Энергетический баланс мозга
Субъективно кажется, что это два очень разных состояния когда мы бездельничаем и когда мы напряженно работаем, обдумываем сложный материал, проводим вычисления в уме или пытаемся запомнить новую информацию. В первом случае мы прохлаждаемся и «проветриваем» мозг, а во втором он рано или поздно «вскипает» и голова вот-вот лопнет от перенапряжения.
Удивительно, но, если рассчитать потребление энергии отдыхающим и интенсивно работающим мозгом, разница едва ли составит 5 %! Различие в умственном напряжении, кажущемся нам гигантским, образует лишь крошечную верхушку айсберга, а под водой кроется огромный массив скрытых от восприятия, но очень энергоемких процессов, о которых мы не догадываемся.
Вообще-то мозг очень «прожорливый» орган и в покое тратит около 20 % всей энергии, которую мы расходуем. Когда же нам нужно как следует сосредоточиться и включить голову, энергопотребление мозга увеличивается с 20 до 21 % прямо скажем, малозаметная разница.
Получается, что мозг потребляет чертову прорву энергии в среднем в 10 раз больше, чем все другие органы и ткани в организме человека. Одна пятая всей энергии в спокойном состоянии идет на нужды мозга, даже если он ничем не занят, хотя весит мозг около 1,5 кг. На что же тратится эта энергия?
Самая очевидная догадка для ученого энергия тратится в основном на ионный насос, чтобы поддерживать нейроны в состоянии боевой готовности. Эти насосы покрывают мембраны нейронов и постоянно откачивают из клетки натрий, а калий закачивают внутрь нее. На этой разнице электрических потенциалов и работает нейрон, при этом сам по себе нервный импульс проходит вдоль нервной клетки без затрат энергии, просто сокращая разницу между уровнем ионов внутри и снаружи.
Однако дело не в насосе и не в проведении нервных импульсов: по последним оценкам, для нейрона все это стоит недорого. Нейрон тратит от 60 до 80 % энергии, передавая сигналы другим нейронам, то есть большинство потребляемой мозгом энергии тратится в синапсах местах контакта нервных клеток: там выделяются пузырьки с нейромедиаторами, которые запускают импульсы в следующей клетке. Закачать нейромедиатор в синаптические пузырьки, отправить их в синаптическую щель и затем как можно быстрее убрать нейромедиаторы из синапса, чтобы точно дозировать силу сигнала, на это и тратится энергия, пока нейроны взаимодействуют друг с другом.
Биосинтез еще одна статья расходов глюкозы, главного источника энергии для мозга. Мозгу необходимо восстанавливаться и перестраиваться, и для этого ему нужна не только энергия, но и «строительные материалы». В мозге взрослого человека около 1215 % глюкозы идет на то, чтобы получить новые аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды нервной ткани необходимо постоянно обновляться и перестраиваться. У младенцев таким образом расходуется около 30 % глюкозы в мозге, а у недоношенных детей этот показатель может доходить почти до 100 %!
Еще одна интересная деталь: вечером мозг потребляет существенно больше энергии, чем утром: митохондрии в нейронах усиливают активность почти на 20 %, а доля глюкозы, которая идет на перестройку нервной ткани, меняется с 11 % ранним утром до 19 % поздним вечером. Такие суточные колебания можно объяснить, если вспомнить, что больше всего энергии расходуется в синапсах. По мере накопления дневных впечатлений синапсы все активнее проводят сигналы и расходуют все больше энергии. Полученный опыт преобразуется затем в изменения связей между нейронами это и есть нейропластичность [4].
Все приведенные выше факты не дают ответа на важный вопрос: почему организм готов платить за работу мозга такую цену? Это сейчас люди практически решили проблему голода, а на протяжении миллионов лет предки человека постоянно сталкивались с угрозой голодной смерти. Тем не менее пятая часть всего съеденного отправлялась на нужды мозга. Зачем нужна вся эта непрерывно идущая работа и что с этого получают люди?
Один из первооткрывателей дефолт-системы мозга Маркус Райхл считает, что мозг непрерывно занят построением внутренней модели окружающего мира, которая помогает мозгу предсказывать, что случится дальше, и подготовиться к грядущим событиям, используя этот прогноз. При этом лишь небольшая часть этой работы доступна для осознания. Но если прогнозы не сбываются, это непременно обращает на себя наше внимание. Жители крупных городов сталкиваются с этим, когда наступают на ступеньки неработающего эскалатора, и внезапно ощущают что-то вроде толчка: наш мозг ожидает, что эскалатор будет работать, и заранее компенсирует ускорение, которое организм испытывает, попадая на эскалатор. Обычно мы не ощущаем работу этого внутреннего механизма до тех пор, пока прогноз совпадает с действительностью: наш мозг прекрасно справляется с такими задачами, не подключая сознание. Вполне возможно, что в глубине энергореактора, каковым служит наш мозг, идут и другие процессы, которые ученым еще только предстоит открыть [5].
Как устроена дефолт-система мозга
После того как ученые тщательно перепроверили все выкладки и результаты, провели множество дополнительных экспериментов с использованием разных техник, сомнений не осталось: в мозге есть участки, которые наиболее активны, когда человек ничем не занят, предоставлен сам себе и считает ворон[46], и снижают активность, стоит нам погрузиться в задачу. Эти зоны назвали сетью пассивного режима работы мозга, или дефолт-системой[47]. Концепция чистой прибавки оказалась несостоятельной: мышление это нечто большее, чем арифметическая сумма процессов, на которые можно разбить задачу, и работа мозга устроена сложнее, чем представлялось до этого. В дополнение к зрительной, слуховой, сенсомоторной и другим системам, о которых ученым было известно, было обнаружено еще несколько важных функциональных систем, обеспечивавших разные режимы работы мозга. За следующие два десятилетия число работ, посвященных работе отдыхающего мозга, выросло лавинообразно, и сегодня в научных журналах выходят сотни работ[48], посвященных разным аспектам работы дефолт-системы мозга.
