Лекция 2. Нейрон: кирпичик мозга и как бежит сигнал

В прошлой лекции мы условились, что мозг производит всё психическое. Но как? Чтобы это понять, надо спуститься на самый нижний этаж и познакомиться с кирпичиком, из которого мозг сложен, — с нервной клеткой, нейроном. Их в голове около восьмидесяти шести миллиардов, и каждый — крохотный узел, умеющий лишь одно: принять сигналы и передать дальше. А из этого простого действия, помноженного на миллиарды клеток и триллионы связей, складывается всё — от того, что вы сейчас видите буквы, до того, кто вы есть. Сегодня разберём, как устроен нейрон, как по нему бежит сигнал — электрический внутри и химический между клетками, — и почему мозг мыслит не отдельными нейронами, а их сетями.

1. Кирпичик мозга

Всякая сложная вещь из чего-то состоит: дом — из кирпичей, тело — из клеток. Мозг тоже, и его главная рабочая клетка — нейрон, нервная клетка. Их около восьмидесяти шести миллиардов — число, которое трудно вообразить: если считать по одному в секунду, уйдёт больше двух тысяч лет. И это только сами нейроны; вокруг них ещё столько же вспомогательных клеток, глии, которые нейроны питают, чистят и изолируют (о них скажем вскользь — главные герои всё же нейроны).

Чем нейрон отличается от других клеток тела? Тем, что он приспособлен передавать сигналы. Клетка кожи или печени живёт своей химической жизнью на месте; нейрон же — это по сути крошечное устройство связи, чья работа — получать сигналы от других клеток и, обработав, посылать сигнал дальше. Из этого простого умения — принять и передать — и вырастает всё. Важно сразу уложить в голове масштаб и принцип: мозг не «сплошная субстанция», в которой как-то возникают мысли, а колоссальная сеть из миллиардов отдельных клеток-передатчиков, соединённых друг с другом. Всё, что делает мозг, — это сигналы, бегущие по этой сети. Разберёмся, как устроен один такой передатчик.

2. Устройство нейрона

У нейрона три главные части, и все три видны на схеме. Первая — дендриты: ветвистые отростки, похожие на крону дерева или антенны. Их задача — принимать сигналы. К дендритам одного нейрона тянутся окончания тысяч других клеток, и через них он получает входящую информацию. Вторая часть — тело клетки (сома), тот центральный кружок, где находится ядро и где, образно говоря, принимается решение. Тело как бы суммирует все сигналы, пришедшие на дендриты: если возбуждающих набралось достаточно, нейрон «решает» сработать; если нет — молчит.

Третья часть — аксон: один длинный отросток, отходящий от тела. Это «провод», по которому нейрон посылает свой сигнал дальше, к другим клеткам. Аксоны бывают очень разной длины — от микроскопических до почти метровых (например, идущих от спинного мозга к пальцам ног). На конце аксон ветвится и подходит к дендритам следующих нейронов. Заметьте изящную логику устройства: дендриты — вход (много, со всех сторон), тело — обработчик (решает), аксон — выход (один, направленный). Каждый нейрон — маленький решатель: собрал входы, подвёл итог, выдал результат дальше. А теперь посмотрим, в какой форме этот сигнал бежит.

3. Электрический импульс

Внутри нейрона, вдоль аксона, сигнал бежит в виде электрического импульса. Не совсем как ток по проводу, но по сути это электрический разряд, волна, прокатывающаяся по аксону от тела к окончаниям. Возникает он так: у клетки есть заряд, и когда входящих сигналов накопилось достаточно, чтобы перевалить через некий порог, клетка резко «разряжается» — по аксону пробегает импульс.

Тут есть важнейшая особенность — принцип «всё или ничего». Нейрон не умеет срабатывать «наполовину» или «слегка»: либо порог достигнут и импульс проходит в полную силу, либо не достигнут — и не проходит вовсе. Как выключатель или как выстрел: или да, или нет, промежуточного нет. Это делает сигнал чётким и надёжным, немного похожим на цифровой: единица или ноль, сработал или молчит. А как же мозг передаёт «силу» сигнала, раз каждый импульс одинаков? Частотой: сильный сигнал — это не «более мощный» импульс, а частые импульсы, много подряд; слабый — редкие. Ещё одна деталь: многие аксоны покрыты изолирующей оболочкой (её делают те самые глиальные клетки), и по «изолированному» аксону импульс летит гораздо быстрее — до сотни с лишним метров в секунду. Благодаря этому сигнал от обожжённого пальца долетает до мозга почти мгновенно. Итак, внутри клетки язык сигнала — электрический импульс по принципу «всё или ничего», а его громкость — это частота. Но между клетками всё устроено иначе.

