Kitobni o'qish: «Мой мозг»
Посвящается Жу И
Перевод с китайского выполнила Анна Гуло по изданию:
Sijia Zhao. Oh, my brain. – CHEERS PUBLISHING COMPANY.
Authorized translation from the Simplified Chinese language edition published by CHEERS PUBLISHING COMPANY.
All rights reserved.
© Перевод, издание на русском языке. ООО «Попурри», 2025
Предисловие
Предмет, которому не учат в школе, но который обязательно нужно знать
Я всегда считал, что наука о мозге – самая недооценённая и игнорируемая.
Многие фундаментальные вопросы человечества связаны с пониманием того, как работает наш мозг. Что такое сознание? Как соотносятся дух и материя? Сможем ли мы жить вечно с помощью искусственного интеллекта? Ответы на эти важные вопросы зависят от развития науки о мозге. В 2005 и 2020 годах журнал Science, ведущее издание в научном сообществе, опубликовал статьи, посвящённые наиболее сложным проблемам, с которыми столкнулось человечество. Немалая их часть касается мозга. Но и менее значимые явления повседневной жизни также имеют отношение к науке о мозге. Почему людям нужно спать? Почему в компьютерные игры дети погружаются с головой, а во время выполнения домашнего задания постоянно отвлекаются?
Если на все эти моменты влияет мозг, почему же мы всегда окружаем его ореолом загадочности? Почему не рассказываем о нём в начальной и средней школе? Даже во многих вузах до сих пор не преподают знания о тайнах мироустройства и законах жизни.
Я могу предположить почему. Во-первых, подобные вопросы связаны с нейробиологией и психологией, и их сложно объяснить в рамках одной дисциплины. Консервативное деление предметов, изучаемых в школе, затрудняет передачу этих знаний. Во-вторых, наука о мозге наиболее активно развивается только в последние 20 лет. Многие вопросы пока остаются без ответов, а наша система образования предпочитает иметь дело с доказанными фактами. Именно поэтому, несмотря на всю важность и полезность науки о мозге, её сложно популяризовать и доступно объяснить.
Книга, которую вы держите в руках, в корне меняет дело. Доктор Сыцзя Чжао – научный сотрудник Оксфордского университета, а также моя коллега. Она имеет солидную подготовку и с энтузиазмом занимается научными исследованиями. Что более важно, ей удаётся преподносить нейробиологию интересно и ярко. Здесь вы обнаружите много занимательных фактов о мозге в виде ответов на вопросы. Слышат ли дети звуки, которые не слышат взрослые? Если онемение губ и языка и острота блюда – не вкусовые ощущения1, то какие же? Почему случается любовь с первого взгляда? Правильно ли слушать музыку, делая домашнее задание?
Вам уже хочется узнать об этом? Такие темы пробуждают ваше любопытство? Да, интерес действительно признан одной из первичных мотиваций к обучению, поэтому давайте начнём с этой книги, чтобы получить больше информации о нашем невероятном мозге!
Напомню, что представленная работа вовсе не перечень научных знаний о мозге. Систематизированные сведения о предмете – задача учебников. Многие из приведённых здесь ответов неполные, а некоторые из них могут оказаться неверными через несколько лет. Такова особенность молодой области знаний. Добро пожаловать в новый мир науки о мозге.
Вэй Куньлинь,профессор Школы психологии и когнитивных наук Пекинского университета
Предисловие автора
Как наука о мозге изменила меня
Я всегда хотела учиться в престижном вузе.
И приложила к этому огромные усилия, но всё равно в 17 лет получила отказ из Кембриджского университета. В те времена результаты сообщали по телефону, и я до сих пор помню, как мне позвонили во время вечернего занятия. Пришлось отпроситься в туалет, чтобы ответить.
Узнав результат, я растерялась. В голове роилась масса мыслей. Почему? Где я допустила ошибку? Я недостаточно уверена в себе? Недостаточно умна? Недостаточно усердна? Вопросы захлестнули меня, и хотя я пыталась мыслить разумно, эмоции возобладали, поэтому мне никак не удавалось перестать думать об одном и том же.
Тогда я чувствовала себя так, будто лишилась чего-то. Это состояние трудно описать. Я допускала возможность отказа, но в тот момент все надежды пошли прахом. Ситуация заставила меня осознать, что я недостаточно выдающаяся, и это очень расстроило.
Нельзя довольствоваться посредственностью, нужно прилагать все усилия к тому, чтобы стать незаурядным человеком. Я верю, что эта идея до сих пор остаётся основной тенденцией образования.
В своём стремлении к этой «незаурядности» я встречала многих людей, которые не только были умнее, настойчивее и спокойнее, чем я, но и превосходили меня в простых житейских вопросах. И всякий раз, осознавая, что кому-то в чём-то уступаю, чувствовала неудовлетворённость. С какой стати другие оказываются лучше? В этом недовольстве я порой доходила до полного непринятия себя.
После провала в Кембридже я поступила в Университетский колледж Лондона. Этот вуз мало известен в Китае, но уровень образования в нём хороший. Я выбрала нейробиологию (neuroscience). Она посвящена изучению мозга, и моё решение было обусловлено двумя причинами: прежде всего это лучшая специальность в колледже, которая занимает второе место по популярности во всём мире, а получив отказ в Кембридже, я должна была хоть чем-то себя утешить. Вторая и более важная причина заключалась в том, что я искала способ стать идеальнее – умнее и красноречивее, а также развить свои таланты или хотя бы улучшить память.
Правда, исследуя мозг, я избавилась от этих навязчивых идей. Впервые я испытала, насколько приятно учиться, а не получать высокие оценки на экзаменах или хвастаться знаниями и талантами в кругу друзей. Меня глубоко поразила красота мозга, я увидела, насколько удивительно он устроен, и поняла, что моя жизнь – это чудо. Мозг позволяет мне чувствовать и осознавать, выбирать то, что я хочу, и это само по себе уже невероятно.
Можно сказать, что нейробиология позволила мне объективно понять себя, понаблюдать за своей жизнью и убедиться, что я, обычная или необычная, очень ценна по факту существования.
После получения докторской степени я приехала в Оксфордский университет, чтобы заниматься исследованиями в области нейробиологии.
Впервые проводя занятия для первокурсников и наблюдая за ними, я сравнивала с ними ту себя, какой была 10 годами ранее: почему в 17 лет у меня не было возможности поступить в Оксфордский и Кембриджский университеты? Что есть у других, чего не было у меня? Чего мне точно не хватало тогда, так это любопытства, которое присуще многим молодым людям!
Нельзя приравнивать знание к результатам тестов, оно обладает уникальной притягательностью и ценностью само по себе. Чтение важно не только для выполнения заданий, оно может принести чувство удовлетворения, которое не дают игры и еда.
Я надеюсь, что эта книга откроет вам новый увлекательный мир, позволит иначе взглянуть на себя, поможет поладить с собой и другими людьми.
Сыцзя Чжао.Раннее утро, 1 января 2021 года.Лондон, Великобритания
Руководство
Как читать эту книгу
Слова должны быть разумными, но этого недостаточно: ещё нужны доказательства.
Я очень не люблю инструкции для новичков, выскакивающие перед началом игры на компьютере или телефоне, потому что хороший дизайн не нуждается в объяснениях.
И всё-таки хочу предложить руководство по этой книге, чтобы пояснить её структуру и важные моменты, на которые следует обратить внимание. Если вы ненавидите простые квесты для геймеров так же сильно, как и я, можете пропустить этот раздел. Но не думаю, что он совсем не нужен.
1. Первый вопрос: какие части этой книги можно пропустить?
Вопрос немного странный. Думаю, вы впервые сталкиваетесь с книгой, автор которой прямо указывает на то, что именно в его работе можно не читать.
Всего в книге шесть разделов, состоящих из 55 глав.
Поскольку каждый раздел представляет собой законченную тему, можно сразу перейти к содержанию и выбрать наиболее интересную для вас. Правда, читая, вы можете столкнуться с непонятными моментами, и тогда придётся вернуться на соответствующую страницу и восполнить пробелы.
Лучше всего читать с самого начала. Я полагаю, что первый и последний разделы – самые сложные. Бо́льшая часть первого раздела («Основы») содержит знания, которые можно получить только в старшей школе или даже на втором курсе института. Там много профессиональных терминов. Поначалу изучать его будет немного сложно, но попробовать стоит. Если вы внимательно ознакомитесь с «Основами», даже если не усвоите полностью, станет намного понятнее всё остальное. Последний раздел («Будущее») связан с искусственным интеллектом и содержит много абстрактных понятий. Возможно, придётся приложить усилия, чтобы его освоить.
Чтение большинства глав занимает от 5 до 10 минут, некоторых – до 15, всё зависит от вашей скорости чтения. Эту книгу не нужно проглатывать, поэтому, пожалуйста, не торопитесь.
Помимо основного содержания, в каждой главе есть заметки и рубрики трёх типов:
• Термины и определения о мозге.
Бо́льшая часть слов, связанных с мозгом, в этой книге будет представлена как в переводе с китайского на русский, так и на английском языке. Попробуйте понять их смысл на английском! Поначалу может быть немного сложно, но к концу книги вы, вполне вероятно, сумеете приспособиться. Надеюсь, эта работа поможет вам не только получить научные знания, но и научиться думать на английском языке. А пока термины и определения о мозге можно использовать как ключевые познавательные факты.
• Действуем как учёные.
Иногда это описание небольших экспериментов, которые нужно провести самостоятельно, чтобы лучше понять их суть. Если вы не достигли совершеннолетия и хотите провести эксперимент, попросите взрослых составить вам компанию. Иногда нужно будет поискать информацию в интернете. Дополнительный поиск сведений по интересующей теме – одна из составляющих повседневной работы учёных. В мире науки никогда нельзя верить тому, что говорит только один человек. Такие рубрики можно пропускать.
• Думаем как учёные.
Только тщательно обдумав всё, что узнали и увидели, мы можем по-настоящему понять и усвоить эти знания, а затем начать их применять. Если человек обладает большим количеством сведений, но не мыслит самостоятельно, его знания гораздо менее ценны, чем у того, кто осмысливает даже скромный объём информации. И поэтому я оставляю вам время поразмышлять над следующими темами: какие ассоциации вызывают у вас полученные знания, дают ли они ответы на ваши вопросы, ставят ли в тупик? Такие рубрики лучше не пропускать.
• Резюме.
Эти рубрики будут в конце каждой главы. В них указываются ключевые моменты или понятия науки о мозге, чтобы помочь вам быстро обобщить и запомнить прочитанное. Рекомендую обращать на них внимание.
