 |
Нейроны. Синапсы. В поисках следов памяти
|
|
|
|
Нейроны
Говоря об обучении, мы часто упоминаем клетки серого вещества. Мы говорим, что нервные клетки не восстанавливаются, опять-таки имея в виду клетки серого вещества. Так как же поживают эти наши клетки? Надо надеяться, что у вас они отнюдь не серые, ибо такой цвет мозг приобретает только в банке с консервирующим раствором. Клетки серого вещества живого мозга прозрачны, а протекающая сквозь ткани мозга кровь придает ему скорее розоватый цвет. Большая часть серого вещества представлена корой головного мозга. Здесь нервные клетки расположены чрезвычайно густо. В науке их называют «нейронами». На нейронах находятся синапсы, места переключения, в которых нейроны соединяются друг с другом. Помимо этого, в мозге есть клетки еще трех типов. Об этих клетках в популярной литературе пишут реже, хотя именно они помогают нервным клеткам нормально функционировать. Эти клетки называют глиальными. Белое вещество мозга состоит прежде всего из нервных волокон, соединяющих между собой нейроны.
Как уже было сказано выше, в человеческом мозге содержатся от 86 до 100 миллиардов нейронов. Размеры нейронов сильно варьируют – от четырех до ста микрометров в диаметре. Таким образом, футбольный мяч в 1, 4 миллиарда раз больше среднего (приблизительно шарообразного) нейрона диаметром 20 микрометров. Однако если развернуть и выпрямить все связи нейронов, то эта цепь протянется в длину на 1720 километров – это расстояние в два раза больше расстояния от Фленсбурга до Мюнхена. Естественно, нейроны есть не только в головном мозге – они рассеяны по всему нашему телу. В спинном мозге число нейронов достигает 20 миллионов, а в кишечнике их более 100 миллионов, так что мы можем с полным правом говорить о «кишечном» или «втором» мозге.
|
|
|
Нейроны – это особая форма клеток организма. Существуют разные виды нейронов, но для всех них характерно одно свойство – способность «проводить возбуждение», то есть способность, в зависимости от входящего сигнала, порождать и передавать дальше другой сигнал – или, как говорят нейрофизиологи, «разряжаться». Один нейрон может разряжаться до нескольких десятков раз в секунду. При этом у нейрона множество входов и только один выход. Этот выход работает по принципу «все или ничего». У возбуждения существует порог. Если этот порог достигнут, то происходит разряд. Это можно сравнить со средневековой деревней. На стенах, окружающих деревню, сидят наблюдатели и смотрят, не приближается ли враг. Задача наблюдателей – сообщать об опасности князю в ближайшей крепости. Однако князю докладывают об опасности не каждый раз, когда вдали появляются чужаки. В этом случае в городе постоянно царила бы паника, и никому не было бы пользы от такой бдительности. Князю сообщают об угрозе только в тех случаях, когда много наблюдателей одновременно видят большое скопление чужеземцев или если те подобрались слишком близко к стенам крепости. Только тогда настает время подать сигнал тревоги.
Один нейрон может одновременно получать тысячи входящих сигналов (вероятно, что столько же было и наблюдателей вокруг крепости). Однако в результате разряда на выходе появляется один-единственный сигнал. Волокна, по которым сигналы поступают в нейрон, называются дендритами, а волокно, по которому сигнал покидает нейрон, – аксоном. Сигнал представляет собой электрический импульс, и электрические потенциалы нервных клеток (точнее, их величины) решают, разряжаться им или нет.
Существуют различные типы нервных клеток (нейронов). На рисунке показано типичное строение нервной клетки. Вокруг клеточного ядра располагается тело клетки, в которое входят многочисленные входящие отростки – дендриты. Напротив, отросток, по которому возбуждение (электрический сигнал) распространяется в направлении от клетки, только один (аксон). Каждый аксон обернут прерывистым футляром из вспомогательных клеток белого вещества. Эти футляры называются миелиновыми оболочками. Именно они обеспечивают высокую скорость проведения импульса по аксонам
|
|
|
Одиночные нейроны могут немногое. Нейрон либо передает сигнал, либо не передает. Это не слишком мудреная задача. С помощью такого механизма невозможно хранить информацию. Только совместная деятельность объединенных в сети нейронов обеспечивает невероятные способности, которые проявляет наш мозг. Аксон нейрона может достигать метра в длину, но при этом очень тонок. То, что мы обычно называем нервными волокнами, представляет собой пучок аксонов, упакованных в защитный футляр. Скорость передачи нервного импульса в нервной системе человека колеблется от двух до ста двадцати метров в секунду, то есть до 430 километров в час. Это больше, чем скорость гонщика «Формулы-1», но меньше скорости пассажирского реактивного самолета.