4. Химический мостик — синапс

Добежав по аксону до конца, электрический импульс упирается в преграду: нейрон не соединён со следующим напрямую. Между окончанием аксона одной клетки и дендритом другой есть крошечная щель — синапс. И сигнал через неё не перескакивает электрически, а переходит с помощью химии, как показано на схеме жёлтым.

Происходит вот что. Электрический импульс, дойдя до окончания, заставляет клетку выбросить в щель особые молекулы — вещества-передатчики (их называют нейромедиаторами, и им посвящена отдельная лекция). Эти молекулы переплывают узкую щель и садятся на дендриты следующего нейрона, как ключ в замок, — и передают ему сигнал: возбуждают его или, наоборот, притормаживают. Да, важная тонкость: сигналы бывают не только возбуждающие («сработай!»), но и тормозящие («молчи!»). Нейрон-получатель складывает те и другие и уже по сумме решает, зажечься ли ему самому. Зачем такая сложность — зачем превращать электрический сигнал в химический и обратно? Затем, что синапс — это не просто провод, а управляемый вентиль. Здесь сигнал можно усилить или ослабить, пропустить или задержать, здесь встречаются возбуждение и торможение. Синапс — место, где мозг настраивается: именно меняя силу синапсов, мозг учится и запоминает. По сути, всё богатство мозга — не столько в самих нейронах, сколько в триллионах синапсов между ними и в том, как они настроены. А раз сигнал между клетками химический, на него можно влиять веществами — на этом стоит действие множества лекарств, кофе, алкоголя и наркотиков, о чём мы поговорим в лекции о нейромедиаторах.

5. От клетки к сети

Теперь сделаем самый важный шаг в понимании мозга. Отдельный нейрон, при всей его хитрости, сам по себе почти ничего не значит: он умеет лишь возбудиться или промолчать. Ошибка — искать «нейрон бабушки» или «нейрон радости», одну клетку на каждую мысль. Мозг работает иначе, и это видно на второй схеме.

Вся сила — в сети. Каждый нейрон связан синапсами с тысячами других, а всего в мозге порядка сотен триллионов связей. И любая мысль, чувство, движение — это не работа одной клетки, а узор возбуждения, вспыхивающий разом по множеству нейронов сети. Одно воспоминание — это определённый узор, свой набор одновременно зажигающихся клеток; другое воспоминание — другой узор. Слово, лицо, мелодия, намерение — каждому соответствует свой характерный «рисунок» активности в сети. Мозг мыслит созвездиями, а не отдельными звёздами. Это объясняет многое: почему мозг так устойчив (потеря отдельных клеток не стирает воспоминание, ведь оно распределено по узору); почему одно тянет за собой другое (пересекающиеся узоры возбуждают друг друга — так работают ассоциации); почему в мозге нет одного «центра я» (личность — это стиль работы всей сети). Запомните этот сдвиг: единица смысла в мозге — не клетка, а паттерн, узор совместной активности. Клетки — буквы, а мысли и чувства «написаны» узорами их возбуждения.

6. Вместе возбуждаются — связываются

У сети есть замечательное свойство, которое объясняет, как мы учимся и запоминаем. Синапсы не застывшие: их сила меняется от того, как их используют. И главное правило такое: если два нейрона часто возбуждаются одновременно, связь-синапс между ними крепнет, и в дальнейшем им легче зажигаться вместе. Коротко это формулируют так: «нейроны, что возбуждаются вместе, — связываются вместе».

