные данные о биологической основе человеческого опыта. Люди хотят знать, что нам точно известно о работе мозга, что мы предполагаем, но не можем доказать, а что остается тайной. И они хотят доверять тому, что читают.

Эта книга призвана не опровергнуть псевдонаучные тезисы, а честно и достоверно рассказать о том, что мы знаем о биологической основе наших повседневных переживаний, а также дать некоторые прогнозы относительно понимания работы нервной системы, лечения ее заболеваний и ее взаимодействия с электронными устройствами. Мы рассмотрим генетическую основу личности, механизмы эстетического восприятия, опишем природу сильной бессознательной потребности в любви, сексе, пище и наркотиках. Мы отыщем истоки человеческой индивидуальности, эмпатии и памяти. Иными словами, мы постараемся показать биологическую основу психической и социальной жизни человека, а также ее взаимосвязь с индивидуальным опытом, культурой и эволюцией. И мы честно расскажем, что знаем, а чего не знаем.

Введение

Человеческий мозг не был создан гениальным изобретателем с чистого листа

Дэвид Линден

ЗДЕСЬ Я ПОПЫТАЛСЯ привести основные понятия клеточной нейробиологии, чтобы предложить вам что-то вроде небольшой порции сборной солянки. Если вы изучали нейробиологию или любите читать о том, как устроен мозг, то наверняка уже знакомы с большей частью этого материала. И я не обижусь, если вы пропустите первое блюдо. Но если эта область для вас новая или вы хотите освежить свои знания, данный раздел поможет вам погрузиться в тему и упростит понимание следующих эссе.

Около 550 миллионов лет назад быть животным было просто. Например, вы могли быть морской губкой, прикрепленной к камню, и шевелить крошечными жгутиками, прогоняя воду через свое тело, чтобы получить кислород и выловить бактерии и другие микроскопические частицы пищи. У вас были специализированные клетки, которые позволяли отдельным частям вашего тела медленно сокращаться, регулируя поток воды, но вы не могли свободно перемещаться по морскому дну. Или вы могли быть странным примитивным животным из числа пластинчатых, похожим на микроскопический блинчик: плоским многоклеточным диском диаметром около двух миллиметров с ресничками снизу, как у перевернутого ковра. Эти реснички позволяли вам медленно перемещаться по морскому дну в поисках скопления бактерий, которые служили вам пищей. Обнаружив особенно вкусную группу бактерий, вы охватывали ее своим телом со всех сторон и выделяли в этот импровизированный мешочек пищеварительные ферменты, ускоряющие усвоение питательных веществ. Переварив пищу, вы распрямлялись и продолжали медленно ползти по дну с помощью ресничек. Примечательно, что и губки, и пластинчатые умеют решать полезные задачи всех типов – чувствовать окружающую обстановку и реагировать на нее, находить пищу, медленно передвигаться, а также размножаться, причем для всего этого им не нужен мозг и специализированные клетки, которые называются нейронами и служат главным строительным материалом для мозга и нервов.

Нейроны удивительны. Они обладают уникальными свойствами, которые позволяют им быстро получать, обрабатывать и посылать электрические сигналы другим нейронам, мышцам или железам. Считается, что нейроны появились около 540 миллионов лет назад у животных, похожих на современных медуз. Мы не можем точно назвать причину их появления, но знаем, что они сформировались примерно в то время, когда животные начали поедать друг друга – с погонями и бегством, неизбежными для этого процесса. Таким образом, логично предположить, что появление нейронов ускорило и восприятие, и движение животных, что оказалось очень полезным, когда жизнь превратилась в состязание «кто кого съест».

Нейроны бывают самых разных форм и размеров, но в их структуре есть много общего. Как и все животные клетки, нейрон окружен тонкой внешней мембраной. Нейрон обладает клеточным телом, содержащим клеточное ядро, в котором хранится генетическая информация, зашифрованная в ДНК. Клеточное тело может иметь треугольную, круглую и овальную форму, а его размер варьируется от 4 до 30 микрон в диаметре. Этот размер проще представить так: три клеточных тела, уложенные рядом, по толщине будут сравнимы с человеческим волосом. От клеточного тела отходят тонкие отростки, которые называются дендритами. Именно через них нейрон получает большинство химических сигналов от других нейронов. Дендриты могут быть короткими и длинными, веретенообразными и разветвленными – а у некоторых нейронов их вообще нет. Одни дендриты гладкие, другие покрыты крошечными выростами – дендритными шипиками. У большинства нейронов есть по меньшей мере несколько разветвленных дендритов, а также один длинный тонкий отросток, отходящий от тела клетки. Он называется аксоном и отвечает за передачу информации от нейрона.

