Мозжечок гораздо меньше большого мозга, но поверхность его коры по площади такая же, как площадь коры каждого из полушарий!
Самая необычная часть мозжечка это его кора, там находится подавляющее большинство нейронов. В коре выделяют три слоя с очень характерным устройством молекулярный, слой клеток Пуркинье и зернистый слой. Нервные клетки плотно упакованы внутри коры, а кора вдоль поверхности мозжечка, образуя дольки (или, по-другому, листки), рассеченные довольно глубокими щелями: получается, что у сравнительно небольшого мозжечка (примерно 10 см в ширину и всего 34 см в высоту) площадь поверхности сопоставима с площадью каждого из полушарий большого мозга.
В коре мозжечка расположены, наверное, самые удивительные и красивые клетки мозга клетки Пуркинье. От тела нейрона отходит чрезвычайно густая и очень своеобразная «древесная крона» из дендритов. Своеобразие состоит в том, что крона эта практически двумерная: она чрезвычайно широко ветвится, если мы смотрим на клетку Пуркинье анфас, и почти плоская если в профиль. Клетки Пуркинье идут одна за другой, словно карты в колоде, а в перпендикулярном направлении их кроны пронизывают параллельные волокна. Вместе они образуют рекордное число синапсов: на одну клетку Пуркинье приходится до 200 тысяч синапсов с проходящими через нее параллельными волокнами! В мозжечке 15 миллионов клеток Пуркинье получают сигналы от 40 миллиардов клеток-зерен, которые и образуют параллельные волокна, это обеспечивает мозжечок огромными вычислительными мощностями, которые используются, чтобы практически моментально сравнивать текущие параметры с изначально заданными и вносить поправки в идущие процессы. На завершающем этапе в каждом из сотен вычислительных модулей в мозжечке сигналы от 100 миллионов параллельных волокон сходятся примерно на полсотни нейронов в одном из ядер мозжечка, откуда информация отправляется к месту назначения прежде всего, в первичную моторную кору, откуда запускаются наши движения [12]. Таким образом, чрезвычайно структурированная сеть внутри мозжечка рассчитывает и моментально исправляет малейшие ошибки в наших действиях.
Необычное устройство мозжечка с колоссальным числом нейронов и связей между ними делает его суперцентром, позволяющим выполнять обучение с учителем (supervised learning), так называется один из алгоритмов работы, в котором набор данных сравнивается с эталоном, чтобы определить расхождения и внести корректировки. На выходе такой алгоритм выдает целый набор поправок для множества параметров: в случае мозжечка ими могут быть точное время, сила и скорость сокращений для каждого из десятков и сотен мышечных волокон, которые и образуют плавное и скоординированное движение [13].
Глава 11
Быть или не быть: как работают базальные ганглии
Базальные ганглии это отдел в подкорке мозга, который занимается проблемой выбора. В то время как мозжечок разбирается с тем, КАК делать, базальные ганглии, пытаются решить, ЧТО ИМЕННО. Действительно, даже если стремительное движение руки к кнопке лифта получилось верхом изящества (благодаря мозжечку), это не особенно поможет, если палец в итоге устремился к кнопке двенадцатого этажа вместо пятого. Хорошо, если в каком-то случае проблема выбора вообще не стоит, и нам абсолютно ясно, что делать. Гораздо сложнее определяться с выбором, когда есть несколько конфликтующих вариантов. Совсем плохо, если вариантов нет никаких, а что-то делать все равно надо, приходится действовать наугад. В любом из этих вариантов в дело вступают базальные ганглии[34].
Базальные ганглии прячутся в основании переднего мозга, глубоко внутри больших полушарий. Это самые крупные подкорковые ядра в мозге человека: снаружи находится крупное овальное образование с хвостом, которое, как матрешка, прикрывает собой еще два, спрятанные одно под другим. Это полосатое тело, состоящее из скорлупы и хвостатого ядра, под которым прячутся два сегмента бледного шара внешний и внутренний. Еще сюда относят два небольших ядра: субталамическое, которое получило свое название, потому что расположено в среднем мозге прямо под таламусом, и черная субстанция, расположенная прямо под субталамическим ядром.
Черная субстанция в некотором смысле имеет черную славу: она играет ключевую роль в развитии болезни Паркинсона, второго по распространенности заболевания головного мозга, связанного с нарушением работы базальных ганглиев.
При болезни Паркинсона люди испытывают огромные сложности с движениями помимо дрожания рук и ног у таких пациентов есть еще ряд довольно характерных симптомов: им сложно начать движение, особенно когда нет какого-то внешнего импульса (скажем, встать по просьбе другого человека им проще, чем по собственному желанию), их движения будто скованны, шаги при ходьбе очень мелкие, а мышцы даже в расслабленном состоянии будто деревянные. Все эти проблемы начинаются с того, что в черной субстанции умирают нейроны, которые производят дофамин для нормальной работы базальных ганглиев[35]. Несмотря на то что в коре головного мозга все в порядке и все двигательные отделы работают нормально, движение не запускается, как надо.
