Информация в мозге передаётся электрохимическим путём. Как это работает? Дендриты принимают электрический заряд и отправляют его в вычислительный центр – тело нейрона. Оно решает, какой именно из принятых сигналов пойдёт дальше, а какой нет.
Электрические импульсы бывают как возбуждающими – вызывающие действие, так и тормозными – останавливающие действие. Сигнал от одной клетки слишком слаб, чтобы вызвать какую-то реакцию в нейроне. Например, одновременно должны загореться 50 или более синапсов. Тело клетки высчитывает, сколько тормозных и возбуждающих сигналов пришли одновременно и откуда. Если количество возбуждающих сигналов превышает количество тормозных, то через аксон проходит команда: Сделай это! Если наоборот: Остановись! Заряд, поступив в аксон, освобождает нейромедиатор[9] в синапс, его размер всего 20–50 нанометров. Рецептор второго нейрона ловит этот нейромедиатор, и в нём запускается химическая реакция, которая вызывает электрический импульс. На жаргоне нейроучёных это называется спайк.
В коре преобладают два основных вида нервных клеток – звёздочки без шипиков и пирамидки с шипиками. Шипики – крошечные мешочки, наросшие на дендритах. Информация зашифрована в спайках. Звёздочки загораются с постоянной частотой. Пирамидки сначала дают быстрый всплеск, потом он замедляется. Ещё возможен ответ быстрыми всплесками, потом пауза, затем снова всплеск[10].
Рис. 6 Различные виды спайков нейронов. (Автор: А.Петрова)
Сколько нейронов в мозге
Поиск ответа на этот вопрос в учебниках по нейробиологии даёт разные цифры. Обычная цифра – 100 миллиардов нейронов, и в 10 раз больше глиальных клеток – обслуживающего персонала нейронов. 1:10. Бразильская исследовательница Сюзанна Геркулано-Гаузель (Suzana Herculano‐Houzel) не поверила и решила узнать точное число. Она перечитала массу учебников, встретилась с известными нейробиологами. Все повторяли как мантру число 100 миллиардов, но никто не мог сказать, откуда взялась эта цифра. Тогда Геркулано-Гаузель решила посчитать нейроны сама. Она разработала новый метод и назвала его brain soup – суп из мозга. Но прежде чем перейти к опытам с мозгом человека, она потренировалась на крысиных мозгах.
В 2009 году Геркулано-Гаузель взяла мозг четырех умерших людей. Она разделила его на части – кора, мозжечок и другие, затем нарезала их кружочками. Потом растёрла их в порошок и развела в специальном растворе, чтобы удалить жиры. В растворе остались только ядра нейронов и глиальных клеток. Затем исследовательница пометила их флуоресцентным протеином. В ультрафиолетовых лучах они светились голубым. Одно ядро – одна клетка. Чтобы определить, сколько из них нейронов, Сюзанна использовала два антитела, которые приклеиваются только к нейронным ядрам и окрашивают их в красный цвет. С помощью микроскопа она посчитала сначала голубые ядра, а затем красные. Результат – в мозге 170 миллиардов клеток, из них 86 миллиардов нейронов и 86 миллиардов глиальных клеток. Соотношение один к одному. Но не для всех частей мозга. В коре – верхнем слое мозга, самом богатом нейронами, – почти 61 миллиард глиальных клеток и 16 миллиардов нейронов – 3,76: 1[11].
Критики упрекали Сюзанну Геркулано-Гаузель в том, что растирание в порошок и растворение разрушило много клеток. Но она использовала раствор, который разрушает жиры и сохраняет протеины, из которых состоят ядра клеток. А то, что ткани перед растиранием хранились в формалине, только укрепило связи между протеинами.
Законы мозга
Нейроны, которые расположены рядом, обрабатывают один тип информации – визуальную, слуховую, двигательную. Учёные называют такие зоны соответственно зрительной, слуховой или двигательной корой. Информация из разных типов коры может смешиваться, неважно, находятся они по соседству или далеко друг от друга. Когда мы видим розу и сразу слышим слово роза, в этот момент одновременно загораются нейроны в зрительной и слуховой коре, их отростки притягиваются друг к другу. Чем чаще происходит совместное зажигание, тем сильнее связь между нейронами. Сюда же могут подключиться «нюхающие» нейроны. Это закон Хэбба, который лежит в основе обучения. Fire together, wire together! По этому принципу нейроны объединяются в нейронные ансамбли – большие группы. При виде котика загораются нейроны в вашей зрительной коре, одновременно с ними нейроны, которые кодируют как представление о котиках, так и само слово котик. Если вы любите котиков, то к ним добавляются нейроны из эмоционального центра, а также нейроны запаха и мягкой кошачьей шёрстки. Нейронные ансамбли собираются как конструкторы Лего из жизненного опыта. Люди рождаются с небольшим набором нейронных ансамблей, но все остальные – результат обучения в широком смысле слова. Закон Хэбба работает и в обратном направлении – Use it or lose it! Неиспользуемые ансамбли распадаются. Информация стирается из мозга.
9
Нейромедиаторы – химические вещества одной из трёх химических групп – аминокислоты, моноамины и пептиды. Аминокислоты и монамины – маленькие органические молекулы, они хранятся в синаптических пузырьках – везикулах. Пептиды – большие молекулы, они хранятся в секреторных пузырьках. Они часто встречаются в одних и тех же аксонах. При разных условиях освобождаются разные медиаторы. Разные нейроны в мозге выделяют разные трансмиттеры. Глутаминовая кислота – возбуждающий медиатор, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) – тормозный медиатор, и глицин – в спинном мозге тормозит, в головном – возбуждает сигналы.
10
Bear M.F., Connors B.W., Paradiso M.A. (2009). Neurowissenschaften: ein grundlegendes Lehrbuch für Biologie, Medizin und Psychologie. Heidelberg: Spektrum Akad. Verl. 980 S. – S. 107–110.
11
Azevedo F.A.C., Carvalho L.R.B., Grinberg L.T., Farfel J.M., Ferretti R.E.L., Leite R.E.P… Herculano-Houzel S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532–541. https://doi.org/10.1002/cne.21974