Хотя от клеточного тела отходит лишь один аксон, далее он нередко разветвляется, и эти ветви могут расти в разных направлениях. Аксон может быть очень длинным. Например, некоторые аксоны тянутся от пальцев ноги человека до верхней части спинного мозга.

Информация от аксона одного нейрона к дендриту другого передается через особые места контактов, которые называются синапсами. В синапсах кончики аксонов одного нейрона подходят очень близко к другому нейрону, но не касаются его (рис. 1). Терминали аксона содержат множество крошечных пузырьков, сформированных из мембраны. В каждом из этих пузырьков, или синаптических везикул, содержится около 1000 молекул особого вещества – нейромедиатора. Терминаль аксона одного нейрона и дендрит другого разделяет синаптическая щель – узкий промежуток, заполненный солоноватой жидкостью, близкой по составу к плазме крови. В среднем у каждого нейрона около 5000 синапсов, преимущественно на дендритах; некоторое количество синапсов образуется на теле клетки и еще несколько – на аксоне. Если умножить 5000 синапсов в нейроне на 100 миллиардов нейронов в человеческом мозге, получится просто невероятное число: 500 триллионов. Представить это число можно так: если распределить синапсы мозга одного человека между всеми живущими на Земле людьми (на 2017 год), то каждому достанется по 64 000 штук.

РИС. 1. Строение обычного нейрона и направление потока электрических сигналов от одного нейрона к другому

Синапсы представляют собой точки переключения между двумя типами быстрой передачи сигналов в мозге: электрическими импульсами и выделением и дальнейшим действием нейромедиаторов. Элементарная единица передачи электрического сигнала в мозге – нервный импульс (или спайк). Нервные импульсы – это короткие и мощные всплески электрической активности длительностью от одной до двух миллисекунд. Они возникают в месте соединения клеточного тела и аксона, в так называемом аксонном холмике. Мозг окружен особым солевым раствором, или спинномозговой жидкостью, с высокой концентрацией натрия и гораздо меньшей концентрацией калия. Атомы натрия и калия находятся в ней в виде положительно заряженных ионов. Концентрация ионов натрия по разные стороны мембраны нейрона значительно разнится: снаружи она почти в 15 раз выше, чем внутри. Концентрация ионов калия, напротив, внутри почти в 15 раз выше, чем снаружи. Это соотношение необходимо для передачи электрических сигналов в мозге. В такой среде образуется потенциальная энергия – подобно той, которая накапливается, когда мы заводим пружину в детской игрушке. При определенных условиях эта энергия может высвобождаться, генерируя электрические сигналы в нейронах. За электрический потенциал нейрона отвечает его внешняя мембрана: внутри клетки отрицательный заряд больше, чем снаружи. При возникновении нервного импульса содержащиеся во внешней мембране специализированные белки тороидальной формы, которые называются натриевыми каналами, открывают свои ранее закрытые отверстия в центре и впускают внутрь ионы натрия. Приблизительно через миллисекунду открываются другие ионные каналы, пропускающие ионы калия, которые устремляются наружу, что приводит к завершению нервного импульса.

Нервные импульсы движутся по аксону до терминалей, где запускают цепочку химических реакций. Эти химические реакции заставляют синаптические везикулы сливаться с внешней мембраной терминали аксона и высвобождать свое содержимое, в том числе молекулы нейромедиатора, в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора распространяются по узкому промежутку синаптической щели и связываются с рецепторами нейромедиатора во внешней мембране следующего нейрона сигнальной цепи. Одна из разновидностей рецепторов нейромедиатора (получившая название ионотропных рецепторов) напоминает бублик с закрытым отверстием, которое открывается только тогда, когда рецептор связывается с нейромедиатором. Когда ионный канал в таком рецепторе позволяет положительно заряженным ионам проникать внутрь клетки, принимающий нейрон возбуждается. И наоборот: если открытый нейромедиатором ионный канал выпускает положительно заряженные ионы наружу (или пропускает внутрь отрицательно заряженные ионы, например хлора), это блокирует возникновение нервного импульса в принимающем нейроне.