Повреждения субталамического ядра, наоборот, могут приводить к избыточным движениям это выглядит как повторяющиеся непроизвольные взмахивания руками или ногами, человек не может спокойно сидеть на месте, конечность словно постоянно пляшет, а человек не может ничего с этим сделать. Существует еще несколько состояний с непроизвольными движениями, которые возникают при повреждениях в базальных ганглиях: это хорея в Средневековье ее называли пляской святого Вита, когда человек словно исполняет какой-то дьявольский танец помимо своей воли, а еще дистония когда какие-то части тела непроизвольно сокращаются, иногда до спазма, нарушая нормальное положение тела или головы.
При болезни Паркинсона двигательные отделы коры не повреждены, но из-за проблем с работой базальных ганглиев движения не получаются.
В общем, нарушения в базальных ганглиях приводят к двигательным расстройствам, когда контроль движений смещается от нормы к одному из полюсов: либо человек не может сделать то, что хочет, либо, наоборот, неконтролируемо делает то, чего не хочет, и не может остановиться. К нарушениям нормальной работы базальных ганглиев относят и обсессивно-компульсивное расстройство и различные формы аддикций: в этих случаях человек тоже в некотором смысле делает не совсем то, что хочет, и тоже обычно не может остановиться. Почему так происходит?
Как устроены базальные ганглии
Базальные ганглии это сложная система ядер, сообщающихся между собой целой паутиной прямых и обратных связей. Принципиальная схема, по которой информация идет через базальные ганглии, такова: сначала полосатое тело получает ее практически от всех отделов коры, затем сигналы отправляются циркулировать внутри базальных ганглиев по двум путям прямому и непрямому, и затем через внутренний сегмент бледного шара некое общее решение отправляется в таламус, а оттуда в кору. Непрямой путь подавляет все лишние действия, а по прямому отбирается единственная подходящая команда. Кроме этого у коры полушарий есть «запасной стоп-кран» гиперпрямой путь: если что-то поменялось и нужно немедленно остановиться, сигнал отправляется не к большому полосатому телу с довольно обширными путями циркулирования сигналов, а в компактное субталамическое ядро, и текущее поведение немедленно прекращается.
Базальные ганглии обмениваются информацией с отделами коры больших полушарий и ядрами таламуса, формируя петли, по которым информация может циркулировать внутри мозга и влиять на наши решения. Внутри самих базальных ганглиев все ядра связаны в сложную систему, задача которой отобрать нужную программу действий, запуская их одно за другим в нужное время и в правильном порядке
В целом все три пути внутри базальных ганглиев направлены на то, чтобы не дать коре сделать что-нибудь лишнее, но при этом избирательно пропустить к таламусу и коре именно те команды, которые положат начало нужным действиям [14]. Как и в случае мозжечка, работа базальных ганглиев идет незаметно для человека, ее нельзя сознательно проконтролировать или изменить. Внутри общей системы базальных ганглиев есть отдельные специализированные «департаменты» с обособленными, хоть и частично перекрывающимися потоками информации. Помимо двигательного департамента, отвечающего непосредственно за движения тела, есть исполнительный, который занимается, скорее, стратегическим планированием действий в далекой перспективе; еще есть зрительный департамент, заведующий исключительно движениями глаз, и мотивационный в некотором роде, он снабжает всю систему принятия решений топливом энергией эмоций, основанной на ожидании и поиске удовольствий и избегании неприятностей.
Мы не можем контролировать работу базальных ганглиев сознательно, она происходит автономно, без нашего на то желания.
Благодаря такому сложному устройству можно сказать, что базальные ганглии служат арбитром между разумом и чувствами они соединяют двигательные отделы с рациональной префронтальной корой и эмоциональной лимбической системой, которые вечно конфликтуют за то, кто победит в схватке разума и желаний: съесть пироженку или решительно закрыть холодильник и сделать зарядку? Позависать на развлекательных сайтах или взяться, наконец, за дела, чтобы вечером отдыхать с чистой совестью? Сделать как следует или схалтурить? Это лишь некоторые из экзистенциальных конфликтов, с которыми сталкиваются люди. Пока мы себя контролируем, префронтальная кора берет управление в свои руки и директивным образом выбирает рациональное решение, подавляя сигналы со стороны эмоций. Однако стоит ей утомиться, лимбические отделы берут свое, и мы идем на поводу у желаний.
Базальные ганглии можно назвать главной системой тормозов внутри мозга: основные отделы внутри этой системы тормозят активность друг друга, а вся система целиком тормозит работу таламуса и коры, запускающих те или иные действия.
Фактически внутри нашего мозга есть своя система сдержек и противовесов, задача которой «придержать коней» в двигательной коре, пока внутри системы не будет принято окончательное решение о том, что сейчас нужно делать, и затем «растормозить», то есть высвободить из-под запретов ту самую команду, которая лучше всего подходит к ситуации. Благодаря этому можно располагать богатым репертуаром решений на все случаи жизни, но не метаться, пытаясь одновременно перепробовать все варианты решений, а выбрать что-то одно и действовать согласно выбранному плану.