10 сентября 1945 года фермер Ллойд Олсен отрубил голову цыпленку, как делал сотни раз до этого. Обстоятельства произошедшего обезглавливания противоречивы: одни источники утверждают, что цыпленок был предназначен для семейного ужина, другие говорят, что он был одним из десятков цыплят для продажи на мясном рынке [1, 2]. Как бы то ни было, мы точно знаем одно: на этот раз топор фермера прошел немного выше, чем обычно, и после обезглавливания цыпленок убежал с места расправы (вообще-то такое часто бывает с курами). Однако дальше случилось небывалое: Олсен оставил цыпленка на ночь в закрытой коробке, и когда на следующее утро вышел проверить, что с ним, обнаружил, что цыпленок все еще жив. Он спокойно переночевал, спрятав под крылом шею и то, что осталось от головы, и вроде бы совершенно не собирался помирать в ближайшее время.

Олсен дал необычному цыпленку имя Майк. Майк мог ходить и довольно ловко балансировать на жердочке, кроме того, он порывался кукарекать и чистить перья, но это уже выходило не так удачно. Заинтригованный фермер решил посмотреть, как долго сможет прожить цыпленок без головы. Он стал поить его через пипетку смесью воды с молоком и кормить, помещая зерна и червяков пинцетом прямо в пищевод Майка. Кроме того, Олсен регулярно удалял слизь.

Через неделю, когда стало ясно, что умирать в ближайшее время Майк так и не собирается, Олсен повез его в Университет Юты в Солт-Лейк-Сити. Ученые обследовали цыпленка и обнаружили, что основные системы жизнеобеспечения и рефлекторные центры в стволе головного мозга не были задеты, что и позволило Майку выжить.

Новость о случившемся быстро распространилась по местным газетам, а Олсен начал гастролировать с Майком, участвуя в представлениях бродячих цирков с необычным петухом. Олсен и Майк стали настоящими знаменитостями: их история и фотографии появились на страницах многих американских журналов. Умер Майк только через полтора года из-за случайности. По одной из версий, в трахею Майка каким-то образом попало зернышко, перекрыв доступ кислорода, и цыпленок задохнулся; по другой – трахею забила слизь, которую Олсен регулярно удалял, чтобы покормить цыпленка.

Он прожил без головы полтора года

Как же Майку удалось выжить? Лезвие топора не задело яремную вену, и цыпленок лишился лишь части головы: то, что было ближе к шее, включая ствол головного мозга, осталось невредимым. Кроме того, цыпленку еще раз крупно повезло: кровяной сгусток на отрубленной шее образовался достаточно быстро, предотвратив массивную кровопотерю, которая могла бы закончиться смертью птицы.

Скорее всего, фермер удалил не более пятой части мозга Майка, оставив неповрежденными примерно 80 % мозга по массе (и, как выяснилось, почти 100 % по функционалу) [2].

Как известно, куры совершенно не отличаются сообразительностью и полагаются в основном на рефлексы и простые автоматические действия – этого достаточно, чтобы спать, ходить, находить в земле и клевать еду (тут Майку мешало скорее отсутствие клюва, а не мозгов), пытаться чистить перья (опять-таки, не хватало клюва) и убегать в случае опасности.

Чтобы жить жизнью курицы, вовсе не обязательно иметь кору головного мозга – с большинством задач они справляются безо всякого обучения и мышления, полагаясь на врожденные программы поведения, «зашитые» на подкорке.

Самые важные для выживания и поддержания жизнедеятельности структуры расположены ближе к шее – они называются «ствол головного мозга».

Хотя внешние очертания головного мозга по мере его развития меняются до неузнаваемости, в общем плане его строения есть практически неизменные характерные особенности, вне зависимости от того, чей именно мозг мы рассматриваем (конечно, если дело касается позвоночных животных). По иронии судьбы у безголового Майка как раз уцелевшие отделы мозга были сравнительно похожи по строению на такие же отделы в человеческом [3]. С другой стороны, те части, которых лишилась эта очень везучая курица, у человека, наоборот, чрезвычайно разрослись и занимают внушительную часть общего объема – благодаря им мы гораздо умнее не только кур, но и более мозговитых шимпанзе, бонобо[3] и горилл.

Ствол мозга расположен в самом основании черепа: если смотреть снизу вверх, он идет от спинного мозга, спрятанного внутри позвоночника, и упирается в парную структуру – правый и левый таламусы (вместе с большими полушариями они относятся уже не к стволу, а к переднему мозгу). В стволе мозга происходит интеграция информационных потоков от головы к телу и от тела к голове, контроль основных жизненных функций, оценка общего состояния организма и поддержание нужного уровня бодрости. От ствола мозга отходят десять из двенадцати пар черепных нервов, которые в основном участвуют в обмене информации с головой и шеей, однако один из этих нервов – блуждающий – в том числе управляет работой гладких мышц в грудной клетке и брюшной полости.

Строение ствола головного мозга довольно схоже у птиц и людей

Если черепные нервы в основном соединяют мозг с головой и шеей, то большая часть сообщения с телом ниже шеи происходит через спинной мозг. Его можно представить как магистральное шоссе, соединяющее мозг с остальным организмом: через него проходят пучки афферентных нервных отростков (они сообщают отделам головного мозга о том, что происходит с телом) и пучки эфферентных нервных волокон (передают информацию от мозга обратно к телу). Основную часть этих эфферентных путей составляют отростки мотонейронов, которые управляют мышечными сокращениями, – например, дирижируют мельчайшими сокращениями мышц пальцев, когда нам необходимо перелистнуть страницу книги или напечатать сообщение другу, или координируют мышцы ног, корпуса и рук, когда спортсмен пытается установить рекорд по прыжкам в высоту. Однако в спинном мозге есть и проводящие пути вегетативной нервной системы. Она управляет состоянием внутренних органов и кровеносных сосудов и настраивает режим работы организма: начиная от максимальной боевой готовности, необходимой спортсмену во время соревнований, вплоть до полной расслабленности и покоя, которые особенно хороши, когда нужно восстановить запас сил, переварить съеденную пищу или подремать.

Где именно заканчивается спинной мозг и начнется головной (продолговатый), определить не так-то просто. Никакой четкой границы нет: все выглядит так, словно спинной мозг постепенно утолщается и разрастается, плавно переходя в следующий отдел. Обычно границу проводят на уровне затылочного отверстия – там, где тяж нервной ткани выходит за пределы черепа. Немного выше на поверхности ствола уже появляются многочисленные отдельные парные «веточки» черепных (или черепно-мозговых) нервов, о них мы поговорим чуть ниже. Продолжая сравнение с деревом, можно сказать, что «крона» головного мозга находится еще выше, скрывая от взгляда исследователя самую верхнюю часть ствола. По большому счету, ствол мозга – это полноправная (и, как мы убедились, чрезвычайно важная) часть головного мозга. Даже небольшие повреждения на этом уровне грозят по-настоящему тяжелыми и трагическими последствиями, чего не скажешь о большинстве других отделов [4].