Электрические сигналы от активированных рецепторов в синапсах всего дендрита и тела клетки поступают в аксонный холмик. Если от синапсов одновременно приходит достаточное количество возбуждающих электрических сигналов и они не подавляются блокирующими сигналами, то в аксонном холмике возникает новый нервный импульс и сигнал передается далее по аксону принявшего его нейрона. Большинство психоактивных веществ, которые мы употребляем – как для лечения, так и для расслабления, – воздействуют на синапсы. Например, седативный препарат ксанакс и аналогичные химические соединения активизируют ингибиторные синапсы и тем самым снижают общую частоту генерации нервных импульсов в определенных отделах мозга.

По биологическим меркам передачу электрических сигналов в мозге можно назвать быстрой (она занимает миллисекунды), но ее скорость примерно в миллион раз меньше той, с которой передаются электрические сигналы в вашем ноутбуке или смартфоне. Важно понимать, что не все сигналы в синапсах передаются быстро. Кроме ионотропных рецепторов нейромедиаторов, срабатывающих за несколько миллисекунд, у нейрона имеется группа гораздо более медленных рецепторов, которые называются метаботропными. У этих рецепторов нет отверстия ионного канала; они либо запускают, либо блокируют химические реакции в принимающем нейроне, а время их срабатывания исчисляется секундами или даже минутами. Ионотропные рецепторы полезны для быстрой передачи сигналов: например, зрительной информации от сетчатки глаза к мозгу или команды от мозга к мышцам совершить нужное движение. В отличие от них медленные метаботропные рецепторы, которые реагируют на нейромедиаторы, в том числе на серотонин и дофамин, часто участвуют в регулировании общего психического состояния, в частности внимания, настроения или полового возбуждения.

Один нейрон сам по себе почти бесполезен, но группы взаимосвязанных нейронов выполняют важные задачи. Медуза обладает простыми сетями взаимосвязанных нейронов, которые позволяют ей совершать плавательные движения, реагируя на прикосновение, наклон тела, запах пищи и другие ощущения. У червей и улиток клеточные тела нейронов объединены в группы, которые называются ганглиями, и эти ганглии связаны между собой нервными волокнами, состоящими из множества аксонов. У омаров, насекомых и осьминогов ганглии соединяются, образуя примитивный мозг. Мозг осьминога состоит примерно из 500 миллионов нейронов – на первый взгляд, это очень много, но все же их в 200 раз меньше, чем в мозге человека. Тем не менее осьминог способен решать сложные когнитивные задачи. Например, он может наблюдать, как его сородич медленно учится открывать особый ящик, внутри которого спрятана еда, а затем применить полученные знания и с первого раза самостоятельно открыть такой же ящик. В процессе эволюции позвоночных животных – от лягушки к мыши, от обезьяны к человеку – мозг увеличивался относительно размеров тела, а нейронных связей в нем становилось все больше; сильнее всего развилась его внешняя часть – новая кора головного мозга, или неокортекс.

Эволюция мозга или любой другой биологической структуры – это сложный процесс. Он происходит неравномерно, и на этом пути неизбежны тупики и ошибки. Но что важнее всего – у эволюции нет возможности начать все с начала и создать нечто совершенно новое. Человеческий мозг не был создан гениальным изобретателем с чистого листа. Он скорее представляет собой компиляцию из временных решений, которые накапливались и трансформировались с момента появления самого первого нейрона. И все же этот импровизированный винегрет способен творить настоящие чудеса.

Тезис о том, что человеческий мозг несовершенен, – не просто расхожая фраза; далекое от оптимального строение мозга серьезно влияет на саму основу человеческого опыта. Строение нейронов почти не изменилось с момента их возникновения, и у них есть серьезные недостатки. Они медленные, ненадежные и незащищенные. Для того чтобы из таких несовершенных деталей сложился человеческий интеллект, требуется огромный мозг с внутренними связями и с 500 триллионами синапсов. Он занимает много места – примерно 1200 см3. Такая большая голова не может пройти через родовые пути – а изменение тазовых костей ради более широких родовых путей негативно повлияло бы на способность к прямохождению. Эволюция сделала непростой выбор: человеческие детеныши рождаются с мозгом объемом 400 см3 (что сравнимо с объемом мозга взрослого шимпанзе). Но даже такие размеры мозга представляют проблему – голова ребенка с трудом проходит через родовые пути. (Смерть во время родов была довольно частым явлением на протяжении почти всей человеческой истории, но это редкость для других млекопитающих.) После рождения человека ждет необычайно долгое детство, в течение которого его мозг растет и развивается; этот процесс завершается только к 20 годам. На земле нет другого вида животных, чей восьмилетний детеныш не мог бы жить без родителей. Такое долгое детство накладывает отпечаток на многие аспекты социального поведения, в том числе на преобладающую систему брачных отношений с долговременным союзом, что очень редко встречается у млекопитающих. Иными словами, если бы в процессе эволюции строение нейронов изменилось на оптимальное, у нас, скорее всего, не существовало бы такого распространенного во всех культурах явления, как брак.