Для лучшего усвоения материала в конце каждого раздела я даю интеллект-карту (mind map), чтобы подвести итог. В этом месте остановитесь, не спешите продолжать чтение. Пожалуйста, подумайте: помните ли вы, о чём говорилось в данном разделе? Что именно произвело на вас наибольшее впечатление? Было ли что-то особенно интересным, о чём вам хотелось бы узнать побольше, но я об этом не рассказала? Попробуйте использовать поисковые системы (Google, Яндекс или другие). Уверена, вы сможете найти много новейшей информации и даже книги, доступные для ознакомления.
И наконец, вспомните, было ли в конкретном разделе что-то поставившее вас в тупик или показавшееся особо непонятным? Если да, вернитесь к соответствующей странице и сделайте пометку (например, загните уголок) или нарисуйте карандашом вопросительный знак рядом с вызвавшим вопросы абзацем. Я часто сталкивалась с такой ситуацией во время учёбы, и у меня есть три способа справиться с ней.
Во-первых, если вопросов не слишком много и они достаточно разрозненные, я отмечала их и продолжала читать дальше. Иногда естественным образом удавалось понять предыдущую информацию.
Во-вторых, если вопросов больше пяти, лучше сразу быстро перечитать главу. С одной стороны, вы могли что-то упустить; с другой – иногда легче понять смысл, зная, о чём идёт речь в целом. Отмечая вопросы по ходу чтения, вы легче усвоите материал.
В-третьих, если чтение мне давалось с трудом и возникало много больших или мелких вопросов, я откладывала издание и делала перерыв на несколько дней. Если после этого книга оставалась совершенно непонятной, значит, я ещё не готова её прочитать или она не очень хорошо написана. Если у вас возникнет такая ситуация, не расстраивайтесь. Положите книгу обратно на полку и вернитесь к ней позднее.
2. Второй вопрос: можно ли верить тому, что написано в этой книге?
Сталкивались ли вы в последнее время с фейковыми новостями (fake news)?
Прежде я могла бы обратиться в несколько известных редакций, чтобы получить авторитетную и правдивую информацию, но с развитием социальных сетей количество фейковых новостей резко возросло.
Как определить, достоверна ли информация? Здесь я позаимствую пять советов доктора Уильяма ван Гордона (Dr. William Van Gordon), доцента кафедры психологии Университета Дерби в Великобритании о том, как распознать фейковые новости.
Прочитав новость, остановитесь и сделайте следующее:
• Подумайте, каков источник этой информации. Надёжен ли он?
• Попробуйте оценить информацию критически и оспорить её.
• Поразмышляйте, есть ли важные подробности, о которых умалчивается. Поскольку большинство фейковых новостей, по сути, являются ложными и не выдерживают тщательного анализа, зачастую в них намеренно опускают некоторые детали.
• Если в тексте присутствует цитата, проверьте, достоверен ли источник и несёт ли автор ответственность за свои слова.
• Выясните, не является ли изображение подделкой. Например, загрузите картинку в интернет и найдите источник. Также можно узнать, не нарушено ли авторское право.
Хотя приведённые рекомендации о том, как распознавать фейковые новости, несколько отличаются от научного содержания этой книги, по сути, они перекликаются.
3. Третий вопрос: как работать с цитируемыми литературными источниками?
Следует отметить, что с академической точки зрения размещение ссылок (reference) в сносках под текстом не совсем правильно, но так их легче читать. В мире науки существует множество способов цитирования, и почти у каждого профессионального журнала есть свой набор требований. Я буду использовать стандартный формат The Journal of Neuroscience, популярного академического журнала в области нейробиологии. Чтобы познакомить вас с тем, как читать ссылку на цитируемый документ, приведу следующий пример:
1 Zhao S., Chait M., Dick F., Dayan P., Furukawa S., Liao H.-I. (2019). Pupil-linked phasic arousal evoked by violation but not emergence of regularity within rapid sound sequences. Nature Communications 10(1): 1–16.
Прошу простить беззастенчивое использование мною собственной первой научной статьи в качестве образца.
Сначала идёт перечень Zhao S., Chait M., Dick F., Dayan P., Furukawa S., Liao H.-I. – это фамилии и инициалы каждого автора. Например, меня зовут Сыцзя Чжао, моя фамилия – Zhao, имя начинается с буквы S., поэтому я – Zhao S. В нейробиологии и многих других научных областях порядок расстановки имён авторов очень важен, и иногда коллеги спорят по этому поводу. В разных областях науки очерёдность немного отличается, например в области математики и физики авторов указывают в алфавитном порядке. В таком случае, если и дальше использовать фамилию Чжао в качестве примера, то почти всегда я буду стоять на последнем месте. Но в нейробиологии и психологии мы придерживаемся другого подхода: первый автор (first author) и последний (last author) зачастую самые важные. Первым обычно размещают имя доктора (или кандидата) наук, который фактически проводил исследование. Например, я выполняла эксперименты и написала эту статью, поэтому я первый её автор, и моя фамилия стоит в начале. Последним, как правило, упоминают руководителя первого автора, и именно он может определять основную идею и некоторые направления, описываемые в работе.
Что касается моей статьи, то замыкающим перечень фамилий стоит мой соавтор. Руководителем же был Chait M., указанный вторым. Третий автор – мой научный руководитель Dick F. Причины такой последовательности довольно сложны, и я не буду их здесь объяснять. Но справедливости ради надо сказать, что автором-корреспондентом (corresponding author) в данной статье стал Chait M. Кто такой автор-корреспондент? Если после изучения статьи у вас возникнут вопросы или вы захотите посотрудничать с нами, можете связаться с ним. Эта позиция важнее, чем у первого и последнего. Обычно первый одновременно отвечает за коммуникации, и лишь в редких случаях его роль выполняет тот, кто завершает список. Если вы видите, что соответствующий автор статьи не занимает одну из этих двух позиций, вполне вероятно, что создатели работы договорились между собой, и это можно считать частью истории, стоящей за публикацией статьи.
Следующее затем число в скобках «(2019)» указывает год издания материала.
Далее идёт предложение: «Pupil-linked phasic arousal evoked by violation but not emergence of regularity within rapid sound sequences» – это заголовок статьи.
Затем мы видим «Nature Communications» – журнал, в котором опубликована статья. Nature Communications – дочернее издание журнала Nature. Что такое дочернее издание? Оно имеет подчинённое положение. Его уровень ниже, чем у журнала Nature, но он принадлежит тому же издательству. Некоторые журналы, такие как Nature и Science, публикуют открытия, которые могут шокировать научное сообщество, независимо от области науки. Если эти два журнала отказались публиковать результаты вашего исследования, можете попробовать напечатать их в дочернем журнале.
Nature Neuroscience и Nature Human Behavior – два дочерних журнала издательства Nature, посвящённые нейробиологии. Nature Communications не относится к какой-либо конкретной научной дисциплине, и его можно считать изданием журнала Nature более низкого уровня.
Последние несколько цифр указывают номер журнала за 2019 год и страницы, на которых размещена статья. Но сейчас мы почти не читаем бумажные версии, обычно ищем статьи в Сети, поэтому эта информация фиксируется по традиции, оставшейся с тех времён, когда интернет ещё не был широко распространён.
Особо следует отметить, что в разделе книги, посвящённом здоровью, я привела судебное дело (case). Форматы цитирования в кругах юристов отличаются от принятых в научном сообществе. Стандарты цитирования законодательных документов в разных регионах тоже отличаются. В США, Австралии, Канаде, Великобритании и даже в пределах Соединённого Королевства – Англии, Уэльсе, Шотландии, Северной Ирландии – тоже используют разные форматы.
Что же делать, если в официальной статье мы говорим и о науке, и о праве? Научные цитаты и судебные дела можно указывать отдельно. Вы увидите, как это выглядит, после основного текста статьи.
В этой книге я придерживаюсь английского «Оксфордского стандарта цитирования юридических документов» (Oxford Standard for Citation of Legal Authorities).
Разберём на примере, как читать ссылки на судебные дела.
2 State v Milligan [1978] 77 CR 11 2908 (Franklin County, Ohio).
State и Milligan – стороны, участвующие в деле, и обычно они выделены курсивом; «v» означает «и» и произносится как «с» (with) или «и» (and), а не «против» (versus). Если вы видите, что два слова до и после «v» – одна и та же фамилия, это означает, что истец и ответчик, скорее всего, родственники, например муж и жена. «[1978]» означает год. Длинная последовательность «77 CR 11 2908» указывает, в каком томе и на странице какой коллекции дел находится именно это. Указанное в скобках «Franklin County, Ohio» – название суда, в котором рассматривалось дело.
Итак, можно ли верить тому, что написано в этой книге? Я надеюсь, что каждый читатель, открывший её, задаст этот вопрос мне, себе и даже любой другой книге, которую прочитает.
Желаю приятного чтения.
Знаете ли вы, как работает мозг?
• На какое животное больше всего похожи нервные клетки?
А. Морская звезда
В. Осьминог
С. Морской огурец
D. Раковина
• Если вы хотите слушать музыку во время учёбы, лучше всего выбирать мелодии без слов, поскольку песни могут повлиять на эффективность обучения. Верно?
А. Да
В. Нет
• Область мозга, расположенная за лбом, – это лобная доля, которая контролирует наши когнитивные функции. Какая из перечисленных функций не контролируется лобной долей?
А. Внимание
В. Принятие решений
С. Эстетическое восприятие
D. Вкус
Введение
Входим в центр управления человеческим телом
Вы когда-нибудь видели наземный центр управления запуском ракет? В телевизионных репортажах перед стартом часто показывают не место взлёта, а большую комнату со множеством экранов разного размера. На них отображается вся важная информация: погодные условия, скорость ветра, запас топлива в ракете, наличие повреждений и так далее. Перед экранами сидят десятки людей, большинство из которых – технические специалисты или высокопоставленные военные. Они решают, запускать ли ракету и когда это сделать. В случае чрезвычайной ситуации они также составляют новые инструкции на основе информации на экранах.
Наш мозг является именно таким командным центром, только он управляет не запуском ракеты, а нашим телом и мыслями.
Если продолжить сравнение мозга с центром управления, его можно разделить на три уровня.
Первый представляет собой большой экран, на котором в режиме реального времени отображается вся сенсорная информация, получаемая организмом. Что это такое? Свет, воспринимаемый глазами, несёт визуальную информацию; звуки, слышимые ушами, дают слуховую информацию; вкус, ощущаемый языком, сообщает вкусовую информацию, а текстура, которая соприкасается с кожей, обеспечивает поступление тактильной информации. Иначе говоря, сенсорная информация – это разные ощущения (feeling). «Я чувствую, что на балконе очень ярко», «я чувствую, что в классе тихо», «я чувствую, что под палящим солнцем жарко». При этом вы могли не заметить, что получаете не только данные извне, но и сигналы изнутри собственного тела: «у меня болит живот», «я чувствую, как смещён мой центр тяжести», «я перевёрнут вверх ногами». Это всё тоже ощущения.