Поверхность тела особенно богата всевозможными рецепторами, которые определяют температуру (терморецепторы), силу натяжения или давления на поверхность кожи (механорецепторы) и всевозможные повреждения в тканях (болевые рецепторы). Механорецепторы есть не только на коже; специальные их типы расположены в стенках кровеносных сосудов, сердца и полых органов типа желудка (благодаря этому мы чувствуем тяжесть, когда съели слишком много). Механорецепторы в мышцах и связках помогают мозгу оценить, насколько напряжена каждая мышца и как они расположены относительно друг друга. Такие мышечные механорецепторы называются проприоцепторы – они очень важны для правильной координации движений. Если канал связи между мозгом и проприоцепторами прерван, люди не могут нормально двигаться: они буквально теряют управление над мышцами и те ведут себя довольно не предсказуемым для человека образом.

Фактически единственный орган, до которого мозг не дотягивает свои чувствительные нервные окончания, – это… он сам. Мы прекрасно ощущаем, если вдруг в нашем теле что-то «сломалось»: порезана кожа, сломана кость, воспален какой-то внутренний орган – на поверхности и в глубине организма расположены миллионы болевых рецепторов, которые следят за тем, чтобы все находилось в целости и сохранности. Однако в мозге болевых рецепторов нет: именно это позволяет нейрохирургам проводить операции на открытом головном мозге, пока пациент находится в сознании, и не повредить ненароком важную его часть, удаляя опухоль, сосудистую аномалию или участок измененной ткани мозга, которая является причиной эпилептических приступов.

Как и на любой большой магистрали, потоки входящей и выходящей информации вдоль продолговатого мозга и далее в глубь ствола разведены. Сенсорная информация от тела к мозгу идет по тяжам нервных волокон, которые находятся ближе к спине и затылку, а двигательная – от мозга к телу, – наоборот, идет вдоль передней (брюшной) части ствола, расположенной ближе к лицу. Сигналы к мышцам переносят столько нервных волокон, что они образуют очень заметные вздутия на передней поверхности продолговатого мозга – их называют пирамидами. В пирамидах двигательные волокна от первичной моторной коры правого и левого полушария перекрещиваются: кора справа управляет мышцами слева, и наоборот. Различные типы волокон, соединяющие тело с мозгом, перекрещиваются в разных точках вдоль оси нашего тела: такое положение вещей помогает неврологам правильно определить место поражения в нервной системе с помощью оценки того, как нарушается подвижность и чувствительность в разных частях тела пациента.

Помимо того, что продолговатый мозг служит точкой транзита для внушительных потоков информации, которой тело и мозг постоянно обмениваются, у него есть и собственные очень важные задачи.

В продолговатом мозге расположены центры, отвечающие за множество автоматических процессов и рефлекторных реакций. Они обеспечивают правильную работу многих процессов, необходимых для постоянства внутренней среды. Множество небольших скоплений нервных клеток в основании мозга непрерывно следят за тем, как сокращается наше сердце, как идут процессы газообмена – сколько в крови кислорода и углекислого газа, какое сейчас кровяное давление. Если что-то идет не так, центры в продолговатом мозге немедленно запускают рефлекторные реакции, призванные поправить положение дел. В крови не хватает кислорода и многовато углекислого газа? Будем дышать чаще и глубже. Хемочувствительные клетки регулируют не только дыхание и сердцебиение, но и могут запускать рвотный рефлекс, если в крови появляется что-то подозрительное (это очень разумно, учитывая, что самый простой способ отравиться – это съесть что-нибудь ядовитое или протухшее). Кроме нейронов, запускающих рвотный рефлекс, здесь находятся группы нейронов, управляющих другими защитными реакциями: кашлем, чиханием и глотанием.

Все эти процессы запускаются без каких-либо сознательных усилий – во-первых, внимание лучше занять более интересными вещами, а во-вторых, все это слишком важно, чтобы сделать произвольным: если человек отвлечется и не успеет вовремя закашляться, когда в трахею что-то попало, он рискует умереть от удушья. Или, например, представьте, что нам приходилось бы сознательно контролировать каждый вдох и выдох от рождения до самой старости – мягко говоря, безрадостная перспектива (особенно с учетом того, что примерно треть жизни мы вообще проводим в «отключке» – во сне – и ничего не можем сознательно контролировать).

Выше продолговатого мозга начинается следующий отдел – это задний мозг, где расположены мост и мозжечок. Мост – это что-то вроде большого транспортного узла, через который проходит множество нейронных отростков: снизу вверх, сверху вниз, слева направо и справа налево. В основании моста вдоль ствола лежит кортикоспинальный тракт – нервные волокна, которые идут от моторной коры, управляющей сознательными движениями, к спинному мозгу – сверху вниз. Кроме того, в поперечном направлении через мост идет часть проводящих путей, соединяющих правую и левую части мозга.

Особенность работы нашего мозга в том, что левое полушарие отвечает за движение и чувствительность правой половины тела и наоборот. Мост (наряду со спинным и продолговатым мозгом) служит одной из тех точек, где нервные волокна от нейронов, управляющих движениями мышц или несущих информацию от них, пересекают срединную линию, соединяя противоположные половины тела и головного мозга. На уровне моста двигательная информация, которую подкорковые двигательные отделы отправляют вниз к телу, меняет сторону движения на противоположную. В глубине головного мозга есть множество отделов, помогающих моторной коре управлять телом. Они формируют экстрапирамидную систему (в отличие от пирамидной, которая отвечает за сознательные движения), а также берут на себя управление автоматическими действиями и следят за мышечным тонусом, а моторная кора контролирует действия, совершаемые произвольно.

Мозжечок получает собственные копии информации, отправляющейся от мозга к телу и от тела к мозгу. Он сравнивает «желаемое» (то, какое движение нам хотелось бы совершить) с «действительностью» (тем, какое движение мы на самом деле совершаем), вносит коррективы в двигательные команды и отправляет свои «пожелания и предложения» в первичную моторную кору и спинной мозг, управляющие мышцами.

В отличие от больших полушарий, полушария мозжечка контролируют движения именно со своей стороны тела: когда мы делаем что-то правой рукой, нашими движениями управляют правая половина мозжечка, но левая половина двигательной коры больших полушарий. Двигательный контроль в мозге осуществляется в буквальном смысле наперекосяк, по нескольку раз пересекая срединную линию между правой и левой половинами мозга.

Мозжечок находится как раз сверху над мостом, отделенный от него четвертым желудочком – это самая нижняя из полостей мозга со спинномозговой жидкостью. У мозжечка, словно у жучка, есть три пары ножек – верхние, средние и нижние (а у большого мозга, как и у человека, ножек всего одна пара). Ножки состоят из белого вещества – проводящих волокон, связывающих мозжечок с другими отделами нервной системы, которые управляют движениями, формируя потоки входящей и выходящей информации. Нижние и средние ножки работают на вход, то есть несут информацию от спины и мозгового ствола и от коры головного мозга, соединяя мозжечок с мостом; верхние ножки работают на выход: отправляют обработанные в мозжечке сигналы обратно к другим отделам в среднем мозге, таламусе и больших полушариях.

