Именно на химическом уровне нам гораздо легче влиять на работу и состояние нервной системы. Если мы знаем, какие вещества выделяются в синапсах (а наука это уже неплохо знает), мы можем вводить молекулы, похожие на них, или, например, мешающие им работать. Этим мы серьезно воздействуем на функции мозга: изменяем баланс между возбуждением и торможением, влияем на память, эмоции. Подавляющее большинство веществ, которые воздействуют на мозг: лекарства, яды или наркотические препараты, похожи на химические соединения, выделяющиеся в синапсах. Соединения эти называются медиаторами, и они являются посредниками между клетками. Синапсы очень важны для работы мозга!
На рис. 1.1 справа крупно изображен синапс. Внутри окончания аксона находятся синаптические пузырьки мембранные пузырьки, которые содержат медиатор. Логика работы синапса следующая: сначала по мембране нервной клетки пробегает электрический импульс, он называется потенциал действия; этот импульс запускает движение пузырьков с медиатором в сторону следующей клетки. Дальше пузырьки доходят до окончания аксонов, лопаются, медиатор попадает в узкую щель между аксоном и ближайшей клеткой (она называется синаптическая щель) и влияет на следующую клетку. Это влияние означает, что на мембране следующей клетки сидят особые белки, они выполняют функцию кнопок, а медиатор это палец, который нажимает на эти кнопки. После того как медиатор нажал на эти белковые кнопки, следующая клетка может возбудиться, и тогда на ней возникнет импульс и побежит дальше. Это означает, что некий кусочек информации будет передаваться дальше.
Бывают и обратные ситуации, когда нажатие на «кнопку» тормозит следующую клетку, и такая клетка на некоторое время перестает передавать сигналы. Это тоже важно.
В нервной системе человека все время сосуществуют и конкурируют два принципа, все время решаются две задачи. Одна задача это передавать информацию, а вторая не передавать лишнюю информацию.
То и другое очень важно, поэтому соответственно есть механизмы передачи импульса на следующие клетки и есть механизмы блокады такой передачи. Медиаторы, выделяющиеся в конкретных синапсах, по своим эффектам делятся на две большие группы: возбуждающие и тормозные.
Возбуждающие те, которые заставляют следующую клетку работать, генерировать импульсы, а тормозные те, которые мешают следующей клетке проводить, как правило, ненужную информацию.
Важнейшие медиаторы глутаминовая кислота и гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).
Глутаминовая кислота, или глутамат, одновременно известна как вкусовая добавка. Тот самый глутамат, который улучшает вкус, в мозге работает как важнейший медиатор. Глутаминовую кислоту в качестве медиатора используют не менее 4050 % нервных клеток. За счет выделения этого вещества передаются сенсорные сигналы, работает память, центры мышления и принятия решений. Двигательные программы, пока они не дошли до мышц, также зависят от выделения глутамата.
ГАМК гамма-аминомасляную кислоту в качестве медиаторов, судя по всему, использует не менее трети нейронов. Это вещество мешает проводить лишние сигналы и сдерживает шум в нервной системе, блокируя ненужные информационные потоки, мешающие обработке информации. Эта задача не менее важная, чем проведение сигналов. Наш мозг хорошо работает не тогда, когда много нейронов возбуждено, а когда возбуждены правильные нейроны и их в идеале небольшое количество.
Есть популярный вопрос, его очень любят задавать: «В мозге в каждый момент времени активно функционирует всего 10 % нейронов. Как сделать так, чтобы больше работало?» Многие считают, что чем больше, тем лучше. Они ошибаются. На самом деле если импульсы начнут генерировать слишком много нервных клеток, то возникнет перевозбуждение или даже вовсе эпилептический припадок.
Хорошо работающий мозг это не мозг, который активировал все клетки, а мозг, который активировал правильные клетки. Тормозить шумящие нейроны очень важная задача, и ГАМК эту задачу решает.
Мы сейчас кратко познакомились с двумя главными игроками: с возбуждением и торможением. В дальнейшем о них не будет часто упоминаться, нас больше будут интересовать медиаторы второго уровня медиаторы, которые отвечают за эмоции, мотивации и потребности. Эти медиаторы прежде всего генерируют позитивные эмоциональные переживания в те моменты, когда человеку удается с точки зрения нашей биологии совершить что-то хорошее.