Ощущение (feeling/sense)
Ощущение – это реакция на определённые физические раздражители внешнего мира (цвет, звук, запах, температуру и другие). Ощущения могут быть обусловлены как внешним миром, так и внутренними процессами организма. Учёные предпочитают использовать слово «ощущение» (sense), но в повседневной жизни мы обычно говорим «чувство» (feeling). Sensory information означает «сенсорная информация».
На этом уровне имеется множество «сотрудников», отвечающих за обработку сенсорной информации, и это нервные клетки. Здесь происходит целый ряд процессов, включая получение данных (глаза воспринимают зелёный, красный и жёлтый цвета), их осмысление (это букет красных и жёлтых цветов с зелёными листьями), фильтрацию и организацию. Поскольку главная функция этого уровня – понимание и систематизация сенсорной информации, он называется восприятием. Собирая и систематизируя сведения из внешнего мира, мы можем понять, где находимся, какие происходят изменения и есть ли опасность. Когда случается что-то особенное, информация об этом передаётся на два следующих уровня.
По сути, воспринимаемая информация относительно объективна и исходит из внешней среды или внутренних органов, которыми мы не можем произвольно управлять. Другими словами, воспринимаемое моими глазами – это то, что я вижу; воспринимаемое моими ушами – то, что я слышу; а боль в животе – это боль в животе. Это не значит, что всё будет так, как я хочу; для того, чтобы увидеть компьютер, недостаточно одного моего желания.
Восприятие (perception)
Это слово также можно перевести как «перцепция». Восприятие – общее понимание мозгом окружающего мира, а также организация и интерпретация сенсорной информации. Обратите внимание, что восприятие и ощущения различаются. Восприятие – совокупность всех ощущений.
Восприятие ≥ ощущение a + ощущение b + ощущение c + … + ощущение z.
Однако, прочитав раздел «Пять органов чувств», вы поймёте: зачастую то, что мы видим, не соответствует действительности.
Второй уровень – это эмоции, самые частые из которых – радость, гнев, печаль, удивление. Эмоции исходят от моего «я», иначе говоря, они субъективны. Вы помните, от чего именно вы были счастливы в последний раз? Я только что получила кофе навынос. Пить горячий кофе для меня радость, особенно когда рано утром я работаю над рукописью за компьютером. Но, конечно, это не даст мне ощущения чрезвычайного счастья. Такой момент настает, когда тяжёлая работа приносит плоды. В начальной и средней школе у меня были очень плохие оценки, и я считалась отстающей. Почему-то я решила стараться только летом после восьмого класса и к моменту перехода в десятый стала одной из 200 лучших учеников города. Безусловно, сейчас кажется, что это не очень хороший результат. В течение года напряжённой учёбы бывали трудные минуты, когда я сильно расстраивалась и злилась на себя за то, что взялась за ум так поздно, и моё усердие не приносило желаемого результата. Но я до сих пор помню, как была счастлива, когда наконец получила аттестат с оценками за двенадцатый класс. Именно тогда я поняла, что счастье не обязательно должно веселить, оно может проявляться и как чувство переполнения в груди.
Эмоция (emotion)
Означает разные психические состояния. Существует семь основных эмоций: радость, гнев, печаль, страх, отвращение, удивление и зависть. По мере взросления люди начинают испытывать более сложные эмоции при общении, включая смущение, вину, застенчивость, гордость и другие. В нейробиологии есть термин «аффекция» (affection), под которым понимается внешнее проявление эмоций и чувств, выражающее субъективное состояние человека. Раздел нейробиологии, называемый аффективной нейробиологией (affective neuroscience), изучает, как материя (структуры мозга и химические вещества) создаёт эмоции. В повседневной жизни, характеризуя своё состояние, вы не будете использовать слова «эмоции» или «аффекции», а скорее скажете «настроение» (mood). Good mood означает «хорошее настроение», bad mood – «плохое настроение».
Здесь я привела для примера только радость. Эта эмоция может быть сильной или слабой, длиться считаные минуты или несколько дней и даже дольше. У эмоций есть очень важная особенность: каждый человек проживает их по-своему. Даже столкнувшись с одной и той же ситуацией, мы можем испытать разные эмоции: мне будет грустно, а вы вообще ничего не почувствуете. Эмоции весьма субъективны.
Правда, существует и тип менее индивидуальных эмоций – их называют стрессовыми. Они краткосрочные и быстро проходят. Например, внезапное чувство опасности (danger) или ощущение, что за вами наблюдают (alert). Под влиянием таких эмоций люди часто действуют спонтанно, например вскакивают с места, бесконтрольно кричат или непроизвольно поворачивают голову, чтобы увидеть, кто на них смотрит. Провоцируют подобное поведение обычно внешние раздражители, например громкий взрыв, резкое торможение или клубящийся дым, которые подают неожиданные и потенциально опасные сигналы. Такие раздражители вызывают стрессовые реакции у всех людей без исключения, даже у специально обученных солдат, пожарных и врачей скорой помощи. Примечательно, что людей отличает способность подавить желание сбежать, и они сделают всё возможное, чтобы закончить начатое действие.
Высшее руководство центра управления запуском ракет – это специалисты высокого класса, способные быстро принимать решения и умеющие справляться с неожиданными проблемами и нести ответственность за более сложную работу. Точно так же и выполнение множества непростых функций происходит на третьем уровне мозга. Наш разум координирует память, чтение, мышление, речь, создание музыки и многое другое. В целом мы называем эту работу познанием. Именно оно делает человека уникальным существом. Не в моих силах описать все виды познания по отдельности, поэтому я выбрала то, что лежит в его основе, – обучение. Полагаю, сегодня это один из самых важных и волнующих аспектов. В разделе, посвящённом обучению, я раскрываю проблемы, связанные со школой, например, отвечаю на вполне практические вопросы: почему так трудно рано вставать по утрам, чтобы пойти на занятия, полезно ли слушать музыку, выполняя домашнее задание, и как улучшить способность к запоминанию с помощью научных знаний? Также я приподнимаю завесу над некоторыми тайнами: является ли интеллект врождённым или почему некоторым людям особенно везёт? Надеюсь, эта информация поможет вам взглянуть на учёбу по-новому и повысить эффективность вашего образования.
Познание (cognition)
Познание – это процесс обработки информации через осмысление для получения знаний.
Книга познакомит вас со всеми уровнями центра управления и позволит понять, как на самом деле работает наш мозг. Вы узнаете, что происходит с нами, если в центре управления что-то идёт не так. Наконец, я хочу поговорить о некоторых более сложных вопросах, которые безуспешно пытаются решить нейробиологи. Возможно, однажды, когда люди отыщут простые ответы на них, центр управления мозга можно будет улучшить, делая доступными новые возможности.
Итак, для начала давайте откроем чёрный ящик мозга и посмотрим, как он выглядит и из чего состоит.
Основы
Человеческий мозг не самый крупный в мире, но среди млекопитающих у него самая большая кора.
Глава 1
На что похож головной мозг?
Форма, цвет и свойства мозга
Мозг молчит, и мы вряд ли можем почувствовать его присутствие.
Мозг похож на кусок тофу. Если быть точным, его текстура напоминает нечто среднее между свежими рисовыми лепёшками и шелковистым соевым творогом. Поверхность морщинистая и похожа на гигантский грецкий орех. Было бы понятнее, имей мы возможность увидеть настоящий фрагмент мозга, пропитанный формалином. Формалин – антисептическая и дезинфицирующая жидкость, а именно водный раствор формальдегида концентрацией около 40 %, который часто используют для консервации органов. В целях длительного хранения кровеносные сосуды головного мозга удаляют, а мозг обезвоживают, поэтому в формалине он выглядит серым. Но следует помнить, что живой мозг светло-розового цвета, а не серо-голубого, который появляется при замачивании в формалине.
Наверняка вы уже давно знаете, что мозг спокойно сидит внутри вашей головы. Но известно ли вам его точное местоположение?
Приложите указательный палец к точке между бровями, проведите вверх до макушки, а затем по той же линии спуститесь по затылку. На затылке можете почувствовать небольшой выступ на черепе. Линия, которую вы проводите пальцем от центра бровей до выступа на затылке, – это центральная ось вашего мозга, а нижняя его часть находится между ушами. По сути, соединив пять точек между бровями, макушкой, ушами и выступом на затылке, вы намечаете расположение своего мозга в черепе.
Череп подобен коробке, предназначенной для хранения мозга: он вписывается в неё идеально, но всё же есть некоторые свободные места. Эти пустоты заполнены бесцветной прозрачной жидкостью (или ликвором. – Прим. ред.), которая немного похожа на воду, но на самом деле фильтруется из крови. Прямо сейчас у вас в голове около 150 миллилитров ликвора.
Спинномозговая жидкость, ликвор (cerebrospinal fluid)
Ликвор – прозрачная жидкость, заполняющая пространство между черепом и мозгом. Её основная функция – защита: с одной стороны, она уменьшает физическое воздействие на мозг, а с другой – очищает его.
Что он делает? Представьте, что вы положили кусок тофу в контейнер для фруктов и бегаете с ним. Когда через некоторое время вы откроете коробку, тофу окажется разваленным на кусочки. Если же вы наполните контейнер водой, то сможете без проблем прыгать с ним. Это потому, что вода, подобно мягкому одеялу, укутывает тофу, чтобы он не рассыпался.
Как и у воды в примере с тофу, основная функция ликвора – защита головного мозга. Он не только минимизирует ущерб, причиняемый столкновением с черепом, но и забирает отходы, вырабатываемые мозгом каждый день, обеспечивая тем самым для него чистую и безопасную среду. Хотя в черепной коробке всегда находится около 150 миллилитров спинномозговой жидкости, в общей сложности ваш мозг производит её в объёме 500 миллилитров каждый день (примерно столько же, сколько в бутылке кока-колы). Вы можете думать об этом, как об озере. Само озеро может содержать только 150 миллилитров воды, но каждый день в него поступает 500 миллилитров пресной жидкости и одновременно вытекает такой же объём, при этом вместе с ней уходит грязь из озера, сохраняя его первозданную чистоту. Как вы думаете, из чего берётся ликвор и с чем выводится? Ответ на оба вопроса, на самом деле, один и тот же: кровь. Центральная область мозга фактически пуста. Эту полую зону называют мозговым желудочком. Его стенки состоят из большого количества капилляров и специальных клеток. Красная кровь фильтруется с помощью мембран, образованных этими клетками, и получается прозрачная спинномозговая жидкость. Так куда же она девается? Её поглощает паутинная оболочка (arachnoid matter) – защитная плёнка, покрывающая мозг, затем она дренируется в вены и выводится с кровью. Таким образом, спинномозговая жидкость поступает из крови и возвращается в неё. Венозная кровь также забирает с собой мозговые отходы, которые вобрала спинномозговая жидкость.