Как известно, мозжечок играет ключевую роль в координации движений (об этом мы поговорим в разделе про движения). Тем не менее задачи мозжечка не ограничиваются только ролью дирижера, который каждое мгновение следит за тем, насколько сокращена или расслаблена каждая из нескольких сотен мышц в нашем теле. Мозжечок важен для переключения внимания между слуховыми и зрительными стимулами, а еще он во многом отвечает за наше восприятие времени.

Отделы заднего мозга координируют позу и осанку, помогают нам быстро вернуть потерянное равновесие. Кроме движений тела, нейроны заднего мозга управляют мимикой и речью, а также многими рефлекторными движениями глаз. Например, когда мы смотрим на пейзаж, проносящийся за окном поезда, наши зрачки чрезвычайно быстро перемещаются из стороны в сторону, позволяя фиксировать отдельные детали в зрительном поле. Такие быстрые неосознаваемые рефлекторные движения глаз называются саккадами. Они помогают нам фокусировать взгляд и не терять ориентацию, координируя между собой движения корпуса, шеи и глаз, когда мы активно двигаемся и одновременно следим за другими перемещающимися объектами.

В мосту, как и в продолговатом мозге, есть свой центр, контролирующий дыхание. Он координирует вдохи и выдохи с другими автоматическими движениями типа жевания и глотания, блокируя вдох, когда пища отправляется из ротовой полости в пищевод. Еще в заднем мозге находится центр, управляющий парадоксальным сном (с быстрыми движениями глаз), – об этом мы поговорим подробнее в разделе о сне.

Средний мозг – самая высокоуровневая из структур мозгового ствола. Верхняя часть среднего мозга называется крышей; но состоит она не из черепицы, а из холмиков (или бугров). Всего бугров четыре: нижняя пара занимается слуховыми сигналами, верхняя – зрительными. Четверохолмие на крыше мозга играет важную роль в ориентировочных рефлексах: благодаря этим структурам мы можем быстро определить источник новых и заметных сигналов – обернуться на шум или перевести взгляд туда, где замигала лампочка. Особенность этих ориентировочных рефлексов в том, что они происходят без участия сознания. Люди, потерявшие зрение из-за повреждений зрительной коры, тем не менее фиксируют взгляд на неожиданной яркой вспышке света, хоть и не осознают того, что что-то увидели. Все потому, что зрительная информация достигает верхних холмиков независимо от зрительной коры.

Еще выше четверохолмия находится эпифиз – так называемый третий глаз. Он маркирует верхнюю границу между таламусом и стволом, снизу граница проходит вдоль зрительного тракта. Эпифиз чувствителен к световому режиму – тому, когда и сколько света мы видим в течение дня.

В среднем мозге полость четвертого желудочка сужается и формирует узкий канал со спинномозговой жидкостью под крышей мозга – водопровод. Крыша мозга – это его «потолок», а «пол» этого канала выстилает покрышка мозга. Она состоит из ядер для третьего и четвертого черепных нервов, которые как раз управляют движениями глаз, и представляет собой часть ретикулярной формации (см. ниже).

Отделы среднего мозга участвуют в управлении движениями глаз: они особенно важны для вертикальных движений зрачков, а также контролируют их размер, позволяя глазу адаптироваться к темноте или яркому свету. Здесь также есть центры, связанные с позой и локомоцией. Можно сказать, что все отделы ствола мозга контролируют положение нашего тела в пространстве, но каждый из них играет свою особую роль. Например, повреждения продолговатого мозга могут нарушить чувство равновесия – человек в этом случае постоянно раскоординирован и теряет баланс, мучаясь от головокружений. Повреждения на уровне среднего мозга тоже нарушают контроль положения тела, но в этом случае человек скорее будет принимать ненормальные, но стабильные позы, не теряя равновесия.

В глубине среднего мозга есть небольшой канал для спинномозговой жидкости – это водопровод (или Сильвиев водопровод). Спинномозговая жидкость омывает мозг, поддерживает нужный водно-солевой баланс и снабжает нервные клетки всем необходимым (например, в ней содержатся нейроэндокринные факторы, необходимые для нормальной работы нервных клеток), а еще она работает канализацией, отводящей от нервных клеток продукты жизнедеятельности и токсины. Закупорка этого канала чревата гидроцефалией, то есть избыточным накоплением жидкости в мозге, увеличенным внутричерепным давлением и другими неприятностями. Кроме того, вокруг этого канала сосредоточена важная группа нервных клеток – центральное серое вещество (ЦСВ).

В центральном сером веществе есть нейроны, производящие естественные анальгетики мозга – энкефалины, способные регулировать восприимчивость к боли. Например, очень важно снизить болевую чувствительность, когда предстоит схватка с врагом или бегство от хищника: в таких напряженных условиях все силы и внимание необходимо сосредоточить на противнике – отвлекаться на ссадины и царапины, когда убегаешь от собаки или отбиваешься от хулигана, не только глупо, но и опасно. Когда угроза уйдет, можно будет оценить размер ущерба, а пока погоня или драка не окончены, надо сделать все возможное, чтобы выстоять и оказаться в безопасности.

Еще центральное серое вещество активно участвует в управлении разными формами защитного поведения. От того, какие клетки активны внутри ЦСВ, критически зависит наша реакция на угрозу. Как известно, есть те, кто в момент опасности скорее мобилизуется и бежит/дерется, а есть те, кто при встрече с угрозой застывает на месте и не способен пошевелиться. Так вот, когда у нас неприятности, активную жизненную позицию обеспечивают нейроны ЦСВ, расположенные сверху и по бокам от канала со спинномозговой жидкостью, а вот за паралич воли отвечают нейроны снизу (чуть ближе к месту соединения со спинным мозгом). В такой реакции на опасность тоже есть свой смысл: иногда «прикинуться ветошью» и переждать гораздо разумнее, чем кидаться наутек, гарантированно привлекая к себе внимание врага. К сожалению, когда речь доходит до выбора стратегии поведения, древние структуры в продолговатом мозге руководствуются своей внутренней логикой и совершенно не прислушиваются к тем доводам, которые появляются на следующих уровнях иерархии. Как бы мы ни убивались по поводу того, что не смогли пошевелиться от страха, когда надо было отважно кинуться в схватку (ведь правда на нашей стороне), скорее всего, в следующий раз по-настоящему серьезная буря эмоций опять отключит доводы разума, предоставляя управление горстке нейронов в самой глубине мозга [5].

Вдоль всего ствола мозга проходит ретикулярная формация – это нервная ткань, в которой нейроны и их отростки расположены хаотично, а не упорядоченными группами и отходящими от них пучками, как в остальном мозге [6, 7]. Это придает нервной ткани сетчатую структуру: «ретикулярный» и переводится с латыни как «сетчатый». Ретикулярная формация объединяет части продолговатого мозга, моста и среднего мозга в единую систему, идущую от спинного мозга к таламусу. Она способна менять режим работы всего организма, регулируя уровень бодрости и концентрации внимания, которые человек способен проявить.