Например, вы поели, или узнали что-то новое, или благополучно убежали от опасности вот в эти моменты при возникновении эмоциональных переживаний в нашем мозге выделяются другие, не менее важные медиаторы. Главные из них дофамин, норадреналин и эндорфины. На самом деле список этих медиаторов гораздо больше. Медиаторов, связанных с удовлетворением потребностей и положительными эмоциями, около десятка, и мы постепенно будем с ними знакомиться.
Иногда нейрон сравнивают с чипом компьютера, причем весьма сложным, потому что на нервной клетке в среднем сходится около 30005000 синапсов. Каждый нейрон одновременно получает информацию по нескольким тысячам каналов. Причем часть этих каналов возбуждающие, часть тормозные, и нейрон принимает решение о том, проводить сигнал дальше или не проводить. Все это складывается в весьма сложную картину. Отдельные чипы-нейроны собираются в вычислительные центры, занимающиеся дыханием, реакцией на звук, кратковременной памятью.
В таком случае мозг можно сравнить с огромным компьютерным центром, в котором тысячи отдельных вычислительных устройств сложным образом взаимодействуют друг с другом.
Сколько вообще в нашем мозге нейронов? Обычно дают цифру: 90100 млрд. Цифра впечатляющая попробуйте этот самый миллиард представить. Это гораздо больше, чем жителей на планете Земля. Каждый нейрон связан в среднем с 30005000 других нейронов. Представьте себе 100 млрд абонентов сети, каждый из которых одновременно общается с 5000 других абонентов.
Получается, что сложность информационных потоков в нашей голове сравнима, наверное, со всем интернетом. Эти процессы еще предстоит серьезно изучать. Наука, вся наша современная техника только начали разбираться в мозге, в нейросетях. Какие-то глобальные изменения в мозге мы видим хорошо, а над пониманием тонкостей передачи информации в нейросетях еще предстоит усердно поработать.
При этом клетки мозга очень маленькие, наиболее частый размер тела нейрона 0,030,05 мм. Общеизвестно, что средний вес мозга человека 1300 граммов. У мужчин, примерно на 100 граммов тяжелее, у женщин легче. Когда это впервые выяснили, мужская часть населения ужасно загордилась. Но потом в процессе изучения обнаружилось, что не все так просто. Дело в том, что помимо нейронов в нервной ткани содержатся еще и так называемые глиальные клетки. Это особые вспомогательные клетки, которые расположены вокруг нейронов. Они защищают нейроны от ударов, следят за химическим составом межклеточной среды, обеспечивают электрическую изоляцию и еще много чего. Оказалось, в том, что мужской мозг больше весит, «виноваты» в основном глиальные клетки. Нейронов у мужчин и женщин примерно одинаково 8590 млрд (хотя существует еще и связь между массой мозга и общей массой тела), и эта цифра гораздо стабильнее, чем общий вес нервной системы. Однако мужской мозг лучше «упакован», лучше защищен от ударов по голове. Это логично, мужчины, очевидно, вели более суровый образ жизни, когда охотились за мамонтами или доказывали один другому, что именно он вожак племени Женский мозг в этом смысле более «нежный, трепетный», он не рассчитан на грубое обращение.
Львиная доля тел наших нейронов находится в головном и спинном мозге, но, кроме того, у нас по организму раскидано более сотни маленьких мозгов, которые называются ганглии. Там тоже есть нейроны, часть из которых отвечает за разнообразную чувствительность (за сенсорные сигналы), а часть работает с внутренними органами. Ганглии, конечно, подчиняются головному и спинному мозгу. Из ганглиев, из головного и спинного мозга выходят нервные отростки аксоны и дендриты, они собираются в нервы, которые работают с нашими мышцами и органами. В нервах часто сосуществуют встречные информационные потоки, часть из которых от органов чувств идет в мозг, а часть направляется к эффекторным системам к мышцам и внутренним органам.
Уточним, что когда аксон направляется к следующей клетке, то этой клеткой может быть нейрон, а может быть мышечная клетка, может быть клетка сердца или кишечника. То есть синапсы бывают не только внутри мозга, но и, например, между нейроном и мышцей, между нейроном и внутренним органом.