Дефолт-система мозга состоит из нескольких зон. В ней обнаруживаются крупные хабы узлы, которые взаимодействуют между собой, одновременно координируя активность подконтрольных зон [7]. Спереди основной участок активности сосредоточен в медиальной префронтальной коре: это обширный участок в передней части лобной доли в глубине между правым и левым полушариями. Сзади центр активности тоже спрятан между полушариями в районе задней поясной коры. Кроме того, в состав сети входят участки, расположенные в срединной височной доле, там расположен гиппокамп и несколько связанных с ним зон мозга, которые отвечают за ориентацию во времени и пространстве и формирование воспоминаний. Давайте попробуем разобраться, за что отвечают эти зоны и какое значение играет дефолт-система во внутренней психической жизни людей.
Разница по затратам энергии во время активной и «пассивной» работы мозга составляет всего 5 %!
Задняя поясная кора это коммуникационный центр дефолт-системы. Этот участок еще относят к верхней части лимбической доли мозга (к нижней относят гиппокамп и окружающие его парагиппокампальную и зубчатую извилины, которые тоже сообщаются с дефолт-системой). Этот участок сообщается с несколькими системами мозга и считается важным для процессов осознания и непроизвольного внимания. У пациентов в состоянии наркоза и комы активность задней поясной коры снижена. Нейроны, расположенные здесь, активно общаются с участками мозга, отвечающими за воспоминания, а еще с зонами, связанными с эмоциями и социальным поведением. Считается, что задняя поясная кора получает информацию от органов чувств, сопоставляя ее с тем, что мы помним, и направляет непроизвольное внимание. Участок задней поясной коры потребляет довольно много энергии ее оценивают по расходу кислорода и глюкозы в разных отделах мозга. Интенсивность кровотока здесь существенно выше, чем в среднем для тканей мозга. Это неудивительно для главного узла системы считается, что она активна примерно половину времени, которое мы проводим не во сне [7]. Задняя поясная кора активируется в ответ на эмоциональные переживания независимо от того, приятные они или нет.
Как работает дефолт-система человеческого мозга
Задняя поясная кора контролирует один из двух хабов дефолт-системы, координирующих участки коры поблизости и зоны, расположенные рядом с гиппокампом, которые отвечают за память и пространственное мышление. В состав этого узла входит угловая извилина, которая соединяет внимание с пространственным мышлением и действиями, а еще помогает с извлечением эпизодических воспоминаний.
Интересно, что в работе этой подсистемы есть отчетливые суточные циклы: к вечеру, с накоплением дневных впечатлений, внутри сети усиливаются связи между височной корой и гиппокампом, который важен для формирования воспоминаний. Утром, после сна, связи с гиппокампом внутри дефолт-системы почти незаметны. Эти связи важны не только для автобиографических воспоминаний (когда нужно вспомнить, что и когда с нами происходило), но и для пространственного мышления и обучения. Соединения между задней поясной корой и гиппокампом влияют на то, как работает наша память.
Как я писала выше, задняя поясная кора реагирует на сильные переживания. Возможно, это объясняет, почему мы лучше запоминаем эмоциональные события чем сильнее переживания, тем лучше произошедшее врежется в память.
Второй, передний центр дефолт-системы расположен внутри лобной доли у человека эти участки созревают позднее других и отвечают за многие чисто человеческие качества: волю, самоконтроль, способность планировать действия и придерживаться этого плана. Здесь главным узлом считается медиальная префронтальная кора. Эта часть сети, по-видимому, отвечает за процессы, связанные с нашей концепцией «я». Медиальная префронтальная кора обрабатывает личную информацию и воспоминания, отвечает за самоощущение, саморефлексию и самооценку, планирование будущего и принятие решений. Эта зона вовлечена в социальное поведение, контроль настроения и мотивации, то есть влияет на личностные особенности человека. Она важна для социального мышления и поведения и откликается не только на мысли человека о самом себе, но и на размышления и переживания о значимых близких людях. Нижняя часть медиальной префронтальной зоны участвует в обработке позитивных эмоций, особенно когда деятельность человека вознаграждается тем, что ему ценно и важно.
Ученым до сих пор не до конца известно, зачем нужна дефолт-система мозга.
Для чего нужна дефолт-система?
Нам до сих пор еще мало известно о том, для чего именно нужна дефолт-система мозга. На этот счет существует множество предположений разной степени обоснованности. По всей видимости, работа системы важна для обработки эмоционального состояния, процессов, связанных с самоосознанием и воспроизведением впечатлений и опыта человека. Некоторые ученые считают дефолт-систему основой для понимания себя и других. Считается, что именно здесь закладываются основы теории разума[49], или модели психики человека, способности понимать намерения, объяснять и прогнозировать поступки и мотивы других людей. Предполагается, что эта способность критически важна для нормального общения с другими людьми, хотя все это не так-то просто оценить, когда человек лежит в томографе. Еще одно вероятное немаловажное назначение дефолт-системы она может помогать человеку выстраивать личные смыслы на основе персонально значимой информации. Проще говоря, когда человек начинает анализировать жизненный опыт и личные качества, стараясь найти свое предназначение, без участия дефолт-системы мозга, похоже, не обходится [7].