В ретикулярной формации находятся группы клеток, вырабатывающие важные нейромедиаторы – ацетилхолин и моноамины серотонин, дофамин и норадреналин. Они связаны с мотивацией, настроением, энергичностью, возбуждением. Здесь же расположены группы нервных клеток, контролирующие пульс, артериальное давление и пищеварение, восприятие боли, частоту и глубину дыхания (когда мы не следим за вдохами и выдохами), положение и перемещение тела в пространстве, напряженность мышц, режим сна и бодрствования. Кроме того, координируются процессы, способные по первому тревожному сигналу быстро перевести человека в режим боевой готовности: только что человек клевал носом, развалившись на диване, не мог сосредоточиться на книге, но вдруг страшный грохот в соседней комнате словно переключает невидимый тумблер. Человек тут же вскакивает, напряженно оглядываясь: сон как рукой сняло, сердце бешено стучит, все внимание поглощено тем, что же случилось за дверью. Такую неспецифическую реакцию на неожиданные и заметные внешние стимулы обеспечивает как раз активирующая система внутри ретикулярной формации.

Все черепные нервы, за исключением первых двух пар – обонятельного и зрительного, – входят в мозг на уровне мозгового ствола [5]. Черепные нервы – обязательный пункт программы для студентов, изучающих нейробиологию: во-первых, через них мозг получает информацию от органов чувств: обонятельный, преддверно-улитковый и зрительный нервы несут информацию о запахах, звуках и том, что происходит в поле нашего зрения, а отдельные части лицевого, языкоглоточного и подъязычного нервов отвечают за вкусовое восприятие. Кроме того, через черепные нервы мозг управляет мышцами головы и шеи. Благодаря этому мы можем не только жевать, показывать язык и улыбаться, но и переводить взгляд с объекта на объект, а еще крутить головой и пожимать плечами. Единственная белая ворона в дружной семье черепных нервов, контролирующих голову и шею, – это блуждающий нерв. Он тоже берет на себя некоторые «головные» функции – иннервирует глотку и гортань, собирая сенсорную информацию и передавая обратно двигательную. Однако самые длинные его отростки уходят далеко вниз, к органам грудной клетки и брюшной полости: он успокаивает пульс, расслабляет кровеносные сосуды и активизирует пищеварение, когда организм переключается из режима «бей и беги» в режим «отдыхай и переваривай».

У человека 12 пар черепных нервов, и 10 из них отходят от ствола головного мозга

Черепные нервы оканчиваются в ядрах – специализированных группах клеток, которые получают или отправляют информацию по своим нервам. Ядра, расположенные в стволе мозга, чрезвычайно важны для нормальной работы всех черепных нервов, за исключением обонятельного.

Рассказ о мозге невозможен без знакомства с терминологией. Если мы хотим научиться ездить на автомобиле, неплохо бы отличать капот от багажника, пассажирское кресло – от кресла водителя, выучить, где находятся педали тормоза, газа и переключения передач, а также названия и смысл деталей, рычагов и кнопок, которые придется использовать водителю. Иначе инструктор просто не сможет объяснить нам, как всем этим пользоваться.

С мозгом примерно так же: наша психика устроена очень сложно, а мозг «оборудован» множеством важных штучек, отвечающих за те или иные процессы.

Казалось бы, чего проще – узнать знакомого в толпе людей; найти нужный подъезд в незнакомом районе по сбивчивым описаниям родственников; сразу понять, что сегодня не стоит заводить разговор с начальником о повышении зарплаты или пройти по бордюру в обход лужи, перескочив по пути особо грязную и скользкую секцию, и не потерять равновесия. Однако все это процессы невероятной сложности – разработчикам компьютеров не удается добиться таких высот от роботов, хотя те могут мгновенно вычислить корень четвертой степени из ста сорока семи или извлечь из памяти файл, загруженный на жесткий диск семь с половиной лет назад (и даже выдать список всех файлов, созданных или измененных в тот день).

В общем, наш мозг – удивительный и сложный орган, который умеет справляться с невероятным разнообразием хитроумных задач (хоть они и кажутся нам заурядными и простыми). Чтобы в самых общих чертах описать, как устроен и работает наш мозг, нужно для начала знать названия основных частей и отделов, о которых пойдет речь дальше[4].

Общее устройство мозга отражает процессы его формирования. Наша нервная система состоит из головного и спинного мозга и множества нервных волокон, которые соединяют их со всеми органами и тканями. У зародыша нервная система изначально закладывается как бороздка из складок кожи на спине. Этот желобок углубляется, а затем окончательно погружается в толщу тела и становится нервной трубкой, дающей начало спинному мозгу, расположенному в глубине позвоночника. В полости этой трубки находится спинномозговая жидкость, которая очень важна для нормальной работы нервной системы.

Наш головной мозг развивается из системы пузырей на конце нервной трубки – она сложным образом сворачивается и изгибается внутри зародыша, поскольку места в голове не так уж и много. Но если мысленно выпрямить развивающийся головной мозг, можно разобраться, к каким отделам относятся разные его структуры. У человека конечный мозг разрастается особенно сильно – это то, что мы называем большим мозгом или большими полушариями мозга. По мере развития большого мозга почти все остальные его отделы прячутся под «шапкой», к тому же еще изгибаются вслед за направлением роста, образуя систему дуг и арок (это можно заметить на следующей картинке). Полости со спинномозговой жидкостью внутри пузырей образуют желудочки головного мозга.

Спереди на конце нервной трубки формируется пузырь (точнее, сразу несколько, расположенных один за другим): это «заготовка» для будущего головного мозга. Постепенно его форма усложняется, а по бокам формируются все более сложные отростки. Передний отдел разрастается особенно сильно, вырастая сначала вверх и немного загибаясь назад, – именно так закладывается и начинает расти головной мозг. Однако отделы, расположенные под покровом конечного мозга, не так уж сильно отличаются у людей по сравнению с другими млекопитающими. Чем ближе к спинному мозгу, тем больше сходство в строении и работе отделов мозга. Общий принцип строения головного мозга позвоночных животных можно описать так. В центре у основания головного мозга расположены самые древние отделы, которые появились в эволюции раньше всего и отвечают за простые автоматические процессы и формы поведения. Ближе к конечным отделам по мере продвижения к поверхности мозга появляются все более сложные отделы, тут выше изменчивость в строении и назначении – это те отделы, которые появляются в эволюции намного позже и во многом обеспечивают специфические для каждого вида задачи [1].

Неровная и бугристая, изрезанная бороздами и извилинами часть, которую иногда принимают за собственно мозг, – это все-таки лишь одна из частей нашего головного мозга. Неудивительно, что ее называют большим мозгом (как бы противопоставляя маленькому мозгу – мозжечку). Снаружи большой мозг покрыт корой – серым веществом толщиной несколько миллиметров, в котором «сидят» тела нервных клеток, в то время как их длинные отростки образуют белое вещество[5] под поверхностью коры. Кора большого мозга разделена на два полушария – правое и левое. Они соединены крупными пучками проводящих путей, через которые оба полушария обмениваются информацией – это мозолистое тело.