С точки зрения цитологов ученых, которые занимаются внутренним строением клетки, нейрон, в общем, вполне стандартная клетка. Внешне он, конечно, необычно выглядит из-за многочисленных отростков, а внутри такие же, как и в других клетках, структуры: ядро, митохондрии, рибосомы. И обмен веществ в нейронах вполне стандартный. Но важно знать, что нейроны потребляют много энергии. По количеству потребляемой энергии мозг, его нейроны занимают первое место, ему нужно больше всего глюкозы и кислорода на 1 грамм веса. Поэтому, если что-то случается с глюкозой или кислородом, именно мозг первым повреждается. Второе место по потреблению энергии занимают почки, третье сердце, но мозг все равно лидер по интенсивности обмена веществ.
Нервные клетки поодиночке, конечно, не работают. Для того чтобы даже самые простые функции организовать, они должны собираться в цепи и сети (взаимно пересекающиеся и порой «зацикленные» совокупности нейронных цепей).
Нейронные сети
Изображенная в нижней части рис. 1.1 нейронная сеть состоит всего из пяти нервных клеток, и если вспомнить, что дендриты принимают информацию, а аксоны передают, то становится ясно, в какую сторону по этой сети идут сигналы. Они идут от нейрона 1, он на входе, дальше к нейронам 2 и 3, а от них уже к нейронам 4 и 5, которые в итоге передают возбуждение на мышцы (6) и на внутренние органы (7).
Нейроны, которые изображены на схеме, относятся к четырем функциональным группам. Те, которые находятся на входе в нейросеть, как правило, связаны с органами чувств, их называют сенсорные. Они ощущают прикосновения или, например, улавливают запах.
Нейроны, которые расположены на выходе, это мотонейроны (двигательные нейроны) и вегетативные нейроны. Первые из них запускают сокращение мышц, и любое наше мышечное сокращение начинается с импульса, возникшего в мотонейронах. Вегетативные нейроны работают с внутренними органами, такими как сердце, сосуды, кишечник, бронхи. Важная разница между мотонейронами и вегетативными нейронами состоит в том, что мотонейронами мы умеем управлять произвольно, а вегетативными, как правило, нет. Эволюция не дала сознанию вход в эту часть нейросети.
Если вспомнить аналогию мозга и компьютерного центра, то получается, что наше сознание это пользователь, который постоянно имеет дело с тысячами компьютеров. Некоторыми из них он может управлять; другие просто видит и может понять, что они работают, а пароля у него нет. Например, сердце может биться чаще или реже. Волевым усилием, без долголетней йоговской тренировки, человек не может этим управлять. Каждый, наверное, знает, что почувствовать сердцебиение можно, а изменить крайне непросто. Наконец, в нашем «компьютерном центре» есть такие вычислительные устройства, которые явно что-то делают, но сознание вообще не в курсе специфики их активности. Это относится, например, к выделению гормонов. Данной функцией занимается та часть головного мозга, которая называется гипоталамус. Но наше сознание (центры коры больших полушарий) совершенно не отслеживает этот процесс. Возьмем гормон роста. Он выделяется под контролем гипоталамуса, но волевым усилием еще ни одному йогу не удалось вырасти хотя бы на 10 сантиметров. Существование закрытых от сознания «компьютеров» связано с тем, что соответствующие блоки мозга отвечают за нечто столь важное, что сознанию туда нельзя влезать, иначе можно наломать дров. Наш сознательный контроль умеет отслеживать только часть нервных процессов. Мы можем контролировать прежде всего движения, мысли, отчасти эмоции, но в вегетативную сферу сознанию вход затруднен.
Вернемся к схеме нейросети. Нейроны 2 и 3 промежуточные нервные клетки (интернейроны), и они в этом ансамбле главные. От них зависит, пойдет ли сигнал «на выход» и вызовет ли, скажем, прикосновение, какую-нибудь реакцию. Именно интернейроны принимают решение о запуске реакций, они же отвечают за такое свойство, как память. В мозге больше всего именно этих клеток, которые связывают вход и выход. В сложном мозге типа человеческого 95 % промежуточных клеток, а на входе и выходе, соответственно, не более 5 % нейронов.
