Существует множество различных видов нейронов, и каждая субпопуляция, как и отдельный нейрон, является высокоизбирательной по отношению к виду стимула, на который реагирует. Например, сенсорные нейроны запрограммированы так, чтобы возбуждаться в ответ на стимулы с определенными характеристиками. Некоторые сенсорные нейроны регистрируют боль и температуру, другие – положение, вибрацию или легкое прикосновение. Определенные нейроны в составе зрительной системы активируются, только когда в поле нашего зрения появляется горизонтальная линия, а другие реагируют исключительно на вертикальную линию. Существуют нейроны, настроенные на толстые или тонкие линии, или на быстро мигающий свет, или на медленные вспышки света.
Хотя отдельные сенсорные нейроны определяют то, как мы воспринимаем стимул, существуют также нейроны-хабы, распределенные по всему мозгу. Эти нейроны получают входящие сигналы от многих других субпопуляций нейронов. Кроме того, есть группы нейронов, которые запрограммированы отвечать совместно на тот же самый стимул. Вместе они передают сигналы с бо́льшей частотой и интенсивностью, чем когда реагируют на стимул по отдельности.
Таким образом, ответ мозга на стимулы является исключительно коллективным мероприятием, в котором различные нейроны активируются различными видами сенсорных входных сигналов и различные сети нейронов активируют друг друга. Чем чаще нейроны совместно возбуждаются, тем сильнее становится их связь друг с другом. Это хорошо сформулировано в аксиоме, известной как правило Хебба[4]: между нейронами, которые возбуждаются одновременно, возникает прочная связь.
Подобным же образом, когда мы испытываем повторное воздействие стимула, который активирует определенный нейрон, его реакция становится более выраженной. Таким стимулом может быть лекарство или наркотик, определенная песня или насмешливый взгляд коллеги. Если две характеристики стимула присутствуют одновременно – зрительный сигнал и, например, связанное с ним воспоминание, – то нейроны, настроенные на одну характеристику, могут постепенно связываться с нейронами, настроенными на другую.
Как только между двумя нейронами или двумя группами нейронов устанавливается связь, они приобретают способность активировать друг друга. Так, когда одна группа нейронов возбуждается в ответ на стимул, вторая группа с большей вероятностью тоже перейдет в возбужденное состояние. Подобная связь наблюдается в областях мозга, которые обрабатывают информацию из множественных сенсорных источников – например, нейрон в зрительной коре, настроенный на красный цвет, и нейрон в слуховой коре, настроенный на определенную тональность, могут связаться друг с другом в префронтальной коре, области мозга, где, как считается, формируются наши мысли и решения. Свяжите эти два сенсорных входных сигнала с воспоминанием о «скорой помощи», и вы получите четкий пример правила Хебба.
Хотя некоторые нейроны активируют другие, примерно половина наших нейронов выполняет противоположную функцию: они подавляют возбуждение. Вместо того чтобы снижать степень поляризации мембраны нейрона, вызывая его активацию, эти нейроны вызывают гиперполяризацию, затрудняя передачу сигнала. Химические вещества, способные усиливать или ослаблять ответ нейронов, известны как нейромедиаторы. К ним относятся в том числе допамин, серотонин и норадреналин.
Между нейронами, которые возбуждаются одновременно, возникает прочная связь.
Пучки нейронов образуют сеть, или нервный паттерн. Эти сети могут возбуждаться совместно или последовательно и могут контактировать друг с другом через различные области мозга. Еще более разветвленными являются сети, которые соединяются с другими сетями и, подобным образом, возбуждаются или тормозятся нейромедиаторами. Каждая взаимосвязанная сеть выполняет определенную функцию, например запускает движение или воспринимает физическое ощущение в организме. Эти сети коры головного мозга взаимосвязаны и никогда не работают независимо.
Нейроны в различных областях головного мозга генерируют импульсы с различными частотами. Эти частоты связаны с разными функциональными состояниями, такими как движение или сон. Сложные взаимодействия, которые определяют ответ нейронов на любой стимул, формируются и частотой, и амплитудой передаваемых сигналов, в пределах сети или вне ее. Мы получаем все больше доказательств, что выборочное внимание использует соотношения частот для усиления значимой и подавления незначимой и отвлекающей информации.
4
Дональд Олдинг Хебб (1904–1985) – канадский физиолог и нейропсихолог, один из создателей теории искусственных нейронных сетей (