Хотя большинство людей не задумываются о том, что еще есть в головном мозге, кроме двух больших полушарий, «под покровом» большого мозга скрывается множество других очень важных структур. Не все, что находится под поверхностью коры, относится к белому веществу, которое только проводит информацию, – внутри есть «начинка» из серого вещества, разделенная на множество мелких и крупных включений. Такие скопления тел нервных клеток обычно компактно расположены и называются подкорковыми ядрами. Каждая пара ядер внутри мозга – по одному справа и слева – выполняет собственные задачи, образуя сети с другими подкорковыми структурами и участками коры.

Вообще говоря, именно подкорковые ядра чрезвычайно важны для многих ключевых задач, которые решает мозг, обеспечивая наше выживание и жизнедеятельность. А кора, в свою очередь, отвечает за все наши чисто человеческие функции, которые разительно отличают нас от животных. В коре есть участки, где формируются речь, арифметические навыки, умение читать и способности к абстрактному и логическому мышлению. Кора головного мозга (неокортекс) обеспечивает прежде всего обучение новому.

Тем не менее оказалось, что жить можно и без коры головного мозга (правда, в этом случае речь идет не о людях, а о братьях наших меньших – зверях с более просто устроенным неокортексом). В первой половине XX века ученые проводили эксперименты на животных, изучая как в мозге формируются условные рефлексы и где происходит обучение. В этих экспериментах крысам, кроликам и собакам полностью удаляли кору с поверхности головного мозга, а после восстановительного периода изучали их поведение. Оказалось, что звери вполне способны выжить и прожить довольно долгое время после того, как им полностью удалили кору [2]. Все потому, что базовые программы поведения, включая рефлексы, стандартную повседневную активность и даже мотивацию и настроение животных, кодируют подкорковые структуры мозга.

В основании больших полушарий лежит промежуточный мозг, чью основу составляют таламус и гипоталамус. Это небольшая отдельная часть в составе переднего мозга наряду с конечным – к нему как раз относятся большие полушария и еще несколько структур внутри них.

Мозговой ствол, о котором мы говорили в предыдущем разделе, сверху упирается в два овальных таламуса. Они расположены практически в самой сердцевине мозга и соединяют органы чувств (кроме обоняния) с другими его отделами.

Таламус – своеобразный информационный центр управления внутри переднего мозга [3]. Почти вся информация от органов чувств (за исключением запаховой) сначала попадает в таламус, проходит там начальную обработку и сортировку и только после этого отправляется в свой отдел коры головного мозга. Обоняние – единственное исключение из правил: обонятельные луковицы, отвечающие за вкусы и запахи, относятся к лимбической системе (о ней мы еще поговорим подробнее) и отправляют информацию непосредственно к обонятельной коре в обход таламуса.

Внутри таламуса находится два десятка различных ядер, каждое из которых отвечает за свой набор задач. Часть ядер работает в основном с внешней информацией от органов чувств, другие участвуют в двигательном контроле, есть отделы, соединяющие друг с другом различные участки коры больших полушарий. Что происходит с информацией, которая попала из таламуса в кору? После обработки она опять поступает в таламус, и он вновь оценивает ее, выделяя в огромном сенсорном потоке сигналы, на которые сейчас стоит обратить внимание, и отсеивая те, что пока можно проигнорировать.

Внутри таламуса работает что-то вроде фильтра – он помогает переключать внимание с одного потока информации на другой: например, если нам наскучил разговор и мы стали разглядывать симпатичную картину на стене, таламус «прикручивает тумблер» для звуковой информации и пропускает в первую очередь зрительную информацию, которая сейчас нам важнее и интереснее.

Когда мы замечаем, что кто-то в обсуждении называет наше имя, таламус опять переключает фильтры входящей информации в прежний режим, мы забываем про картину и снова включаемся в беседу.

Фактически таламус играет важнейшую роль в том, куда будет направлен фокус нашего внимания, что именно достигнет осознания и послужит пищей для размышлений.

Под таламусом расположены гипоталамус и гипофиз – они связывают мозг с эндокринной системой, управляя выработкой большинства гормонов.

Гипоталамус – это небольшая зона мозга возле основания таламуса (спереди и книзу от яйцевидного таламуса). Он тесно связан с остальными зонами в среднем и переднем мозге и состоит из множества мелких ядер, каждое из которых специализируется на том или ином аспекте нашего поведения или работы внутренних органов.

В крови мало сахара? Гипоталамус активирует центры голода. В кровотоке избыток солей? Надо подключить центры жажды, чтобы восполнить недостаток воды в организме. Специальные центры в гипоталамусе следят за температурой тела и кровяным давлением, аппетитом, жаждой, уровнем активности.

Ядра гипоталамуса играют важную роль, когда речь заходит о сексуальном возбуждении или нужно запустить материнский инстинкт.

Клетки гипоталамуса важны и для грудного вскармливания, и для формирования нежной привязанности и заботы между родителем и ребенком.

Одним словом, гипоталамус следит за тем, чего нам сейчас остро не хватает, и старается сделать так, чтобы в организме было достаточно воды и питательных веществ, поддерживались постоянная температура и кровяное давление, чтобы мы могли эффективно справляться с задачами выживания и размножения – короче говоря, чтобы все было в порядке и работало, как следует.

Одна из главных задач гипоталамуса заключается в управлении небольшой железой прямо под ним – это гипофиз, который следит за тем, как и когда в организме вырабатываются гормоны.

Гормональная регуляция для поведения не менее важна, чем мышечный контроль: гормоны действуют намного медленнее, но позволяют скоординировать режимы работы всех систем органов, обеспечивая слаженную деятельность всех систем организма.

А еще гипоталамус контролирует реакцию «бей или беги», которая проявляется, когда нам угрожает опасность, – выделяющиеся здесь вещества регулируют выработку гормонов в эндокринной системе и помогают всем органам скоординироваться и переключиться в режим боевой готовности. К сожалению, гипоталамус и система ответа на угрозу не слишком разбираются в том, какая именно опасность нам угрожает. Тысячи лет назад наши предки при встрече с медведем или тигром спасались только благодаря эндокринной системе: выделявшийся адреналин разгонял пульс, помогал поднять кровяное давление и давал энергию для работы мышц, чтобы древние люди смогли спастись от хищника, а кортизол готовил организм на тот случай, если неприятности продлятся дольше, чем хотелось бы. Теперь тигры и медведи сменились недовольными начальниками или контрагентами, но эндокринная система, управляемая гипофизом, работает все так же на случай, если мы все же решим сбежать от нагоняя (к сожалению, обычно такое решение только усугубляет проблемы, а не помогает их решить).