Промежуточные клетки способны обмениваться между собой информацией: на нашей схеме отросток аксона, принадлежащий клетке 2, идет к клетке 3. Следовательно, даже сеть, состоящая всего из пяти нейронов, способна к весьма разнообразным операциям. А если это не 5 нейронов, а 500 или 5 млн? Здесь информационные потоки могут возникать самые разные, очень сложные и интересные, непредсказуемые. Поэтому наш мозг сравнивают не просто с компьютером, а с шумящим компьютером. Это в компьютере всегда 5 × 5 = 25, а у нашего мозга иногда 24, а иногда 27, и это правильно.
Мозг должен «шуметь». Он должен генерировать в определенной степени стохастическое, случайное поведение. Это эволюционно выгодно.
Если бы заяц всегда убегал от лисы предсказуемо, то такого зайца быстро бы поймали и съели. Важна именно непредсказуемость, нужно, чтобы заяц бежал иногда вправо, иногда влево. Это биологически верно, и в итоге наш мозг сделан не для того, чтобы работать с точными цифрами, как компьютер, а для того, чтобы пытаться заглянуть в будущее и так разнообразить поведение, чтобы удовлетворить свои потребности и выжить.
Знания о медиаторах о тех веществах, которые выделяются в синапсах, лежат в основе современной психофармакологии. В следующих главах книги будут рассмотрены функции различных медиаторов. Их изучением и занимается наука психофармакология.
Для понимания основной темы книги мозг и потребности необходимо перейти на следующий уровень макроанатомию мозга. Материал о центральной нервной системе, которая состоит из головного мозга и спинного мозга, обычно проходят в школьной программе. Но, так как не каждый взрослый человек помнит о том, что он слышал в школе, кратко повторим строение центральной нервной системы (ЦНС).
Для понимания работы мозга и его центров нам потребуется в первую очередь знание о гипоталамусе, базальных ганглиях, среднем мозге, коре больших полушарий.
Строение мозга. Макроанатомия мозга
Центральная нервная система (ЦНС) это головной мозг плюс спинной мозг. Головной находится внутри черепа, а спинной идет внутри позвоночника. Устройство спинного мозга в сравнении с головным существенно проще.
Спинной мозг
Наше тело от шеи до копчика делится на 31 этаж, и спинной мозг делится на 31 сегмент. Каждому сегменту примерно соответствует один позвонок, то есть и на уровне скелета все сегментировано. За сегментацию отвечают особые гены, включающиеся на очень ранней стадии развития эмбриона.
Каждый сегмент спинного мозга работает со своим этажом тела. Это значит: получает кожно-болевую чувствительность, управляет мышцами и внутренними органами. На этом уровне мы весьма похожи на дождевого червяка или гусеницу бабочки. Только у гусеницы сегменты видны очень четко, а у нас хоть и не видны, но действительно существуют.
Выделяют восемь шейных сегментов (шея, руки, дыхание), двенадцать грудных («этажи» грудной и брюшной полостей, мышцы туловища), пять поясничных сегментов (ноги) и шесть крестцово-копчиковых (область таза). Если, например, сместился шестой грудной позвонок относительно седьмого, он передавит те нервы, которые выходят из шестого грудного сегмента спинного мозга. Что может произойти дальше? Человек ощутит боль где-нибудь в районе ребер, и эта боль будет связана не с реальным повреждением, а с тем, что спинной мозг плохо передает сигналы. А еще может ухудшиться работа сердца или кишечника
Когда врачи говорят, что половина болезней от позвоночника, они оказываются правы, потому что передача информации в спинной мозг и из спинного мозга, к сожалению, довольно легко нарушается при деформациях позвоночника. Если позвонки, например из-за сколиоза, сдвинулись в сторону, что часто случается, то существует шанс, что они нажмут на веточку какого-нибудь нерва. Это происходит из-за того, что мы прямоходящие существа, и за те несколько миллионов лет эволюции, что прошли с момента, когда наши предки встали на задние лапы, позвоночник так и не приспособился окончательно к прямохождению. Поэтому к 40 годам у большинства людей спина уже болит.