Действуем как учёные
Для чего именно нужна спинномозговая жидкость? Возьмите кусочек тофу и проведите эксперимент!
Вам понадобится:
• Две одинаковые пластиковые коробки с герметичными крышками, не пропускающими воду.
• Два одинаковых кусочка тофу (если у вас нет тофу, можно использовать сырые яйца). Размер тофу должен быть таким, чтобы он поместился в коробку.
• Вода (чтобы заполнить коробку).
Представьте, что тофу (яйцо) – это ваш мозг, а пустая коробка – череп. Положите по кусочку тофу в каждую коробку. Одну оставьте без воды, а другую наполните водой так, чтобы в ней не было воздуха.
Сильно встряхните коробку без воды. Что случилось с тофу внутри? Если мозг – это такой кусок тофу, а ваш череп – это коробка, подумайте, что происходит, когда вы бегаете, прыгаете или случайно ударяетесь головой. Ваш мозг может разломаться на кусочки, как этот тофу. Но на самом деле этого не происходит, почему же?
Теперь возьмите коробку, наполненную водой, и встряхните её с той же силой. Тофу остался целым? Даже если разломался, то, вероятно, не так сильно, как первый. Это потому, что вода защищает тофу: когда он ударяется о стенку коробки, жидкость действует как вата, уменьшая силу удара. Ликвор играет ту же роль, защищая мозг.
Но если встряхнуть наполненную водой коробку слишком сильно, тофу всё равно может разломаться. То же самое касается и головного мозга: даже при наличии спинномозговой жидкости нужно стараться избегать чрезмерной тряски и ударов. Надевайте шлем, когда катаетесь на велосипеде, лыжах или занимаетесь другими опасными видами спорта (например, американским футболом, бейсболом и так далее). Наш мозг очень важен и ценен, мы должны его беречь!
Теперь, когда у нас есть общее представление о форме и расположении мозга, пора определить, сколько он весит. Большинство людей понятия не имеют об этом, и даже многие учёные, посвятившие жизнь изучению человеческого мозга, никогда не имели возможности прикоснуться к нему собственными руками. Мозг взрослого человека весит около 1,5 килограмма. Конечно, его вес и объём у каждого из нас отличаются, но разница совсем незначительная.
Человеческий мозг не самый большой в мире, эта честь принадлежит кашалоту: вес его мозга достигает восьми килограммов! Но у людей действительно самая большая кора головного мозга среди млекопитающих. Если развернуть все складки на поверхности мозга (они называются бороздами), кора будет размером с зонтик. У каждого человека рисунок мозговых бороздок уникален, даже у однояйцевых близнецов он различается.
Действуем как учёные
Когда в следующий раз будете дома готовить курицу, можете сравнить: ваш мозг по весу и размеру примерно такой же, как ощипанная курица. В Великобритании куры продаются в супермаркетах без перьев, голов, лап и внутренних органов, и вес тушки составляет около 1,5 килограмма.
Ходят слухи, что знаменитый физик Альберт Эйнштейн был таким умным, потому что его мозг был больше среднего. На самом деле всё как раз наоборот: его мозг весил всего 1,2 килограмма, что на 20 % меньше обычного. Уникальной чертой его мозга была плотность нервных клеток: их количество в единице объёма его мозга намного превышало этот показатель у остальных людей.
Хотя мозг составляет менее 2 % массы тела, ему требуется 20 % кровотока и кислорода, присутствующих в организме, чтобы обеспечить достаточно энергии для правильной работы!2 Если вы не получаете достаточно кислорода и сахара (в основном из пищи), первым делом отреагирует мозг, и через минуту-две вы почувствуете головокружение или вялость и можете даже упасть в обморок. Если кислород не поступает в течение 5–10 минут подряд, мозг будет повреждён, и это может привести к смерти.
Думаем как учёные
Почему человеческий мозг не находится внутри туловища? Разве так он не был бы лучше защищён от воздействия внешнего мира?
Резюме
• Мозг похож на кусочек тофу в форме грецкого ореха светло-розового цвета.
• Спинномозговая жидкость не только защищает мозг от повреждений в результате столкновений и вибраций, но и выводит отходы его деятельности.
• Люди умны не потому, что их мозг больше и тяжелее, а потому, что у них больше плотность нервных клеток.
Глава 2
Чем клетки мозга отличаются от других клеток нашего тела?
Нервные клетки
Во введении я писала, что мозг подобен центру управления, а клетки – сотрудникам этого центра.
Клетка (cell) – основная единица структуры и функционирования живых организмов. Её также называют строительным блоком жизни. Она похожа на небольшой мешочек, наполненный водой.
Клетки головного мозга можно разделить на две категории: нервные (или нейроны) и глиальные. В этом разделе мы поговорим о нервных клетках.
Мозг взрослого человека содержит около 86 миллиардов нервных клеток. Каждая из них связана примерно с 7000 других нервных клеток. Так формируется обширная и сложная нейронная сеть, из которой возникает наше сознание, включая эмоции, воспоминания и даже самосознание.
Каким образом учёные подсчитали количество клеток в человеческом мозге? В 2009 году нейробиолог Сузана Эркулано-Оузель (Suzana Herculano-Houzel) и её команда использовали технологию растворения клеточных мембран, чтобы создать «мозговой суп» из мозгов четырёх умерших человек, которые при жизни согласились стать донорами. Измерив количество нервных клеток в небольшой выборке и применив метод пропорционального увеличения, учёные пришли к выводу, что мозг взрослого человека в среднем содержит 86 миллиардов нервных клеток. На первый взгляд, 86 миллиардов кажется очень неточным числом, ведь до 100 не хватает всего 14 миллиардов. Но надо понимать, что 14 миллиардов нервных клеток – это мозг павиана или половина мозга нашего ближайшего родственника – гориллы. Достаточно большая разница.
Нервные клетки нашего мозга не похожи по форме, но в основном напоминают осьминога со множеством щупалец, которыми они соединяются между собой, образуя сеть. Так они передают информацию. Эти щупальца называются аксонами (axon), а концы аксонов – синапсами. Можно представить их в виде присосок на щупальцах.
Нервная клетка (nerve cell)
Нервная клетка также называется нейроном (neuron), и эти два названия взаимозаменяемы. В книге я чаще использую словосочетание «нервные клетки». Если в других книгах или журналах вы встретите слово «нейроны», смысл будет тот же.
Какой длины могут быть эти щупальца? Около метра. Двигательные нервы, которые проходят от большого пальца ноги до копчика, именно такого размера, они самые длинные клетки в организме. Для сравнения, наименьшие клетки нашего тела – эритроциты (red blood cell) в кровеносных сосудах, и их наиболее широкая часть составляет всего пять микрон. Каждый раз, когда я еду на машине, не могу не думать об эритроцитах. Представляю, что машина – эритроцит, а дороги – кровеносные сосуды. Дороги пересекаются, образуя сеть, которая переносит нас в разные места.
Действуем как учёные
Пять микрон – это сколько? Учебник физики говорит, что один микрон равен одной миллионной метра. Это всё равно, что ничего не сказать! Вы можете выдернуть у себя волос: его диаметр составляет около 50 микрон. На такой крохотной поверхности можно расположить рядом 10 эритроцитов, и ещё останется место.
Когда клетка нервной системы активируется (например, если вы случайно наступили на канцелярскую кнопку), её головка (тело клетки) генерирует электричество. Оно проходит по её щупальцам (аксонам), передавая сигнал следующей нервной клетке. Вот так от одной клетки к другой электрический сигнал поступает в мозг, сообщая: «Я наступил на канцелярскую кнопку! Мне больно!»
Можете представить этот процесс как систему курьерской доставки. Каждая нервная клетка подобна курьеру, постоянно доставляющему посылки в разные места. Посылка представляет собой электрический сигнал. Классифицируя их, мозг определяет, откуда приходит посылка (от глаз или ступни), на что похожа (какого размера, формы), а также сколько раз она получена за последнее время (иногда интервал между доставками может быть более 10 секунд, а порой и меньше секунды). Соответствующий отдел головного мозга сразу распознает, что это за информация.
Это может привести вас в замешательство. Как такое возможно? Получается, что множество сложных когнитивных функций, то есть то, что мы видим, думаем, знаем и чувствуем, обусловлено простыми электрическими сигналами?
Форма и строение нервных клеток
Это волшебство нашего мозга, и на этот вопрос пытаются ответить нейробиологи всего мира, а вместе с ними и многие физики, математики и IT-специалисты. Хотя мне не нравится сравнивать мозг с компьютером, это помогает понять его работу. Точно так же, как все функции компьютера (книга, которую вы сейчас читаете, каждое набранное мною слово, увлекательные и сложные компьютерные игры на вашем телефоне, архисложные программы запуска ракет) закодированы в виде единиц и нулей, все функции мозга строятся из таких же, казалось бы, простых электрических сигналов.
Резюме
• Клетки головного мозга можно разделить на две категории: нервные клетки и глиальные клетки.
• Нервные клетки похожи на осьминога со множеством щупалец.
• Наши сложные когнитивные функции создаются простыми электрическими сигналами.
Глава 3
Кто личный телохранитель мозга?
Глиальные клетки
Фактически в человеческом мозге нервные клетки составляют лишь 10 %, а остальные 90 % – глиальные клетки.
Как упоминалось ранее, у каждой нервной клетки есть хотя бы одно длинное щупальце (аксон). На каждое щупальце надета штанина, похожая на связку сосисок. Это миелин, вы можете увидеть его на схеме в главе 2.
Миелин можно представить в виде жевательной резинки, обёрнутой вокруг щупальца. Почему аксоны покрыты миелином? Чтобы понять это, нужно знать, каким образом нервные клетки передают электрические сигналы. По сути, они передаются посредством циркуляции положительных и отрицательных ионов внутри и снаружи аксона и проходят вдоль его внешней стенки. Но это медленный процесс, а пространство в мозге ограничено. Если несколько щупалец расположены очень близко друг к другу, не будут ли их токи взаимодействовать?
