Так что же мы знаем о нашей рабочей лошадке памяти? Гиппокамп имеет самую высокую плотность возбуждающих синапсов в головном мозге. Это виртуальный улей активности, который включается при каждом событии. Как мы объясним позже, гиппокамп в подростковом мозге «суперзаряжен» по сравнению с мозгом взрослого.
Связь гиппокампа с памятью была признана около шестидесяти лет назад благодаря непредвиденным последствиям одной радикальной операции на головном мозге. Эта операция была выполнена в 1953 году. Пациентом был двадцатисемилетний мужчина из штата Коннектикут, который, вплоть до своей смерти несколько лет назад, было известен только по своим инициалам – Х. М.
Ему сделали экспериментальную операцию, пытаясь излечить его от частых и тяжелых эпилептических припадков. Эпилепсия Х. М. была настолько инвалидизирующей, что он не мог работать даже на заводе. Когда Йельский нейрохирург Вильям Бичер Сковилл удалил Х. М. большую часть медиальной височной доли, которая была причиной его припадков, операцию признали успешной. Удалив мозговую ткань, отвечающую за припадки, Сковилл резко сократил их частоту и тяжесть. Однако он удалил и большую часть гиппокампа. (То, что гиппокамп очень важен для формирования памяти, было в то время неизвестно; случай Х. М. пролил много света на эту тему.)
Когда Х. М. очнулся после операции, стало ясно: хотя его припадки в целом ушли, также ушла и его способность превращать краткосрочные воспоминания в долгосрочные. Х. М. мог вспоминать свое прошлое – все, что было до операции, но всю оставшуюся жизнь он не имел долгосрочной памяти и не мог вспомнить то, что с ним случилось, что он сказал, или сделал, или о чем думал, или что чувствовал, или кого он встречал в последующие после операции десятилетия. Потеря памяти Х. М., как это часто бывает в истории науки, стала прорывом в неврологии. Впервые исследователи могли указать на конкретную область мозга (височную долю) и структуру мозга (гиппокамп) как на местонахождение человеческой памяти.
Рядом с гиппокампом, в другой части лимбической системы, под височной долей, расположена еще одна ключевая структура мозга – миндалина, которая участвует в сексуальном и эмоциональном поведении. Она очень чувствительна к гормонам, например к половым гормонам и адреналину. Это в некотором роде месторасположение гнева, и когда во время экспериментов у животных стимулировали миндалину, они становились буйными. Лимбическую систему можно рассматривать как своего рода «перекресток» мозга, где объединяются эмоции и опыт.
Немного необузданная и чрезмерно энергичная незрелая миндалина, как полагают, играет важную роль во взрывном поведении подростков. Это частично объясняет истерики, с которыми сталкиваются родители, когда говорят «нет» своим детям. Соедините эту незрелую миндалину с «малосвязанной» лобной долей подростка, и у вас получится «коктейль» для потенциальной катастрофы.
Например, шестнадцатилетний пациент моей коллеги настолько разозлился, когда родители сказали ему, что вождение было привилегией (до которой он еще не дорос), а не правом, что он украл у них ключи от машины и рванул из дома. Однако он уехал не слишком далеко. Он забыл, что дверь гаража закрыта, и врезался прямо в нее.
Один из моих коллег, у которого было три взрослых дочери, также сказал мне, что у него в запасе есть «страшные подростковые истории»: «Как-то во время уик-энда мы уехали из дома, и «пара друзей» превратилась в вечеринку, которая вышла из под контроля. Был совершен налет на наш винный погреб, небольшое ДТП с нашей украденной выпивкой в багажнике и, может быть, пирсинг в пупке (о котором я узнал только годы спустя). Но все хорошо, что хорошо кончается».
Глава 3
Под микроскопом
Если вы посмотрите на любую часть мозга под микроскопом, вы увидите, что она просто переполнена клетками. На самом деле между миллиардами клеток мозга практически нет свободного места. Эволюция проследила за этим и мудро использовала каждый кубический микрон мозга.
Клетка – это небольшой строительный блок; каждая из них имеет собственный командный центр, называемый ядром. Это большое овальное тело недалеко от центра клетки. Любой орган, ткань, мышца и т. д. составлены из разных клеток, которых в нашем организме более двухсот типов. В мозге существует уникальный тип клеток – нейроны. Это клетки, о которых мы будем говорить часто в этой книге. Мысли, чувства, движения и настроения – это не более чем общающиеся между собой нейроны, посылающие электрические сообщения друг другу.
Я помню, как в первый раз посмотрела на клетки головного мозга под микроскопом. В середине и конце 1970-х годов единственный способ изучать изменения в нейронах, например которые происходят во время обучения, – это смотреть в микроскоп на клетки через определенные промежутки времени. Сегодня у нас есть удивительные томографы и специализированные микроскопы, которые позволяют заглянуть в мозг и увидеть, как клетки и синапсы изменяются в реальном времени.