Эпифиз – это непарный вырост между таламусами и четверохолмием. Он тоже относится к промежуточному мозгу и иногда появляется в литературе и интернете под громким и интригующим названием «третий глаз». У такого названия есть вполне солидные основания: у наших позвоночных предков эпифиз действительно работал как самый настоящий светочувствительный орган, и прямо над ним в костях черепа образовывалось специальное отверстие, чтобы свет мог попадать туда напрямую [4]. Да и сегодня существуют отдельные виды рыб, амфибий и рептилий, у которых эпифиз сохранил ту же роль. Правда, самый известный пример третьего глаза – теменной глаз живой ископаемой ящерицы гаттерии – это вырост парапинеального органа, который у ящериц находится по соседству с эпифизом.

Надо сказать, что и у нас эпифиз в определенном смысле работает как светочувствительный орган. Правда, теперь световые сигналы попадают туда не напрямую через кожу и дырку в черепе, а от сетчатки глаз через сложную систему соединений между нервными клетками. На пути к эпифизу информация об освещенности в какой-то момент покидает головной мозг и оказывается в шейном ганглии спинного мозга и только оттуда, наконец, попадает в конечную точку – бывший третий глаз, а теперь железу, которая регулирует циклы сна и бодрствования, стараясь сделать так, чтобы люди спали по ночам, а днем вели активный образ жизни. В темноте эпифиз вырабатывает мелатонин – он проявляет мягкий снотворный эффект и контролирует другие гормоны, выработка которых зависит от времени суток, включая гормон роста, половые гормоны, гормоны надпочечников и щитовидной железы [5].

Снаружи и немного спереди от таламусов расположены базальные ганглии – это целая сеть ядер, образующих между собой сложные взаимосвязи и соединяющихся с таламусом и корой больших полушарий. Это центр принятия решений – сюда сходятся все потоки информации, которую нужно учитывать, и они преобразуются в некое решение – то, что мы будем делать и как себя вести исходя из того, что вокруг творится и чего нам сейчас хочется [6].

Базальные ганглии важны для двигательного научения – здесь находится что-то вроде библиотеки поведенческих программ на те случаи жизни, с которыми мы частенько сталкивались в прошлом [7]. Если нам постоянно нужно выполнять одни и те же действия, например по пути из дома на работу, довольно скоро в базальных ганглиях сформируется «автопилот», который проведет человека из офиса домой даже тогда, когда он ужасно устал или потрясен до глубины души: пока мы заняты тем, что нас беспокоит, базальные ганглии позаботятся о том, чтобы четко выполнить стандартную программу действий, не отвлекая внимание человека от того, что его заботит.

Вокруг базальных ганглиев оборачивается еще одна система отделов мозга – лимбическая. Она важна для мотивации и эмоций и управляет базовыми (инстинктивными) формами поведения, направленными на утоление голода и жажды, проявление базовых эмоций типа страха или ярости. Эта же система заведует сексуальным поведением и формирует основу родительских инстинктов – эти поведенческие программы играют ключевую роль в эволюции и естественном отборе, и в их реализации задействована целая сеть довольно древних структур, обеспечивающих продолжение рода, – поиск сексуальных партнеров и заботу о детях, пока они не станут достаточно самостоятельными.

Если постепенно двигаться от основания мозга к его поверхности, к коре больших полушарий, мы увидим любопытную закономерность. В то время как отделы на поверхности мозга в основном участвуют в осознаваемых процессах и ощущениях, многими из которых мы можем произвольно управлять, то по мере погружения внутрь будут встречаться все менее контролируемые и осознаваемые [1].

В глубине мозга находится множество чрезвычайно важных отделов, которые помогают нам принимать решения и берут на себя множество задач, причем о существовании некоторых из них мы даже не догадываемся.

Многие решения наш мозг принимает, не донося до сознания человека, благодаря этому мы можем ехать на велосипеде, не задумываясь о том, как двигать руками и ногами и сохранять равновесие, или можем моментально отпрыгнуть в сторону и только после этого осознать, что на тропинке перед нами грелась змея. Еще структуры в глубине мозга отвечают за поддержание гомеостаза и наше эмоциональное состояние, помогают учиться и формировать воспоминания – многие важные отделы центральной нервной системы спрятаны от взгляда наблюдателя, если он смотрит на мозг снаружи. На картинке выше показаны самые заметные и важные из подкорковых структур промежуточного мозга (таламус, гипоталамус, эпифиз), базальных ганглиев и лимбической системы, а также две извилины, формирующие лимбическую кору.

В глубине коры больших полушарий расположена лимбическая система: она отвечает за эмоции – наше настроение и переживания, за то, что мы чувствуем, а не за то, что воспринимаем или думаем. Структуры, которые к ней относятся, расположены по кромке вдоль более древних структур, образуя дугу – отсюда и название «лимбическая система» (от лат. limbus – граница, край). Сюда относятся несколько участков коры, но основа лимбической системы – это подкорковые отделы мозга: миндалевидные тела, таламус и гипоталамус, гиппокамп, свод мозга и еще несколько не таких заметных структур.

Миндалины и гипоталамус – главные по эмоциям; любые воздействия на них приводят к нарушениям эмоционального поведения. Например, люди без миндалины почти не различают эмоции на лицах других людей и сами практически никогда не испытывают страха или тревоги. С гипоталамусом еще сложнее: здесь осуществляется контроль не только за эмоциями, но и за внутренней средой организма, гормонами, температурой тела, аппетитом, голодом, жаждой и пищевым поведением, так что повреждения гипоталамуса чреваты крайне серьезными последствиями для здоровья. Даже небольшие нарушения в работе гипоталамуса могут обернуться серьезными эмоциональными проблемами – раздражительностью, тревожностью, скачками настроения, усталостью и апатией, проблемами с сексуальным возбуждением, циклом сна и бодрствования.

Гиппокамп расположен в мозге прямо за миндалиной, он отвечает прежде всего за пространственное восприятие и формирование памяти. Хотя его сложно отнести к структурам, отвечающим за эмоции, все же благодаря связи гиппокампа с лимбической системой мы лучше всего запоминаем те вещи, которые произвели на нас впечатление и оставили сильный эмоциональный отклик, – не важно, приятными были эти воспоминания или тяжелыми.

Лимбическая система контролирует поведение, в котором проявляется влияние инстинктивных программ, глубинных эмоций и сильнейших внутренних импульсов. Сюда можно отнести сексуальное поведение и щемящее чувство любви к близким, страх и ярость, удовольствие и азарт. Промежуточное положение лимбической системы между более глубокими и поверхностными уровнями проявляется в том, насколько мы можем контролировать свои эмоции – в сравнении с тем, как контролируем собственные мысли. Чаще всего (хоть и не всегда) мы можем определить, какие чувства испытываем, но управлять ими не так-то просто. Если же человека захлестывает буря эмоций, он обычно теряет рассудок – рациональные части мозга, расположенные снаружи, теряют управление, его перехватывают более древние иррациональные структуры, и мы действуем импульсивно, по велению чувств.

Участки коры, которые относят к лимбической системе, иногда выделяют в отдельную лимбическую долю – по большому счету, это не доля, а изогнутая и немного заворачивающаяся дуга. Сверху эта дуга проходит как раз посередине между двумя полушариями – ровно над местом их соединения в одно целое. Еще один участок лимбической коры находится снизу и сзади от поясной извилины, на самом дне височных долей – он оборачивается вокруг спиральной структуры гиппокампа и называется парагиппокампальной корой.