Миелин обёрнут вокруг аксона по трём причинам. Во-первых, будучи изолированным, ток может проходить внутри миелиновой оболочки только вперёд, что увеличивает скорость передачи. Во-вторых, благодаря этому соседние аксоны не влияют на работу друг друга. В-третьих, миелин защищает аксон. Пусть это выглядит довольно уродливо, зато мы получаем замечательный механизм. И вот тут нам следует сначала познакомиться с глиальными клетками, поскольку миелин – это их разновидность.
Глиальные клетки доставляют питательные вещества, поддерживают стабильность среды и обеспечивают изоляцию. Например, во время учёбы наша главная задача – слушать учителя, при этом работа школы зависит не только от педагогов, она также требует слаженных действий администраторов, медицинского персонала, работников столовой и других помощников. Можно представить, что глиальные клетки похожи на команду, молча обеспечивающую наше целенаправленное обучение.
Глиальные клетки (glial cells)
Глиальные клетки служат надёжными партнёрами нервных клеток. Их основная функция – помогать другим нервным клеткам и поддерживать их.
С точки зрения современной науки, глиальные клетки в центральной нервной системе играют роль няни для нервных клеток и выполняют различные вспомогательные задачи, включая обеспечение безопасного пространства, снабжение питательными веществами и поддержание стабильности нервных клеток в процессе жизнедеятельности. Более того, существует множество типов глиальных клеток, каждый из которых выполняет уникальные функции и выглядит по-своему.
Проще говоря, можно разделить глиальные клетки на две категории: одна называется макроглией, а другая – микроглией.
Макроглия (macroglia) подразделяется на множество категорий, и каждая выглядит совершенно индивидуально и выполняет разные функции. Например, упомянутая ранее миелиновая оболочка состоит из клеток Шванна, которые играют изолирующую роль. Ещё одна категория – астроциты. Αστρον по-гречески означает «звезда», а «цито» пишется по-гречески κύτος и означает «клетка», поэтому дословный перевод названия – «звёздная клетка». Они очень красивы, их расходящиеся аксоны подобны лучам звезды.
У астроцитов много функций, и они практически универсальны. Мы с вами познакомимся лишь с одной, такой как поддержание гематоэнцефалического барьера. Что это такое? Это барьер между кровеносными сосудами и мозгом. Нам нужна кровь во всём организме, потому что она доставляет кислород и питательные вещества к клеткам, а без кислорода клетки организма погибнут. Хотя нервным клеткам также необходим кислород и их потребность в нём самая большая, кровь очень токсична для нервных клеток и убивает их при контакте. И поэтому, несмотря на то что сеть кровеносных сосудов головного мозга очень густая и разветвлённая, они не вступают в прямой контакт с нервными клетками. Барьер между ними подобен очень мелкому ситу, пропускающему через себя только определённые вещества, такие как кислород, углекислый газ и сахар из крови. При этом большинство молекул лекарственных веществ или микробы не могут пройти через него из-за своих больших размеров. Астроциты также считаются самыми многочисленными глиальными клетками, которые заполняют промежутки между нервными клетками. Обычно расстояние между ними и другими нейронами составляет всего 20 нанометров, они очень плотно прижаты друг к другу.
Гематоэнцефалический барьер (blood-brain barrier)
Это барьер между кровеносными сосудами и мозгом, который предотвращает попадание многих веществ из крови в мозг.
Микроглия составляет лишь 20 % глиальных клеток, однако эти клетки играют роль защитного барьера для центральной нервной системы, то есть выполняют функцию охраны здоровья мозга. Задача – уничтожать патогены и удалять повреждённые нервные клетки из головного и спинного мозга. В главе о здоровье мы также поговорим об этом типе клеток, поскольку они связаны с двумя очень известными заболеваниями.
Думаем как учёные
В мозге человека 86 миллиардов нервных клеток, и это очень большое количество. Как же понять, насколько это много? Давайте проведём аналогию со Вселенной. Зайдите в интернет и проверьте, сколько звёзд включает Млечный Путь – галактика, в которой находится наша Земля.
Резюме
• Глиальные клетки образуют миелиновую оболочку, которая защищает электрический ток в нервных клетках от помех, создаваемых током в других нервных клетках.
• Важной функцией астроцитов является поддержание гематоэнцефалического барьера.
• Микроглия – иммунные клетки центральной нервной системы, оберегающие здоровье мозга.
Глава 4
На каком языке нервные клетки разговаривают друг с другом?
Химические и электрические синапсы
Представьте, что каждая нервная клетка – компьютер, а связь между этими клетками осуществляется посредством кабелей и Bluetooth. Как нейроны общаются друг с другом?
Говоря об этом, нужно заглянуть в историю науки. В начале XX века учёные обнаружили, что сигналы распространяются по нервным клеткам посредством электричества, поэтому было бы естественно полагать, что коммуникация нейронов происходит также с помощью электрических сигналов. Такое предположение, казалось, имело смысл, но затем исследователи пришли к выводу, что между нервными клетками существует разрыв, называемый синапсом (synapse), и эта теория стала несостоятельной, поскольку никто не смог объяснить, как электричество преодолевает такой разрыв.
Наконец немецкий учёный Отто Леви (Otto Loewi) и британский учёный Генри Дейл (Henry Dale) обнаружили, что некоторые синапсы не используют электричество, а передача сигналов происходит благодаря химическим веществам. Эти химические вещества назвали нейромедиаторами, а за их открытие в 1936 году исследователи получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Нервные клетки не бывают одиноки: каждая связана с другими нейронами, и эта связь представляет собой синапс. Синапсы очень важны для нас. Всякий раз, когда вы видите знакомое лицо, слышите голос или запоминаете новое слово, миллионы клеток вашего мозга одновременно взаимодействуют друг с другом через миллионы синапсов. Вы когда-нибудь задумывались, как мозг запоминает новую информацию, когда вы учитесь? Растут ли при этом новые нервные клетки? Ответ: нет, в процессе формирования новой памяти изменяются именно синапсы.
Нобелевская премия по физиологии и медицине (Nobel Prize in Physiology or Medicine)
Для учёных, изучающих биологию и медицину, это высшая награда, которую можно получить при жизни. Человек, учредивший эту премию, – Альфред Нобель (Alfred Nobel), шведский изобретатель и предприниматель, который разбогател благодаря созданию нитроглицеринового динамита, производству оружия и выплавке стали. Согласно его завещанию была учреждена Нобелевская премия, ежегодно присуждаемая учёным, которым принадлежат важные открытия или изобретения в различных областях. Однако, чтобы получить эту награду, нужно не только совершить прорыв в науке, меняющий мир, но и прожить достаточно долго, ведь Нобелевскую премию присуждают только при жизни.
Важно отметить, что не вся связь между нервными клетками осуществляется посредством нейромедиаторов.
Существует два типа синапсов. Один – описанный выше химический синапс, ширина которого варьируется от 20 до 40 нанометров. Информацию он передаёт посредством нейромедиаторов, и таких синапсов большинство. Другой тип – электрический, составляющий всего 2–4 нанометра в ширину, и он может непосредственно использовать электричество для передачи информации.
Оба типа синапсов имеют свои преимущества. Электрические, например, быстрее распространяют сигналы, поэтому они обычно используются для выполнения функций, требующих немедленного реагирования, как при рефлекторных реакциях. Например, если вы наступите на канцелярскую кнопку, нога быстро автоматически оторвётся от земли, чтобы защитить себя. Весь процесс передачи сигнала от стопы до спинного мозга и обратно проходит через электрические синапсы, а их количество не превышает пяти.
Выходит, что электрические синапсы – это очень круто! Почему же тогда весь мозг не использует их? Потому что у них есть один критический недостаток, а именно отсутствие усиления. Что это значит? Проходя через электрический синапс, нервный сигнал остаётся неизменным или слабеет. На своём пути сигнал проходит через огромное количество синапсов, и, если в процессе передачи его интенсивность ослабевает, результат оказывается плачевным. Представьте, что кусок торта нужно вручную передать через сотни человек, стоящих в ряд от кондитерской до вашего дома. Скорость передачи очень высока, но каждый должен откусить кусочек. Что останется от торта, когда он попадёт к вам?
Нейромедиатор (neurotransmitter)
Коммуникатор между нервными клетками.
Структура синапса
А вот химические синапсы более гибкие, они способны усиливать сигнал и устранять помехи, имеют много разновидностей и порой могут творить настоящие чудеса.
Эти чудеса связаны с нейромедиаторами, которые используют синапсы. Сегодня наука определила не менее 30 нейромедиаторов, наиболее известные из которых дофамин (dopamine), серотонин (serotonin), норадреналин (norepinephrine) и ацетилхолин (acetylcholine). О них мы будем подробнее говорить в разделе, посвящённом эмоциям.
Дофамин обеспечивает ощущение награды. Каждый раз, когда вы получаете неожиданное вознаграждение, мозг выделяет дофамин, и вы испытываете чувство удовлетворения. В следующий раз, когда вы прилагаете усилия, чтобы добиться результата, можно использовать дофамин в качестве топлива для ваших стараний. Функции серотонина более разнообразны. Он помогает расслабиться и почувствовать умиротворение. Норадреналин определяет общее эмоциональное состояние и позволяет сосредоточиться. Ацетилхолин играет важную роль в процессе запоминания новой информации.
Резюме
• Большинство нервных клеток общается друг с другом посредством нейромедиаторов.
• Электрическая синаптическая передача сигналов происходит быстро, но при этом может теряться интенсивность сигнала.
• В настоящее время учёными открыто не менее 30 нейромедиаторов, наиболее известные из которых – это дофамин, серотонин, норадреналин и ацетилхолин.
Глава 5
Головной мозг и большой мозг – это одно и то же?
Структура головного мозга
Если быть точным, головной мозг и большой мозг – это не одно и то же.
С самого начала книги и до сих пор я использовала слово «мозг», что на самом деле не совсем правильно. Головной мозг (brain) состоит из трёх частей: большого мозга (cerebrum), ствола мозга (brain stem) и мозжечка (cerebellum). С этого момента, говоря «мозг» или «головной мозг», я имею в виду сумму этих трёх частей, а большой мозг – это только часть, похожая на грецкий орех.
Ранее упоминалось, что живой мозг имеет розовый цвет, но если убрать из него жидкость, то он выглядит серым. Почему? Потому что у мозга есть слой «кожи», называемый корой, или кортексом (cortex), толщина которого составляет всего несколько миллиметров. Под корой находится белое вещество, которое соединяет серое вещество с другим.
Внешне мозг похож на грецкий орех со странными и сложными бороздками. Но, возможно, было бы правильнее сравнить мозг с планетой: его поверхность неровная, покрыта горами и долинами. Приподнятые вершины называются извилинами (gyrus, в переводе с латыни – «округлая форма»), а вогнутые долины – кортикальными бороздами (sulcus). Из двух самых отчётливых борозд большого мозга одна проходит по макушке и называется центральной бороздой, примерно разделяя мозг на переднюю и заднюю части; а вторая – по косой линии от ушей, это так называемая боковая борозда, условно разделяющая мозг на верхнюю и нижнюю части.