Если вы изучаете что-то прямо сейчас, ваши нейроны изменятся через пятнадцать минут, создавая больше синапсов и рецепторов. Изменения начинаются в течение миллисекунд обучения чему-то новому и происходят в течение нескольких минут и часов. Когда я смотрю на клетки головного мозга под микроскопом, я думаю о миллиардах нейронов, которые соединены между собой, и о том, как мы все еще пытаемся понять эти соединения. Сегодня мы знаем, что нет двух человек, у которых были бы одинаковые соединения в мозге, и что опыт формируется у всех по-разному. Это последний рубеж, наша собственная внутренняя граница, и мы только сейчас начинаем видеть все паттерны.
В человеческом мозге существует сто миллиардов нейронов и примерно триста тысяч из них можно разместить на булавочной головке. А если разместить один за другим нейроны одной только коры мозга, то эта цепочка может растянуться на сто тысяч миль – этого будет достаточно, чтобы четыре раза обогнуть земной шар.
При рождении у нас больше нейронов, чем в любой другой период нашей жизни. На самом деле наш мозг имеет наибольшую плотность нейронов до рождения, между третьим и шестым месяцем беременности. Сокращение большой части серого вещества происходит в последний триместр и в первый год жизни ребенка. Тем не менее к моменту рождения мозг «переполнен» нейронами. Почему? Переизбыток нервных клеток в организме младенца необходим, чтобы ответить на шквал стимулов, который возникает с приходом в этот мир. В ответ на все новые звуки, запахи, ощущения и т. д. нейроны разветвляются в мозге ребенка, создавая густой лес нейронных связей.
Тогда почему не все дети крошечные Моцарты и Эйнштейны? Потому что, когда мы рождаемся, лишь очень маленький процент этого избытка нейронов соединяется в сеть. Информация поступает внутрь, активирует нейроны, но мозг не знает, куда направлять ее дальше. Как человек, оказавшийся в центре незнакомого и многолюдного города, мозг младенца находится в окружении возможностей и пока еще не имеет карты и компаса, чтобы ориентироваться в этом странном новом мире.
«Все младенцы рождаются в состоянии психоделического благолепия, напоминающего галлюцинирование под влиянием наркотиков» – так красочно описывает это состояние Даниэль Левитин, нейробиолог из Университета Макгилла в Монреале, Канада. Нейрон отвечает на стимул всплеском активности, называемым потенциалом действия. Это электрический сигнал, проходящий из точки контакта со стимулом (или нейромедиатором) принимающей «конечности» нейрона, называемой дендритом, через тело клетки.
Когда мы видим красный цвет, чувствуем запах розы, шевелим мускулом или запоминаем чье-то имя, наши нервные клетки генерируют потенциалы действия.
РИСУНОК 6. Анатомия нейронов, аксонов, нейромедиаторов, синапсов, дендритов и миелина. Сигналы между клетками проходят в одном направлении, от аксонов к дендритному шипику, через синапс. Аксоны с миелиновым покрытием передают сигналы быстрее, чем без покрытия. В синапсе молекула нейромедиатора связывается с рецептором на дендритном шипике.
Тело клетки каждого нейрона можно представить в виде реле, где есть входящие и исходящие сигналы. Как только исходящий сигнал достигает синаптического окончания, которым заканчивается аксон, он запускает реакцию, в результате которой синаптическое окончание высвобождает молекулы химических посланников под названием нейромедиаторы, или нейротрансмиттеры.
Точка соприкосновения между двумя нейронами называется синапс, и его ширина составляет не более двух миллионных долей дюйма. Сигнал идет через тело нейрона в аксон, в его синаптическое окончание. И оттуда выделяется в синапс уже как химическое послание – в виде молекул нейромедиаторов. Как проникающая смазка, нейромедиаторы пересекают синапс и воздействуют на рецептор дендрита следующего нейрона – и таким образом несут информацию от одной клетки к другой. Активированный рецептор запускает цепную реакцию сигналов в принимающей клетке, вызывая в ней электрический импульс, или потенциал действия, который проходит от дендрита через тело клетки к ее аксону.
Чтобы нейронам выжить, им необходимы вспомогательные клетки, называемые глии. Есть несколько типов глий: астроциты, микроглии и олигодендроциты. Астроциты защищают нейроны, подпитывая их и очищая межклеточную жидкость от нежелательных химических вещества. Это помогает поддерживать нейроны мозга на оптимальном уровне функционирования. Микроглии – это крошечные клетки, которые движутся вокруг нейрона и активируются, когда появляется инфекция или воспаление, для борьбы с повреждениями – как армия, которая всегда наготове. Но поскольку мозг создан разумно, микроглии также имеют и повседневные функции, своего рода обязанности по ведению домашнего хозяйства. Поэтому, даже если они не активированы, они все равно помогают поддерживать здоровье и благополучие синапсов.
Олигодендроциты производят миелин, который покрывает аксоны нейронов. Эти клетки, плотно сконцентрированные в белом веществе, оборачивают миелин вокруг аксонов, чтобы изолировать их – так же, как резина изолирует электрический провод.