Каждый отдел мозга выполняет свои функции. Некоторые отделы отвечают за наши чувства, такие как зрение, вкус или осязание. Когда сенсорная информация поступает в мозг, она зачастую представляется в нем в виде карты: в зрительных зонах мозга имеется карта поля зрения, а в тех отделах, которые обрабатывают сигналы осязания, есть карта поверхности тела. Многие области мозга не выполняют какую-то одну функцию, например обработку зрительной информации. Они объединяют данные от разных органов чувств, отвечают за принятие решений и планирование действий. В конечном счете мозг предназначен для управления действиями, а для этого он посылает сигналы, которые вызывают сокращение или расслабление мышц или заставляют железы вырабатывать гормоны. Важно, что бо́льшую часть работы мозг выполняет автоматически: например, повышает кровяное давление, чтобы вы не упали в обморок, когда встаете со стула, или понижает температуру тела, когда вы спите. Эту непроизвольную регуляцию, как правило, осуществляют древние в эволюционном смысле структуры, расположенные в глубине мозга.

Нейроны мозга получают информацию от рецепторов, которые находятся в глазах, в ушах, на коже, в носу, на языке, а также в других местах. Более того, такая информация поступает не только от рецепторов, которые направлены наружу и реагируют на внешний мир, но и от тех, которые отслеживают процессы внутри тела (например, наклон головы, кровяное давление и уровень наполнения желудка). Нейроны мозга тесно взаимосвязаны. Критически важно, чтобы эта связь, которую обеспечивают аксоны, соединяющие разные участки, работала четко и бесперебойно: сигналы от сетчатки должны поступать в зоны, отвечающие за обработку зрительной информации, а команды от областей, связанных с движением, должны передаваться мышцам и т. д. Любые ошибки в работе мозга и даже самые незначительные нарушения нейронных связей могут привести к всевозможным неврологическим и психическим расстройствам.

Как же образуется эта сложная схема взаимосвязей в мозге? Она формируется под воздействием генетики и факторов внешней среды. Генетическая информация определяет общую структуру и связи в нервной системе. Но в большинстве участков мозга тонкая настройка нейронных структур происходит в результате локальных взаимодействий нейронов и под влиянием индивидуального опыта. Например, если глаза новорожденного ребенка оставить закрытыми, зрительные зоны его мозга не будут развиваться и человек останется слепым, даже если во взрослом возрасте ему откроют глаза. При формировании мозга – в период внутриутробного развития и в детстве – в нем образуется в два раза больше нейронов, чем используется в дальнейшем, а многие синапсы сначала появляются, а затем исчезают. Более того: те синапсы, которые сформировались и сохранились, могут быть сильнее или слабее – в зависимости от индивидуального опыта. Свойство мозга, благодаря которому на его формирование влияет жизненный опыт, называется нейропластичностью. Она играет важную роль в развитии мозга в детстве, но в некотором виде сохраняется и у взрослых. На протяжении всей жизни опыт, в том числе социальный, совершенствует структуру и функции нервной системы, создавая воспоминания и участвуя в формировании личности.

Наука – развивающийся процесс, а не набор догм

Уильям Кристан (младший), Кэтлин Френч

ШИРОКОЙ АУДИТОРИИ ОЧЕНЬ ТРУДНО ОБЪЯСНИТЬ, что такое «вера» в научную теорию. Отчасти это связано с тем, что в понятие «вера» люди вкладывают разный смысл. В повседневной жизни мы используем слово «верить» в самых разных контекстах:

Я верю, что скоро пойдет дождь.

Я верю своему ребенку, когда он говорит, что не употребляет наркотики.

Я верю, что подсудимый виновен.

Я верю, что кора головного мозга – вместилище сознания.