Для простоты исследования учёные разделили мозг на шесть областей, в зависимости от структуры и функций, их можно представить, как шесть континентов на планете. Каждая область называется долей (lobe): лобная, теменная, затылочная, височная, островковая и лимбическая.
Доля (lobe)
Шесть долей большого мозга: лобная, теменная, затылочная, височная, островковая и лимбическая.
Первые четыре доли находятся во внешних слоях мозга.
Лобная доля человеческого мозга – самая крупная, а у некоторых животных она практически отсутствует, что доказывает вероятность её тесной связи с эволюцией. Лобная доля сопряжена с характером. Многие сложные когнитивные функции, такие как внимание, принятие решений, эстетические переживания и прочие, реализуются в ней. Интересные вопросы, обсуждаемые в книге, также относятся к лобной доле, и позже вы сможете познакомиться с ней поближе. Она будет главным героем раздела, посвящённого обучению.
Теменная доля, расположенная в районе макушки, в основном отвечает за обработку тактильной информации, включая прикосновения и боль. Здесь также находится центр управления нашими языковыми способностями. Затылочная доля, находящаяся в задней части головы, – самая маленькая из первых четырёх долей большого мозга (лобной, теменной, затылочной и височной). Её задача – обработка зрительной информации, то есть наша способность видеть. Височные доли располагаются рядом с ушами и усваивают слуховую информацию. Эти три доли можно назвать основными каналами восприятия, и они станут главными героями раздела «Пять органов чувств».
Если раздвинуть мозг в стороны вдоль боковой борозды, внутри мы увидим ещё один слой коры головного мозга. Это будет островковая доля, которая ответственна за вкус, а также за упорядочивание опыта, получаемого от разных органов чувств. О вкусовых ощущениях, например о том, каким образом язык воспринимает вкус продуктов (глава 14) или почему диетическая кола кажется «неправильной» (глава 16), мы поговорим в разделе, посвящённом пяти органам чувств. Островковая доля также связана с эмоциями, особенно с эмпатией. О ней мы подробно расскажем в конце раздела, посвящённого эмоциям, когда будем искать ответ на вопрос «Почему мы различаем добро и зло?» (глава 30). Многие учёные считают, что островковая доля не самостоятельная, а тесно связана с височными долями.
Можем заглянуть ещё глубже. Сверху можно увидеть, как глубокая пропасть разделяет головной мозг на два полушария. Это продольная межполушарная щель. Если условно «разрезать» её вдоль, можно обнаружить скрытую лимбическую долю, которая получила своё название благодаря тому, что выглядит как пограничная часть головного мозга. Эта доля тесно связана с человеческими эмоциями. В отличие от четырёх долей, описанных выше, её границы относительно размыты, поэтому зачастую её рассматривают вместе с центральными участками теменной, затылочной и височной долей, а не отдельно. Учёные часто объединяют её с областями мозга, имеющими отношение к эмоциям, которые в совокупности называются лимбической системой. Она играет самую важную роль в проживании эмоций, и весь раздел о них напоминает подробную биографию лимбической системы.
Поскольку наш мозг разделён на два полушария, доли также представлены парами: слева и справа. Они обладают некоторой симметрией по форме и функциям, но не до конца одинаковы. В следующей главе мы подробно поговорим о левом и правом полушариях головного мозга.
На самом деле мозг – только часть нервной системы. Нервная система – это система связи и управления всем организмом. Она собирает сенсорную информацию (внешнюю – то, что мы видим, слышим, обоняем, чувствуем кожей и так далее, и внутреннюю – артериальное давление, уровень сахара в крови, изменения в организме), анализирует и систематизирует полученные данные в режиме реального времени, принимает решения, а затем использует двигательные нервные клетки для выполнения определённых действий (например, поспешное бегство).
Нервная система делится на центральную и периферическую. К центральной относятся головной мозг (включая большой мозг, мозжечок и ствол головного мозга) и спинной. Спинной мозг находится в позвоночнике, вдоль центра спины и простирается от затылка до ягодиц. Периферическая нервная система – это нервные ткани, расположенные в глазах, на кончике языка, а также управляющие мимикой, и многие другие. Проще говоря, центральная нервная система представляет собой центральное правительство, ответственное за анализ информации и принятие решений, тогда как периферическая нервная система – это местные органы управления, распределённые по разным участкам тела, которые собирают информацию и выполняют инструкции центрального правительства. Вся нервная система составляет лишь 3 % массы тела взрослого человека, но это, бесспорно, самая сложная структура человеческого организма, до сих пор наименее изученная.
Резюме
• Лобная, теменная, затылочная, височная, островковая и лимбическая доли представляют собой шесть континентов головного мозга.
• Нервная система, кроме головного мозга, включает в себя спинной мозг и нервную ткань, присутствующую во всём теле.
• Центральная нервная система подобна центральному правительству, которое анализирует поступающую информацию и принимает решения, а периферическая нервная система – местным органам управления.
Глава 6
Правда ли, что визуальные сигналы перевёрнуты слева направо?
Передача сигналов
Большой мозг занимает самую большую площадь по сравнению с другими частями мозга.
Если смотреть со стороны макушки, мозг симметричен и разделён на две части: левое и правое полушария. Я до сих пор помню своё замешательство, когда впервые узнала, что мозг выглядит подобным образом. Зачем нам нужно два мозга: левый и правый?
Учёные до сих пор не знают точного ответа на этот вопрос. Ясно одно: тела большинства животных симметричны. Например, у людей есть пара глаз, пара ушей, две ноздри, пара рук и пара ног. Две части мозга помогают управлять этими па́рами: каждая половина мозга контролирует одну сторону тела. Такая ситуация наблюдается у большинства позвоночных животных.
Но удивительно, что разделение функций происходит не так, как мы думаем. Разумно было бы предположить, что левое полушарие контролирует левую половину тела, а правое – правую. На самом деле всё наоборот. Почему управление телом исходит от противоположной стороны мозга? Почему люди так развиваются?
К сожалению, ответа пока нет. Всё оказывается ещё сложнее, потому что даже у человека не все части левой стороны тела подчинены правому полушарию мозга. Например, если запах улавливает левая ноздря, его анализ выполняет левое полушарие; а в случае со зрением поступающая визуальная информация действительно переворачивается слева направо, но не вся.
Обратите внимание: информация в этой книге может немного отличаться от того, что написано в пособиях по биологии или естественным наукам. В некоторых учебниках начальной и средней школы можно узнать, что у человека зрительные сигналы меняются местами слева направо: левый глаз посылает все сигналы в правое полушарие мозга, а правый – в левое. Пожалуйста, внимательно прочитайте учебник: утверждение «все сигналы» – неправильное. Можете обсудить этот вопрос с учителем во время урока, но если вы сдаёте экзамен, то учебник будет иметь преимущество. Помню, мой учитель химии однажды сказал: «Если вы сомневаетесь в правильности учебника, можете исправить его позже при наличии соответствующих возможностей». Я верю, что этот день настанет!
Думаем как учёные
Возможно, вам доводилось слышать нечто подобное: «левое полушарие отвечает за рациональное мышление, а правое – за эмоции» и «ты левополушарный или правополушарный человек?» Как считаете, это правильно? Хорошо обдумайте эти фразы на основе информации из данной книги. Если вам сложно дать определённый ответ, не волнуйтесь, вернитесь к этому вопросу, когда дочитаете до конца.
Опять же, раз левое полушарие управляет правой рукой, а я правша, будет ли моё правое полушарие отличаться от аналогичного у левши? Безусловно. Поскольку большинство людей – правши, основная часть научных знаний о мозге описывает правшей. Наиболее очевидное различие состоит в том, что двигательная кора головного мозга (motor cortex) левого полушария правши в основном отвечает за более аккуратные движения (например, письмо), в то время как у левши эти действия контролируются двигательной корой правого полушария. Отличия касаются не только разделения функций, но и размера области мозга. У правшей двигательная кора левого полушария больше, чем кора правого, а у левшей правая двигательная кора больше, чем левая.
Это касается не только двигательной коры, но также и базальных ганглиев и мозжечка, которые различаются в зависимости от того, правша человек или левша. В ноябре 2019 года, проанализировав мозги 700 человек, канадские нейробиологи обнаружили, что у правшей более крупные базальные ганглии и мозжечок в левом полушарии, а у левшей – в правом3. Это открытие закономерно, поскольку базальные ганглии отвечают за планирование двигательных действий (например, когда мы поднимаем руку и машем ею), а мозжечок – за точность движений. Правши, как правило, чаще используют правую руку. Задачи, требующие точности (например, письмо и чистка зубов), обычно выполняются правой рукой. За её работу отвечает левое полушарие мозга, и естественно, что оно больше тренируется, поэтому со временем соответствующие части мозга становятся крупнее.
Давайте попробуем разобраться, почему некоторые люди левши? Почему они составляют лишь около 10 % населения? Чисто математически это может выглядеть как точка равновесия между сотрудничеством и конкуренцией в популяции. Большинство правшей могут использовать одни и те же инструменты и применять одинаковые схемы боевой подготовки. Но, когда люди нападают друг на друга, левши оказываются более конкурентоспособными, потому что почти все соперники правши, и противники на тренировках тоже. Когда появляется левша, это неожиданно. Многие знаменитые бейсбольные подающие – левши, вероятно, по этой самой причине. Если бы наше общество было полностью конкурентоспособным, за последний миллион лет соотношение левшей и правшей должно было бы дойти до 1:1, но этого не произошло, потому что человечество также является сотрудничающей популяцией. В гольфе, где не требуется прямого противостояния, среди лучших игроков только 4 % левшей. И поэтому в мире сохраняется лишь небольшая, но стабильная доля левшей, что соответствует точке равновесия между двумя основными тенденциями – конкуренцией и сотрудничеством.
Резюме
• В большинстве случаев управление телом происходит с противоположной стороны мозга, то есть левое полушарие контролирует правую половину тела, а правое полушарие – левую.
• Обонятельные сигналы не подчиняются этому принципу.
• У правшей более крупные базальные ганглии и мозжечок расположены в левом полушарии мозга, а у левшей – в правом.
Глава 7
Велика ли польза от мозжечка?
Функции мозжечка
Приходилось ли вам слышать о мозжечке до прочтения этой книги? Если и да, то, вероятно, совсем немного. Мозжечок описан очень мало, во многом из-за небольшого размера – он составляет лишь 10 % от общего объёма мозга.