Хотя вы родились с большим запасом нейронов, основная часть синапсов в коре к моменту рождения еще не сформирована. В нижних областях, таких как ствол мозга, синапсы почти все зрелые. В коре же синапсы образуются в основном после рождения – во время всплеска активности, известного как критический период, о котором я упоминала ранее. На этом этапе развития мозг ребенка создает два миллиона синапсов каждую секунду, что позволяет младенцу обрести цветовое зрение, научиться хватать, распознавать лица и сформировать привязанность к родителям.
Мозг младенца как бы выдвигает миллиарды антенн, которые сканируют мир информации. Чтобы каждый синапс выжил, он должен найти другой нейрон, которому он может отправить информацию; вот почему количество синапсов в мозге ребенка достигает пика в детстве.
Серое вещество – ткань мозга, отвечающая за обработку информации, – продолжает уплотняться в детстве, по мере того как клетки мозга создают дополнительные соединения за счет разветвления дендритов. Это похоже на дерево, выпускающее дополнительные ветви. Стимуляция, переживания, повторяющиеся ощущения – все это способствует созданию новых нервных путей. Это объясняет повышенную способность подростков быстро учиться новым вещам – от управления телевизионным пультом до китайского языка.
Обилие серого вещества, однако, может вызывать и своего рода когнитивный диссонанс, когда мозгу трудно выбрать правильный сигнал из всего этого «шума». В результате, к концу подросткового периода, мозг начинает устранять излишки синапсов и упорядочивать соединения.
Синапсы бывают двух видов: те, которые возбуждают, или включают, соседний нейрон, и те, которые тормозят, или выключают, соседний нейрон. Является ли синапс возбуждающим или то́рмозным – зависит от типа нейромедиатора, который выделяется из синаптического окончания аксона, и от рецептора, «принимающего» нейромедиатор.
РИСУНОК 7A. Тормозные клетки могут остановить передачу сигнала. Они высвобождают тормозные нейромедиаторы, которые остановят сигнал в нейроне и «отключат» клетку.
Если представить нейромедиатор в виде простой геометрической формы, скажем квадрата или круга, то конкретный рецептор для этого типа нейромедиатора будет иметь взаимодополняющую форму – чтобы идеально ему подойти. Так же, как квадратный колышек входит только в квадратное отверстие, и «ключи» нейромедиаторов соответствуют только идеально принимающим рецепторам-«замкам». Это помогает синапсам не путать сообщения. В дополнение к почти идеальной стыковке нейромедиаторов и рецепторов сигнал очищается и еще одним способом – астроциты сразу очищают все оставшиеся нейромедиаторы после их выделения. Это происходит за миллисекунды, поскольку продолжительность сигналов между клетками мозга должна быть быстрой, как резкая вспышка.
РИСУНОК 7В. Возбуждающие и тормозные синапсы: возбуждающие нейроны испускают возбуждающие нейромедиаторы (например, глутаминовую кислоту), которые связываются с возбуждающими рецепторами и «включают» нейроны. Тормозные нейроны испускают тормозные нейромедиаторы (например, ГАМК), которые связываются с тормозными рецепторами и «отключают» нейрон.
После того как нейромедиатор прикрепился к рецептору принимающего нейрона, это соединение вызывает цепную реакцию. В дендритах принимающей клетки есть много белков, которые активизируются, когда синапс возбуждается или тормозится. В зависимости от своего типа, принимающий нейрон получает сообщение либо остановиться, либо включиться.
Если сообщение является «возбуждающим», принимающий нейрон отправляет информацию по собственному аксону через другую синаптическую щель и так далее. Нейрон может иметь до десяти тысяч синапсов и отправлять тысячи импульсов каждую секунду. За время, необходимое вам, чтобы моргнуть, нейрон может одновременно послать сигнал сотням тысяч других нейронов.
Некоторые из наиболее распространенных возбуждающих нейромедиаторов – это адреналин, норадреналин и глутаминовая кислота. Тормозные нейромедиаторы, такие как гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и серотонин, выступают в качестве расслабляющих веществ, успокаивающих тело и приказывающих ему замедлиться. Снижение уровня серотонина может привести к агрессии и депрессии.
Дофамин – это особый нейромедиатор, потому что он одновременно возбуждает и тормозит. Кроме того, наряду с адреналином и некоторыми другими веществами, он является гормоном. Когда он действует на надпочечники, он работает как гормон; когда он действует на мозг – это нейромедиатор. Будучи химическим посланником мозга, дофамин помогает мотивировать, настраивать и фокусировать ум, поскольку он является неотъемлемой частью системы вознаграждения мозга. Это нейрохимикат из разряда «я должен иметь это», который не только усиливает целенаправленную деятельность, но также может, при определенных обстоятельствах, привести к зависимости. Чем больше дофамина выделяется в мозг, тем сильнее активируются системы вознаграждения, и чем сильнее активируются эти системы, тем сильнее желание.