Я верю, что А будет лучшим президентом, чем В.

Я верю в гравитацию.

Я верю в Бога.

В одних примерах «я верю» означает «я уверен», а в других – что-то вроде «по моему мнению» или «я предполагаю», как во фразе о возможном дожде. В каждом случае тот, кто верит, может действовать исходя из своего убеждения, и эти действия могут быть малозначимыми (когда вы берете с собой зонт, выходя из дома) или иметь далеко идущие последствия (когда вы строите свою жизнь, основываясь на религиозном учении). Где на этой шкале находится вера в научную теорию? Это трудный вопрос, потому что научные теории в своем развитии проходят несколько стадий, и на каждой из них критерии могут существенно разниться. Эти стадии существуют потому, что наука следует стратегии «предположение – проверка – интерпретация», и такая последовательность обычно повторяется многократно. Интересно, что и в повседневной жизни мы все действуем подобно ученым – по крайней мере, иногда.

Рассмотрим пример из жизни. Вы устраиваетесь в любимом кресле, чтобы почитать газету, щелкаете выключателем торшера, но свет не зажигается. Возможно, кто-то выдернул шнур из розетки (предположение 1). Вы смотрите на стену и видите, что вилка шнура в розетке (проверка 1), а значит, проблема в другом (интерпретация 1). Возможно, сработал предохранитель (вполне логичное предположение 2); однако телевизор, подключенный к той же электрической цепи, работает (проверка 2) – стало быть, дело не в предохранителе (интерпретация 2). Возможно, неисправна стенная розетка (предположение 3); вы включаете в нее другую лампу, и она зажигается (проверка 3). Значит, розетка исправна (интерпретация 3). Затем вы последовательно проверяете еще несколько предположений (не перегорела ли лампочка, не оборвался ли шнур) и, наконец, находите интерпретацию (неисправный выключатель), которая позволяет вам починить торшер. Все ваши предположения основываются на прежнем опыте обращения с автоматическими выключателями, стенными розетками и лампами, а также на общих знаниях об электричестве.

В том, что касается базовой логики, научное исследование не слишком отличается от починки торшера – разве что каждый его этап может быть гораздо более сложным. Один из подходов, описанный еще Аристотелем, называется индукцией: вы собираете все доступные факты о каком-либо явлении, размышляете, а затем выводите («индуцируете») общие закономерности, объясняющие факты[1]. Это весьма распространенный подход, и его применяют для получения самых разных объяснений: как сакральных (таких, как мифы о сотворении мира), так и бытовых (почему не заводится машина). Однако за последние два столетия, по мере развития экспериментальной науки, индуктивный метод перестал быть источником лучших объяснений и превратился в инструмент формулирования предположений. (Ученым нравится термин «гипотеза», философы предпочитают говорить «допущение», но оба этих слова – синонимы «предположения»[2].)

Значит ли это, что генерирование гипотез превратилось в заурядную и несущественную часть научного познания? Вовсе нет! Чтобы выдвинуть хорошее предположение, требуются фундаментальные знания и творческие способности. Как правило, хорошая гипотеза неожиданна (никто ранее не задумывался об этом или не принимал эту мысль всерьез), интересна, проверяема и может подтверждаться во многих экспериментах. Иногда вместо слова «проверяемость» используют термин «фальсифицируемость» – чтобы гипотеза считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения с помощью объективных, повторяемых экспериментов[3]. Проверки, необходимые для оценки гипотезы (то есть для того, чтобы принять или отвергнуть предположение), должны быть строгими. (Принятие гипотезы означает лишь то, что она пока не отвергнута.) По сути, ученые пытаются выявлять причинно-следственные связи, и поэтому научная гипотеза обычно имеет следующий вид: «А является причиной В». Приведем пример из нашего лабораторного исследования медицинских пиявок. Мы предположили, что определенные нейроны в нервной системе пиявки запускают ее плавательные движения. Основываясь на результатах первоначальных экспериментов, аспирантка Дженис Уикс обнаружила разновидность нейронов, подходящих на эту роль; она назвала их клетками типа 204[4]. Как мы могли проверить ее предположение, что именно клетки типа 204 отвечают за плавание? В сущности, есть три общепринятые категории проверок на причинно-следственную связь: проверки на корреляцию, необходимость и достаточность. В экспериментах Дженис с клетками 204 проводились проверки всех категорий.