Несмотря на скромные параметры, его функции нельзя недооценивать: мозжечок отвечает за точное выполнение движений (например, когда мы протягиваем руку, чтобы взять бутылку с водой), поддержание равновесия и двигательное обучение (например, бег и удар при игре в футбол, размахивании теннисной ракеткой), даже механика нашей гортани, языка и губ при разговоре зависит от мозжечка.
Но важно отметить, что он не выдаёт инструкции. Это функция большого мозга. Мозжечок отвечает за выполнение команд от мозга, передавая мышцам информацию, а затем сообщает в центр управления: «Ваш приказ передан. Каков следующий шаг?»
Легко сказать, но сложно сделать, ведь мозг всего один, а мышц более 650! Этим обусловлены особенности мозжечка. Занимая лишь 10 % от общего объёма, он содержит почти половину всех нервных клеток мозга. Большинство клеток мозжечка, называемых гранулярными (granule cell), очень малы и чрезвычайно плотно расположены. Это самые маленькие нервные клетки в человеческом мозге, диаметр тела которых составляет всего 5–8 микрон. И вот эти крохи распространяют информацию от мозга по более чем 200 каналам. Мозжечок работает как распределительная станция, копируя и рассылая сообщения, которые получает от большого мозга, по более чем 200 адресам, расположенным в теле.
Приведу более конкретный пример.
У ворот школы вы подняли голову и увидели стоящего перед вами классного руководителя. Он тоже заметил вас, и ваши взгляды встретились (в этот момент вы уже не можете притвориться, что не видите его, и быстро убежать). В один миг ваш мозг (в основном префронтальная кора) производит множество расчётов и наконец решает поздороваться. Одновременно он планирует, как это сделать: энергично сказать «Здравствуйте, учитель!» и помахать рукой. Центр Брока левого полушария помогает сформировать правильную речь и произнести «Здравствуйте, учитель!» вместо «звавстуте, ушише» и передаёт эту информацию в мозжечок. Затем в мозжечке сигнал поступает множеству гранулярных клеток, которые, в свою очередь, превращают полученную инструкцию в более конкретные задачи. Например, какими мышцами губ следует двигать, как изгибать язык и контролировать прикус рта, чтобы и язык не прикусить, и не мямлить. И обязательно помахать рукой…
Возможно, прочитав это, вы пока не осознаёте, насколько важен мозжечок. Особенно если вы, как и я, не очень много двигаетесь, мечтаете стать учёным и проводить бо́льшую часть времени за компьютером, читая и печатая в гордом одиночестве, ни с кем не разговаривая, так что даже еда навынос будет сама появляться перед вами на столе… Зачем людям вроде меня нужен мозжечок?
Думаем как учёные
Можем ли мы выжить без мозжечка? Это возможно, но жизнь станет крайне неудобной, и речевые навыки будут утрачены. Очень интересно, что люди, рождённые без этой части мозга, могут нормально жить. По состоянию на конец 2019 года в мире выявлено девять человек с недостаточным развитием мозжечка, большинство из которых умеют говорить, но их речь и движения несколько отличаются от нормы, и они довольно медлительны. Почему так происходит?
Если вы по-прежнему сомневаетесь, значит, не уяснили, насколько сложно спланировать и плавно выполнить простое движение. Нужно одновременно контролировать десятки или даже сотни мышц, на каждую из которых у вас есть менее половины секунды. Движение, совершаемое каждой мышцей, должно быть абсолютно точным, а время его выполнения – правильным. И вот сейчас, когда я сижу перед компьютером и печатаю, именно мозжечок помогает мне делать это быстро и не глядя на клавиатуру.
Без мозжечка, который чётко контролирует наше тело, давая мозгу возможность выполнять желаемое, люди не смогли бы совершать даже самые важные действия – добывать огонь, избегать опасностей и охотиться. А теперь мы достигли того, что одним пальцем печатаем и отправляем сообщения в мессенджерах.
Резюме
• Мозжечок занимает всего 10 % от общего объёма мозга, но содержит половину всех его нервных клеток.
• Он очень точно управляет всеми движениями тела, включая интонацию нашей речи.
Пять органов чувств
Зрение, слух, обоняние, вкус и осязание погружают нас в красочный мир. Добро пожаловать на первый уровень центра управления большого мозга.
Глава 8
Почему глаза – зеркало души?
Зрачок под увеличительным стеклом
Мы часто говорим: глаза – зеркало души.
С научной точки зрения это действительно так! Вы можете достать зеркало и внимательно рассмотреть свои глаза. Чёрный кружок посередине – зрачок, окружающая его часть – радужная оболочка, а крайняя белая область – склера. Из них только радужная оболочка у людей может быть разного цвета в зависимости от расы. Радужка у китайцев и большинства азиатов обычно коричневая, тёмная или светлая. Цвет остальных двух частей глаза остаётся неизменным независимо от расы: склера обычно белая, а зрачок чёрный.
Две мышцы, расположенные в радужке, контролируют размер зрачка. При активации мышцы, расширяющей зрачок, он увеличивается, позволяя большему количеству света проникать в глазное яблоко, тогда как активация мышцы, сокращающей зрачок, приводит к его сжатию, и в глазное яблоко попадает меньше света. Этот принцип работы немного похож на действие диафрагмы фотоаппарата: чем она шире открыта, тем больше проникает света и тем ярче изображение.
Зрачки могут менять размер – визуально становиться шире или у́же, словно жалюзи, которые сдвигаются и раздвигаются. Посмотрите подольше на свои зрачки в зеркало, и вы это заметите. Если изменить освещение (например, яркость подсветки зеркала), перемены станут более заметными. Чем зрачок шире, тем больше света в него проникает. Таким образом, путём изменения размера зрачка регулируется интенсивность света, попадающего в глаз. Это так называемый зрачковый рефлекс на свет.
Строение глаза
Зрачковый рефлекс на свет (pupillary light reflex)
Зрачки человека автоматически меняют размер при изменении интенсивности света.
Под воздействием яркого света зрачок становится очень маленьким, около 1,5 миллиметра в диаметре, а в темноте может расширяться примерно до восьми миллиметров (в детском возрасте даже больше). Эти два показателя считаются усреднёнными значениями, полученными при исследовании людей в возрасте около 25 лет. После рождения зрачки постепенно увеличиваются, затем начинают уменьшаться в подростковом периоде, практически не меняются во взрослом возрасте и наконец значительно сжимаются к старости. В возрасте 65 лет средний человеческий зрачок имеет диаметр всего пять миллиметров и слабо расширяется даже в темноте.
Действуем как учёные
У большинства животных есть зрачковый рефлекс на свет. Самыми выдающимися в этом смысле считаются кошки: если у вас есть такой питомец, можете сначала вывести его на солнечный балкон, а затем поместить в тёмный угол и посмотреть, что произойдёт с его глазами. Если у вас нет котов, в интернете можно найти видеоролики о том, как меняются у них зрачки. Но следует отметить, что не у всех животных есть зрачковый рефлекс на свет, например, его нет у некоторых рыб. Скорее всего, это связано с тем, что они обитают на морском дне, где вообще нет солнечного света.
Изменение размера зрачка также может объяснить феномен красных глаз на фотографии при использовании вспышки. Он происходит потому, что в момент вспышки зрачок не успевает вовремя сузиться, яркий свет проходит через зрачок и освещает сетчатку на дне глаза. На сетчатке имеется большое количество кровеносных сосудов, это и становится причиной красных глаз. В настоящее время, чтобы такого не было, используют двойную вспышку: в первый раз зрачок сужается, а снимок выполняется при второй вспышке.
Принцип отражения света зрачком очень прост и хорошо изучен: уже давно применяются математические модели для построения бионической реакции зрачка на отражение света. Но, что удивительно, размер зрачков может рассказать нам гораздо больше, чем степень освещённости окружающей среды. Он, например, способен поведать о предпочтениях и эмоциях людей.
Ещё в 1960 году Экхард Гесс (Eckhard Hess) и Джеймс Полт (James Polt) обнаружили, что зрачки людей внезапно расширяются, когда они видят что-то волнующее. Причём неважно, нравится оно или нет. Если какое-то явление вызывает у вас яркие эмоции, сильную ненависть или любовь, ваши зрачки автоматически становятся больше.
Кроме того, эти учёные заметили, что, когда люди прилагают значительные умственные усилия, их зрачки также расширяются. Можно наблюдать это явление самостоятельно. Возьмите зеркало или попросите друга помочь вам: сначала умножьте в уме 15 на 5, запомните примерный размер зрачков, затем мысленно умножьте 234 на 25. Если для вас существует разница в усилиях при выполнении этих вычислений в уме, вы заметите, как изменится зрачок. Теоретически на сложные умственные операции требуется максимум усилий, и когнитивная нагрузка, связанная с вычислениями, также будет выше, соответственно, более заметно увеличатся зрачки.
На протяжении последних 50 лет исследователи постоянно наблюдали это явление, но так и не поняли, почему мозг и зрачки таким образом взаимозависимы. Лишь в последние годы обнаружили, что существует корреляция между размером зрачков и уровнем норадреналина в мозге! Чем больше норадреналина, тем шире зрачки. Норадреналин, о котором мы упоминали в главе 4 раздела «Основы», является нейромедиатором, осуществляющим связь между нервными клетками головного мозга. Считается, что он влияет на возбуждение. Чем больше норадреналина в мозге, тем сильнее человек возбуждён, а при его отсутствии ощущается упадок сил или сильная усталость. Когда мы спим, зрачки, как правило, крохотные. В наши дни эта взаимосвязь между зрачками и утомляемостью предусмотрена в оборудовании для автопилотирования самолётов: когда размер зрачков пилота составит менее 75 % от обычного, устройство напомнит ему о необходимости отдохнуть.
Думаем как учёные
Глазное яблоко кита достигает 20 сантиметров в диаметре, примерно как футбольный мяч, и это не самое крупное глазное яблоко в мире. Давайте подумаем, какая польза от больших глаз? Поищите в интернете, у какого животного самое большое глазное яблоко в мире? Насколько велики его глаза?
Резюме
• Когда человек видит что-то волнующее, его зрачки сразу расширяются.
• При усердной умственной работе зрачки будут больше, чем обычно.
• Устройство автопилотирования может определять степень усталости пилота по размеру его зрачков.
Глава 9
Почему мир разноцветный?
Зрение
В 1670 году британский физик Исаак Ньютон обнаружил, что белый свет на самом деле не однородный, а состоит из нескольких цветов: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового. Теперь мы знаем, что, когда на объект падает белый естественный свет, часть его поглощается в соответствии с характеристиками самого объекта, а остальная часть отражается, образуя таким образом цвет. Отражённый свет попадает в зрачок человека, а затем на сетчатку.