В состав лимбической коры входят и более старые участки коры, расположенные снизу и изнутри больших полушарий. От новой коры – неокортекса – они отличаются строением и задачами, которые выполняют. Нейроны здесь упакованы немного по-другому и образуют на срезе меньше слоев. У человека почти вся кора больших полушарий занята неокортексом, а участки старой коры занимают всего несколько процентов от всей площади. Тем не менее без работы старой коры невозможно формирование памяти и пространственное мышление. Именно старая кора способна быстро запомнить получаемую информацию, а затем она тренирует новую различать те вещи и места, с которыми мы уже когда-то встречались и сохранили о них воспоминания [8].

Итак, мы разобрались с тем, что находится в глубине большого мозга, и теперь можно присмотреться к тому, что снаружи. Большой мозг делится на два полушария – правое и левое. Они сообщаются друг с другом толстым пучком нервных волокон, формируя дугообразное на срезе мозолистое тело (см. рисунок на следующей странице). Это главный канал общения между полушариями, позволяющий им действовать заодно, а не по отдельности. Почти все структуры в мозге парные, за исключением нескольких, расположенных точно посередине (вроде непарного эпифиза, который иногда называют третьим глазом).

Поверхность полушарий делится на четыре больших доли, которые называются так же, как и кости черепа. Спереди находятся лобные доли, сверху прямо под теменем располагаются теменные, сзади сразу за затылочными костями будут затылочные доли, а по бокам размещаются височные. Височная доля отделяется сверху от лобной и теменной глубокой латеральной бороздой, а граница между лобной и теменной пролегает по довольно заметной центральной борозде; теменную долю от затылочной отделяет теменно-затылочная борозда, но ее не так-то просто обнаружить среди извилин мозга, как глубокие латеральную и центральную.

Иногда к этим четырем основным долям мозга добавляют еще две, которые, правда, сложно назвать именно долями: лимбическая, входящая в лимбическую систему, и островковая, спрятанная внутри между лобной и височной долями. Действительно, височная доля отделена от лобной боковой щелью. Если заглянуть внутрь нее, окажется, что складка эта довольно глубокая и включает в себя несколько борозд и извилин – они и образуют островковую долю.

Хотя правое и левое полушария очень похожи анатомически, между ними существует что-то вроде разделения обязанностей – по-научному это называется межполушарной асимметрией. Прежде всего такое разделение проявляется в том, что правое полушарие мозга в основном отвечает за левую сторону тела, а левое, наоборот, за правую (в мозжечке все ровно наоборот, его полушария контролируют свою сторону, а не противоположную). Кроме того, за наши языковые способности отвечает одно полушарие, а второе в это время безмолвствует. У подавляющего большинства за речь отвечает левое полушарие, но так происходит не всегда: примерно у одного из двадцати правшей и одного из пяти левшей речью командует правое полушарие [3].

Собственно, то, что люди делятся на правшей и левшей, тоже говорит об однобокости работы нашего мозга[6]. Большинство людей – правши, у них главенствует левое полушарие: однако оно управляет не только движениями правой руки. Помимо того что левое полушарие отвечает за речь и управляет ведущей рукой, оно еще и отвечает за логическое мышление, анализ и арифметические способности.

Правое полушарие доминирует в тех случаях, когда нам нужно распознать настроение – на лицах и в позах людей, в тоне голоса или музыки. Оно же отвечает за то, чтобы придать нашей речи выразительность и эмоциональность.

Неудивительно, что, для того чтобы распознавать юмор и иронию, нужно хорошо работающее правое полушарие. Еще в правом полушарии лучше развито пространственное мышление: повреждения в его задней части могут вызывать проблемы с ориентированием на местности.

Если проанализировать разделение обязанностей между полушариями и обобщить, на чем специализируется каждое из них, то при работе с информацией левое полушарие скорее сосредотачивается на подробностях и отдельных элементах внутри общей картины, пытаясь выделить как можно больше информации, а правое пытается ухватить целостное впечатление, не слишком вдаваясь в детали происходящего.

Чем заняты нейроны в коре больших полушарий? Здесь происходит наиболее сложная и комплексная обработка информации. Задняя половина обоих полушарий занята в основном обработкой сенсорной информации, поступающей от органов чувств, а передняя – управлением: чем ближе область к кончику носа, тем в целом более абстрактным оно становится.

Зрительная информация от таламуса идет в затылочную долю – здесь расположена зрительная кора. Правое полушарие получает информацию с левой половины нашего зрительного поля (обоих глаз), а левое – с правой. Эти же отделы отвечают за зрительное воображение: если человеку нужно представить яркий красивый визуальный образ, активируется зрительная кора.

Если мы видим летящий мяч в левом верхнем углу поля зрения, то, для того чтобы его поймать, нам нужно точно знать положение рук и тела, а еще то, куда направлен наш взгляд, под каким углом повернуты голова, шея и туловище. Теменная доля постоянно следит за тем, что происходит с глазами, головой и шеей и отправляет эту информацию в соседние отделы лобной доли, которые как раз управляют движениями нашего тела.

Височные доли находятся по бокам сразу за висками, и именно в них обрабатывается информация, идущая от ушей. В левой височной доле расположены отделы, которые распознают речь на слух, а также отвечающие за восприятие движений и распознавание лиц. Височные доли и особенно расположенные в глубине отделы играют важную роль в эмоциональном и мотивационном поведении.

В теменной доле прямо вдоль границы с лобной находится первичная соматосенсорная кора – она занимается обработкой информации о прикосновениях (кожной чувствительности) и других ощущениях от тела, например растяжении или напряжении мышц.

Наконец, в лобной доле расположен центр управления: здесь идут процессы, связанные с мышлением, разными типами рассуждений, расчетами и планированием, здесь же находятся участки, отвечающие за рабочую память, произвольное внимание и самоконтроль. Ближе всего к центральной линии, соединяющей уши и темя, расположена двигательная кора, которая управляет нашими движениями. В передней части лобной доли находится префронтальная кора – она получает информацию от всех сенсорных отделов и интегрирует ее. Здесь управление перестает быть двигательным и становится более отвлеченным. Префронтальная кора использует информацию, которую получает из других отделов, чтобы наметить наиболее удачный план действий для каждой конкретной ситуации. Например, благодаря префронтальной коре мы можем менять наше поведение в зависимости от контекста или держать в голове набор правил настольной игры.

Зрительное восприятие можно разделить на два этапа: то, что происходит со светом внутри глаза, и обработку зрительной информации, отправляемой по зрительным нервам, внутри мозга. Начальный этап, на первый взгляд, напоминает работу фотокамеры (хотя даже здесь все намного сложнее, чем в фотокамере), а второй не имеет с фото- или видеофиксацией ничего общего.