Нейроны с самым быстрым проведением импульсов по аксонам управляют движениями произвольных мышц тела. Внутри головного мозга скорость проведения по аксонам меньше, и в среднем составляет тридцать метров в секунду. Протяженности проводящих путей внутри мозга невелики, а более низкая скорость распространения импульсов обеспечивает более надежное проведение. Ничего особенного, точно так же планируют городские магистрали. Два удаленных друг от друга населенных пункта соединяют между собой широкой скоростной трассой, которая при этом занимает значительное пространство. В жилых кварталах, однако, каждый дом стоит на узкой улице, скорость движения по которой, соответственно, ограниченна.
Синапсы
В передаче возбуждения важно не только число соединений между нейронами, но и способ их деятельности. Входные и выходные пути проведения связаны с другими клетками не как электрические кабели. Пути проведения начинаются и оканчиваются особыми контактными структурами – синапсами. Сообщающиеся между собой нейроны непосредственно не соприкасаются, между ними всегда есть щель. Когда электрический импульс доходит до окончания аксона возбужденной клетки, из него выделяется сигнальное вещество (нейротрансмиттер), поступающее в щель, через которую оно переходит к началу дендрита, где соединяется с расположенными на нем рецепторами. Это соединение приводит к формированию на дендрите электрического потенциала, то есть происходит электрохимическое возбуждение. После этого нейротрансмиттер отделяется от рецептора и снова захватывается аксоном, или просто разрушается в щели. Все эти события происходят в течение ничтожных долей секунды. Нейротрансмиттер не во всех случаях приводит к возникновению потенциала действия (возбуждения следующей клетки). В некоторых случаях нейротрансмиттер лишь повышает возбудимость нейрона, а в некоторых – уменьшает ее, блокируя проведение следующих импульсов. В большинстве случаев один нейрон выделяет из своих окончаний один и тот же нейромедиатор (нейротрансмиттер). Поэтому нейроны часто классифицируют по их нейромедиаторам.
|
|
|
В настоящее время известно более ста различных нейротрансмиттеров. Самыми распространенными являются глутамат и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Глутамат возбуждает, передает приказ: «Разряжаться! », ГАМК отдает противоположный приказ: «Успокоиться! »
Самыми известными нейротрансмиттерами являются серотонин и дофамин, «гормоны счастья». Каждый нейротрансмиттер выполняет в нервной системе свои специфические задачи, и только потому, что один нейрон, как правило, реагирует на один-единственный медиатор, можно обнаруживать действующие нейронные сети. Например, нейроны, реагирующие на дофамин, называют «дофаминергическими». Самая известная дофаминергическая система связывает ствол мозга (а через него средний мозг) с лимбической системой. Эту систему иначе называют системой вознаграждения. Расположенные в центральной части головного мозга структуры, принадлежащие лимбической системе, очень важны для обработки эмоций, а также для формирования мотиваций и долговременной памяти. Сигналы в этой сети передаются за счет дофамина. При позитивных переживаниях, например когда мы получаем какое-то вознаграждение, в окончаниях выделяется еще больше дофамина. В этом есть несомненный биологический смысл: если мы едим и насыщаемся, то чувствуем покой, счастье и благополучие. Это ощущение откладывается в головном мозге, и память создает мотивацию вовремя и хорошо питаться.
|
|
|
Синапс – это соединение двух нейронов. Здесь возбуждение передается с одной нервной клетки на другую. Этот процесс осуществляется нейротрансмиттером, в данном случае дофамином. Когда нейрон «разряжается», в аксоне возникает электрическое возбуждение (вверху). Содержащийся в пузырьках нейротрансмиттер выделяется в синаптическую щель – пространство, отделяющее аксон от дендрита следующей нервной клетки. На дендритах принимающего возбуждение нейрона расположены соответствующие рецепторы – молекулы, связывающиеся с нейротрансмиттером (в данном случае с дофамином). Если с рецепторами связывается достаточное количество молекул нейротрансмиттера, на этом месте возникает электрический сигнал. Неиспользованные молекулы медиатора снова захватываются аксоном или разрушаются
Эта основополагающая система возникла давно и присутствует у всех без исключения млекопитающих. Дофамин в качестве нейротрансмиттера работает в нервной системе практически всех животных. В эти процессы активно вмешиваются наркотические вещества, вызывающие зависимость. Например, кокаин препятствует обратному захвату дофамина в синапсах. Развивается чрезмерное возбуждение, приводящее к ощущению безмерного счастья и к повышенной работоспособности. Однако при переизбытке дофамина у рецепторов притупляется чувствительность к этому нейромедиатору. Нормального количества дофамина перестает хватать без дополнительного введения кокаина или амфетамина, что довольно быстро приводит к наркотической зависимости.