Сетчатка состоит из плотно упакованного слоя светочувствительных клеток, которые преобразуют физический свет в язык, используемый мозгом, – нервные сигналы. У людей есть два основных типа светочувствительных клеток: одни называются колбочками и позволяют нам воспринимать свет разного цвета (световые волны разной длины); другие – палочками, они особо чувствительны к интенсивности света, а также к движению объектов, отражающих свет. Для сравнения: глаза бабочки имеют не менее шести типов светочувствительных клеток. А у зелёного махаона их целых 15.
Мы можем видеть цвета благодаря колбочкам, типы которых активируются разными цветами. У людей три типа колбочек: одни чувствительны к красному цвету, другие – к зелёному, а третьи – к синему. Поскольку колбочек всего три вида, человеческое зрение называется трихроматическим. Это не означает, что мы можем видеть только указанные цвета, на самом деле мы способны воспринять и все оттенки, получаемые в результате их смешивания.
Хотя у многих животных глаза похожи на наши, они видят мир иначе, чем мы. Самое известное отличие наблюдается у собак. Многие владельцы этих животных, возможно, слышали, что их питомцы дальтоники. Это правда, у собак дихроматическое зрение: отсутствуют колбочки, чувствительные к красному, и вместо него они видят оттенки синего и зелёного.
У человека дальтонизм бывает нескольких типов: протанопия – неспособность различать красный цвет, которая сопровождается снижением чувствительности к зелёному; дейтеранопия – неспособность различать зелёный, это наиболее распространённый вид дальтонизма. Большинство людей с дейтеранопией не осознают, что они дальтоники, потому что могут различать красный и светло-зелёный, но тона кажутся им блёклыми. Тританопия – неспособность различать синий и жёлтый цвета.
В следующий раз во время игры с собакой бросьте ей красный мяч в зелёную траву. Вы обнаружите, что его поиск займёт много времени. Затем попробуйте бросить синий.
Это может показаться немного грустным, но мир глазами собак не так красочен, как тот, который видим мы. Но у собачьего зрения есть свои преимущества. У них больше палочек, что позволяет им лучше видеть в темноте. Неудивительно, что люди зачастую держат собак для охраны. Благодаря большому количеству палочек собака активнее реагирует на движущиеся предметы, поэтому она так резво кидается за брошенным мячом.
До сих пор мы говорили только о глазах, но они лишь малая часть зрительной системы: без мозга видеть невозможно.
Весь процесс от получения луча (например, красного цвета) до его осознания («я вижу красный цветок») называется видением.
В зрительной системе за обработку зрительных сигналов отвечает зрительная кора, расположенная в затылочной доле. (Забыли, что такое затылочная доля? Вернитесь к главе 5).
Мне нравится сравнивать визуальный процесс с работой курьерской компании.
Информация, содержащаяся в свете, подобна посылкам, приходящим со всех сторон. Они проникают в глазное яблоко из разных мест внешнего мира, проходят через хрусталик и попадают на сетчатку глаза. Колбочки в сетчатке отвечают за сортировку пакетов, распределение их по категориям (разные длины волн света), а затем отправку в зрительный нерв, ведущий в мозг.
После этого небольшая часть пакета направляется к верхнему холмику (superior colliculus) ствола головного мозга. Верхний холмик тесно связан с контролем движений глаз, а также с некоторыми рефлекторными реакциями. Остальные 90 % посылок отправятся по другому маршруту, пройдя через ткань мозга, похожую на перекрёсток и называемую зрительной хиазмой, и достигнут станции ретрансляции зрительного сигнала – латерального коленчатого тела (lateral geniculate body). Оно классифицирует и рассылает полученные зрительные сигналы дальше, в главный центр распределения компании курьерской доставки, то есть в зрительную кору головного мозга.
Это большой распределительный центр, расположенный в затылке и разделённый на множество слоёв, каждый из которых отвечает за обработку содержимого различных посылок.
Рефлекторное поведение (reflection behavior)
Обычно это подсознательное и непроизвольное поведение. Например, при ярком свете люди подсознательно поднимают руку или отворачиваются, чтобы защитить глаза.
Первый слой называется первичной зрительной корой. Здесь посылка открывается, то есть визуальный сигнал проходит через первичный последовательный анализ слой за слоем в отношении цвета, формы, яркости и так далее, выполняется базовая идентификация полученного сигнала. Это создаёт в вашем мозге изображение того, что вы видите, подобно камере.
Но для мозга одной картинки недостаточно. Ему также необходимо знать, что есть что. Например, какие цветовые блоки выступают объектами, а какие фоном; какие области изменены и каким должен быть их исходный цвет; если часть формы отсутствует, действительно ли она отсутствует или её заслоняют другие объекты?
И это ещё не предел! Классифицированные и обобщённые визуальные сигналы необходимо отправить в другие области мозга для выполнения более сложных функций. К повседневным задачам зрительной системы относятся чтение и распознавание лиц, за которые также отвечают специализированные зоны мозга.
Думаем как учёные
Хотя мы легко видим окружающий мир, если задуматься, зрительное восприятие – очень сложный процесс. Однако какой смысл в том, чтобы видеть цвета?
Резюме
• Колбочки помогают нам различать цвета.
• Палочки дают возможность видеть в темноте.
• Зрительная кора в задней части головы является основной областью мозга, обрабатывающей зрительные сигналы.
Глава 10
Как ухо распознаёт звуковые волны?
Слух
Слух – удивительная сенсорная функция, которую легко недооценить.
По сравнению с другими четырьмя широко используемыми сенсорными функциями – зрением, вкусом, обонянием и осязанием, слух считается самой молодой. Это скорее способность видеть и удалённо касаться предмета, не открывая глаз. Что это значит? Уши распознают волновые колебания.
Но зачем нам распознавать волновые колебания? Дело в том, что любой объект при движении генерирует волны. Когда рыба в воде трясёт хвостовым плавником, она создаёт волны; когда леопард бежит по земле, он создаёт волны; даже если орёл не машет крыльями, а просто парит, он будет возмущать воздух и создавать волны. Такие волны, генерируемые в воздухе или других средах, называются звуковыми. Мы можем обнаружить опасность, ощущая звуковые волны, даже когда темно и мы спим.
Подобно взаимосвязи между зрением и глазами, слух начинается с ушей. Человеческое ухо состоит из трёх частей: наружное ухо, среднее и внутреннее.
Наружное ухо включает в себя ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина – воронкообразная часть тела рядом со щекой. Возможно, вы заметили, что уши у всех людей разные, поэтому и звуки, которые мы слышим, немного различаются. Когда мы говорим «большие уши», на самом деле имеем в виду, что у человека крупные ушные раковины. Хоть это и не абсолютная истина, но наружные органы слуха есть только у млекопитающих. У слонов, обезьян и кроликов уши очень заметны. У земноводных, птиц и рептилий нет внешних ушей. Конечно, есть исключения: киты – млекопитающие, но их уши расположены за глазами и практически незаметны. Функция уха – собирать звуковые волны, позволяя нам слышать даже очень слабые звуки.
Здесь нам придётся остановиться и поговорить немного о физике. Звуки делятся на сильные и слабые, а также на высокие и низкие. Что это значит?
Передача звуковых волн
Как уже говорилось, вибрация объекта вызывает колебания, образующие звуковые волны, которые воспринимаются органами слуха человека или животного. Это и есть звук.
Амплитуда колебаний объекта определяет силу производимого звука. Мы используем слова «громкость» для описания силы звука и «децибелы» (дБ) для количественной оценки громкости. Скорость, с которой колеблется объект, определяет высоту производимого звука. Мы используем слова «частота» для описания интенсивности вибрации и «герц» (Гц) для количественной оценки частоты.
Если вам не преподавали акустику на уроках физики, эти два понятия могут оказаться немного трудными для понимания. А если вы её изучали, то сможете провести маленький эксперимент как учёный.
Действуем как учёные
Возьмите длинную пластиковую или стальную линейку, поместите её на край стола, удерживайте один конец таким образом, чтобы другой конец выступал за край, и слегка ударьте второй рукой по свободному концу. Когда линейка колеблется, она создаёт вибрации и рассекает воздух, формируя звуковые волны. Если вы выдвинете линейку сильнее, то увидите, что амплитуда её колебаний увеличится, что сделает звучание громче. Чем короче выступающий край, тем быстрее скорость вибраций при ударе и тем выше звук.
Вовсе не обязательно, что крупная ушная раковина соберёт больше звуковых волн, чем маленькая. Гораздо важнее форма, и если уши вертикальные и треугольные, как у лисиц, кошек и волков, они действительно могут улавливать больше звуков.
Когда звук собирается в ушной раковине, он попадает в среднее ухо, которое представляет собой длинную трубку – слуховой проход, похожий на полуприкрытый коридор, соединённый с тонким слоем кожи – барабанной перепонкой. Звук движется через слуховой проход, ударяется о барабанную перепонку, отражается от неё, а также заставляет её колебаться вперёд и назад. Так что будьте осторожны при извлечении ушной серы. Не прилагайте слишком много усилий и не лезьте глубоко. Проколоть барабанную перепонку – это ужасно. Не используйте ватные палочки для чистки слухового прохода: они проталкивают ушную серу к барабанной перепонке и блокируют её.
Ранее мы упоминали, что у змей нет наружных ушей, так как же они слышат звуки? Змеи на самом деле произошли от ящериц. Из-за различных условий окружающей среды им приходится довольно долго плавать или перемещаться по песку и траве. В ходе естественного отбора тела змей становились всё длиннее и длиннее, а также всё более обтекаемыми, даже ноги исчезли. Для защиты тела змеи покрыты чешуёй. У ящериц нет наружных ушей, но есть барабанные перепонки. Поскольку они очень хрупкие, то могут легко повреждаться при механическом воздействии на внешнюю часть тела змеи, поэтому в процессе эволюции змеям пришлось отказаться от барабанных перепонок и научиться напрямую воспринимать вибрации костями живота и челюстей при контакте с землёй, передавая вибрации в ушную раковину. Это называется костной передачей. Нечто похожее наблюдалось бы, если бы вы прижали ухо к стене и слушали соседа: хотя звуки будут нечёткими, вы всё равно его услышите.
О том, что происходит, когда звук достигает барабанной перепонки, вы узнаете в следующей главе.
Резюме
• Слуховое восприятие формируется за счёт распознавания ухом звуковых волн.
• Звук проходит через наружное, среднее и внутреннее ухо.
• Не следует использовать ватные палочки для чистки слухового прохода.
Bepul matn qismi tugad.