Отсюда растёт всё обучение. Когда вы что-то повторяете — разучиваете аккорд, зубрите слово, отрабатываете движение, — вы снова и снова прогоняете по сети один и тот же узор возбуждения. И с каждым разом связи внутри этого узора укрепляются, ему всё легче вспыхнуть целиком. То, что поначалу давалось с трудом и по частям, постепенно «протаптывается» в сети, как тропинка в траве, и становится лёгким, автоматическим. Так навык переходит из «надо думать над каждым шагом» в «руки сами делают». И наоборот: связи, которыми давно не пользуются, слабеют — забытое воспоминание, заброшенный навык. Это правило работает и в дурную сторону: вредная привычка — это тоже хорошо протоптанный узор, который мы невольно укрепили повторением. Из этого же правила следует надежда, важная для всего курса: раз связи меняются от опыта, значит, мозг можно перестраивать — укреплять полезные узоры и давать зарастать вредным. Эту способность мозга переделывать сам себя, нейропластичность, мы подробно разберём отдельно; пока запомните её корень — простое правило совместного возбуждения на уровне синапсов.

7. Что это меняет

Соберём, что нам даёт это знание, помимо любопытства. Во-первых, понимание, что мозг — это сеть сигналов, а не волшебная субстанция, снимает мистику и делает наши состояния постижимыми. Настроение, тяга, страх, ясность или туман в голове — всё это в основе своей работа нейронов и синапсов, а значит, у всего есть механизм и на всё можно влиять. Во-вторых, идея «нейроны, что возбуждаются вместе, связываются вместе» — это практический закон самопрограммирования: чему вы уделяете внимание и что повторяете, то и укрепляется в вашем мозге. Тревожные мысли, прокручиваемые каждый день, протаптывают тревожный узор; благодарность или спокойное дыхание, практикуемые регулярно, протаптывают другой. Вы буквально лепите свой мозг тем, что чаще всего в нём запускаете.

В-третьих, знание про синапс объясняет, почему на мозг действуют вещества: раз передача между клетками химическая, то кофе, лекарство, алкоголь, влияя на эту химию, меняют наши состояния — иногда во благо, иногда во вред. Всё это — не отвлечённая биология, а про вашу повседневную жизнь: про то, как формируются и рушатся привычки, почему помогает повторение, отчего меняется настроение. Держите в голове главный образ этой лекции: вы — не набор фиксированных свойств, а живая, меняющаяся сеть, которую опыт постоянно перенастраивает. В следующей лекции поднимемся с уровня отдельных клеток на уровень целого органа и развернём карту мозга: увидим, из каких больших частей он состоит и кто в нём за что отвечает.

Итоги

• Нейрон — рабочая клетка мозга (их около 86 миллиардов), приспособленная принимать и передавать сигналы. Мозг — не сплошная субстанция, а колоссальная сеть таких клеток-передатчиков.
• У нейрона три части: дендриты (вход, принимают сигналы), тело (суммирует и решает), аксон (выход, посылает сигнал дальше).
• Внутри клетки сигнал — электрический импульс по аксону, работающий по принципу «всё или ничего»; сила сигнала передаётся частотой импульсов.
• Между клетками — синапс, крошечная щель, где сигнал переходит химией: выброс молекул-медиаторов возбуждает или тормозит следующий нейрон. Синапс — управляемый вентиль, место, где мозг учится; на химию синапса влияют вещества.
• Единица смысла в мозге — не отдельная клетка, а узор возбуждения по сети: мысль, чувство, воспоминание — это «созвездие» одновременно зажигающихся нейронов.
• «Нейроны, что возбуждаются вместе, — связываются вместе»: совместная активность укрепляет синапсы. На этом стоит всё обучение; чему уделяешь внимание и что повторяешь, то и протаптывается в мозге.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите три части нейрона и роль каждой.
2. Что значит принцип «всё или ничего» и как тогда передаётся сила сигнала?
3. Что такое синапс и почему сигнал между нейронами химический, а не электрический? Почему это важно?
4. Почему говорят, что единица смысла в мозге — не клетка, а узор? Что это объясняет?
5. Как правило «возбуждаются вместе — связываются вместе» объясняет обучение и привычки? Приведите пример из своей жизни.

Литература

• Дэвид Иглмен. «Мозг: ваша личная история» — доступно о нейронах и сетях.
• Станислас Дехан. «Как мы учимся» — о синапсах, узорах активности и обучении.
• Джозеф Леду. «Синаптический мозг» — о том, как синапсы делают нас теми, кто мы есть.

Это вторая лекция курса «Мозг и поведение». В следующей поднимемся с уровня отдельных клеток на уровень целого органа и развернём карту мозга — увидим, из каких больших частей он состоит и кто в нём за что отвечает. А разобрать, как повторение лепит ваши собственные нейронные тропинки, всегда можно вместе с Фреди.