Влияние выброса дофамина на нейрон зависит также от типа его рецепторов, воспринимающих сигнал. Существует пять видов дофаминовых рецепторов, которые можно разделить на два класса: выделение дофамина в синапс сопровождается, в зависимости от типа рецепторов, возбуждением или торможением целевого нейрона. Происходит приблизительно то же, что в трудовом коллективе. Если шеф рычит на сотрудников, выдавая им свои ценные указания, и рык этот становится все более и более грозным, то это вызывает у сотрудников (рецепторов) разные реакции. Одного сотрудника это стимулирует. На другого не оказывает никакого действия, а третьего вгоняет в ступор. Результат: первый станет работать лучше, а второй и третий – нет. В конторе, кроме того, сидят и другие сотрудники, подчиняющиеся другому шефу. Они замечают, что количество медиатора (распоряжений) в конторе стало больше, но они, в силу ненадобности, на них не реагируют. Из этого многообразия медиаторов и рецепторов следует, что в зависимости от внешних условий вся нервная система в совокупности может обеспечивать целый спектр многообразных реакций. В целом считается, что глутамат и ГАМК обеспечивают быстрый и непосредственный обмен информацией, а такие медиаторы, как дофамин и серотонин, очень важны для медленных, касающихся всей нервной системы изменений. Например, они отвечают за спокойствие или, наоборот, повышение уровня бодрствования.
|
|
|
Помимо этого, синапсы играют важную роль в обучении! Почему и каким образом? Дело в том, что они могут менять свои свойства. Из исследований Кандела, проведенных на аплизиях, нам известно, что если непрерывно активировать один и тот же нейрон, то он в конце концов начнет выделять все меньше и меньше медиатора, что, естественно, приводит к уменьшению возбуждения следующего нейрона. Если же на фоне привычной стимуляции приходит какой-то другой сигнал, то синапсы начнут выделять больше медиатора. Такое происходит, например, в тех случаях, когда аплизии постоянно поглаживают чувствительные отростки, а затем внезапно наносят по хвосту удар током. После этого даже поглаживание приводит к усилению выделения медиаторов в синапсе и к сильным движениям хвоста – даже без всякого удара током. Эти изменения являются кратковременными: биохимические реакции меняются, но их прочного встраивания не происходит. Таким образом, в данном случае речь идет о кратковременной памяти. Однако при повторных или длительных раздражениях одного нейрона в мозге происходит реальная перестройка. Возникают новые точки контакта, начинается разрастание дендритов, укрепляются существующие соединения и возникают новые.
В поисках следов памяти
Сто лет назад ученые, изучавшие мозг, считали, что память хранится в мозге в закодированном виде. Если мы чему-то научились и в результате изменилось строение мозга, то в нем непременно должны остаться следы приобретенного знания. Эти гипотетические следы были названы энграммами. Много сил было потрачено на их поиск и обнаружение. Но, несмотря на все усилия, эти изменения не были найдены ни в одном участке головного мозга. Как мы усвоили из предыдущей главы, мозг постоянно изменяется в процессе обучения. Одно-единственное запоминание приводит ко многим изменениям, так как по ходу его происходит активация множества нейронов. Значит, след памяти надо искать в специфической последовательности переноса возбуждения.
Например, путешествие в Париж способно активировать множество систем памяти. Представьте себе, что вы стоите вместе с возлюбленной на Эйфелевой башне. От одного этого у вас в мозге происходит активация множества нервных клеток: одни обрабатывают эмоции, другие обеспечивают данными автобиографическую память, третьи важны для формирования семантической памяти, где откладывается такая важная для викторин информация, как, например, то, что высота Эйфелевой башни – 324 метра. Если же вы поцелуете возлюбленную, то забудете обо всем на свете. Чувственность захлестывает вас обоих, вы закрываете глаза и не замечаете, как карманный воришка вытаскивает из вашего кармана бумажник. Ах, о чем это я… рассказывая впоследствии дома обо всем увиденном и пережитом в Париже, вы снова включаете сходные нейронные сети и заново переживаете романтические моменты, поцелуй и свой взволнованный рассказ в полицейском участке.
|
|
|