Принципиальное устройство глаза действительно напоминает фотокамеру: спереди расположена система фотофиксации, а сзади находится чувствительная матрица, на которую попадает изображение. Передняя часть глаза работает на фокусировку и может регулировать поток света, попадающий внутрь, а задняя улавливает и анализирует сфокусированный свет. Фокусное расстояние изменяется с помощью хрусталика: его растягивает специальная цилиарная мышца, меняя радиус кривизны, фокусируясь на предметах вдали или, наоборот, перед самым носом. Радужная оболочка придает глазам цвет и может менять диаметр зрачка, регулируя размер диафрагмы – отверстия, через которое свет попадает в глаз.

Сфокусированное изображение попадает на сетчатку перевернутым: то, что находится справа, проецируется в левую часть сетчатки, а то, что было снизу, – наверх. На сетчатке свет улавливают специальные фоторецепторы – палочки и колбочки. Колбочки имеют коническую форму, они малочисленны[12], сосредоточены в центре сетчатки и отвечают за цветное зрение. Колбочки содержат один из трех типов йодопсина – это фоточувствительные пигменты, способные различать синий, красный или зеленый цвета[13].

Палочки имеют цилиндрическую форму, их особенно много на периферии сетчатки, и они способны улавливать даже слабый свет благодаря фотопигменту родопсину – он гораздо чувствительнее, чем йодопсин, и способен реагировать даже на единичные фотоны. Палочки обеспечивают нам сумеречное зрение, но при ярком свете не слишком полезны, поскольку родопсин засвечивается даже в темных областях изображения.

Над палочками и колбочками располагается несколько слоев нервных клеток, сквозь которые свет проходит перед тем, как его улавливают фоторецепторы. Возбуждаясь, палочки и колбочки передают сигналы не дальше в сторону мозга, а в обратном направлении – к слою биполярных клеток, лежащих снаружи от фоторецепторов, а те в свою очередь – на ганглионарные клетки, лежащие еще ближе к хрусталику и дальше от мозга. В итоге отростки ганглионарных клеток собираются все вместе и идут прямо через сетчатку по дороге к мозгу. Здесь возникает слепое пятно, где проходят только нервные волокна, и нет никаких светочувствительных клеток. Обычно мы не замечаем, что в глазном дне есть слепые пятна: во-первых, в правом и левом глазах они расположены в разных участках зрительного поля, а во-вторых, мозг умеет достраивать тот кусочек изображения, который, как ему кажется, может быть в слепом пятне.

Строение сетчатки неоднородно: в центре находятся желтое пятно и центральная ямка – область наибольшей четкости и максимальной цветности изображения [2]. В центральной ямке расположены только рецепторы-колбочки, чувствительные к цветовым различиям. Здесь они очень плотно упакованы, и над ними нет слоя нервных клеток и волокон, которые могут искажать световые волны. В центральной ямке передача зрительной информации идет без сжатия – каждая колбочка передает сигнал своей биполярной клетке, а та, в свою очередь, – единственной ганглионарной клетке, которая отправляет сигнал по собственному нервному волокну в составе зрительного нерва.

Отростки центральных ганглионарных клеток составляют 70 % всех волокон в зрительном нерве, то есть огромная область зрительного поля за пределами центральной ямки дает только 30 % информации о том, что мы видим. Так происходит потому, что чем дальше от центральной ямки, тем сильнее сжатие информации – здесь преобладают не колбочки, а палочки, помогающие нам видеть в сумерках, при этом множество палочек передают свои сигналы небольшому числу клеток в следующих слоях. По этой причине мозгу сложно точно определить форму и расположение объектов, которые проецируются на периферию сетчатки – для этого необходимо перевести взгляд в сторону, чтобы изображение попало в центр поля зрения.

Чем больше ученые изучают процессы, происходящие в сетчатке, тем очевиднее, что она не просто воспринимает световую информацию и слегка фильтрует ее перед отправкой в мозг – здесь она проходит предварительную обработку, чтобы отправить мозгу отчет, содержащий результаты анализа изображения на сетчатке [3].

Например, сейчас описано 15 типов ганглионарных нейронов, отправляющих информацию из сетчатки в мозг. 90 % из них составляют мелкоклеточные нейроны – они анализируют мелкие детали того, что мы видим. Еще 5 % – крупноклеточные нейроны, они реагируют на перемещение объектов по сетчатке. Ганглионарные клетки специфичны: каждая из них предпочитает определенное направление движения и мало интересуется стимулами, которые движутся в другие стороны. При этом сетчатка различает, когда изображение двигается целиком, потому что мы перемещаем взгляд, и когда в поле зрения есть отдельные подвижные объекты. Получается, что сетчатка умеет замечать в мешанине сигналов движение объекта против потока. Если же одновременно двигается все изображение, сетчатка на мгновение гасит сигналы и передает изображение с нового положения после того, как оно стабилизировалось. Благодаря этому мы не замечаем, что постоянно совершаем саккады – быстрые движения глазами, позволяющие нам бегло осматривать поле зрения[14] [4].

Сетчатка умеет подкручивать резкость и контраст на границах между контрастными объектами. Это происходит благодаря латеральному (боковому) торможению. Возбуждаясь, фоторецептор не только отправляет сигнал дальше, но еще и подтормаживает соседей через горизонтальные клетки. Чем активнее клетка, тем сильнее она тормозит соседей. Пока освещенность одинаковая, все тормозят друг друга с одинаковой силой, а вот на контрастной границе получается перекос в силах: в итоге краевые клетки в светлой зоне, примыкающие к тени, передают сигнал чуть ярче, чем клетки, у которых нет темных соседей, а темные, наоборот, дополнительно затемняют сигнал на границе со светлыми. Этот эффект особенно хорошо заметен на контрастной решетке: перекрестье будет выглядеть темнее, чем вертикальные и горизонтальные линии. Так получается, потому что латеральное торможение усиливает контраст у тонких линий, а вот в центре светлого пятна темных соседей нет, перекрест дополнительно не подсвечивается и поэтому выглядит темнее. Боковое торможение сигналов на границе работает не только в пространстве, но и во времени: благодаря этому мы видим относительно четкие силуэты объектов, когда они стремительно проносятся мимо нас.

Приведенные изображения демонстрируют особенности работы сетчатки наших глаз. Справа вверху: если зафиксировать взгляд на минуту на четырех точках в центре картинки, а затем перевести на однородный фон, можно увидеть послеобраз – инвертированный «засвет» сетчатки. Сверху справа: простой тест на слепое пятно: если прикрыть один глаз, а взгляд второго зафиксировать на букве (правый на П или левый на Л) и отодвинуться от картинки примерно на три расстояния между П и Л, вторая буква пропадет из поля зрения – ее проекция попадет как раз в область слепого пятна на сетчатке.

Ниже показано, как работает латеральное торможение (слева) и решетка Германа, демонстрирующая эффект латерального торможения: нейроны сетчатки подтормаживают соседей, благодаря этому край между пятнами света и тени выглядит более контрастным. Если у проекции на сетчатке нет контрастных соседей, то участок не подсвечивается: по этой причине узлы решетки кажутся темнее, чем горизонтальные и вертикальные линии.

Еще одна важная функция сетчатки – адаптация к освещенности и контрасту: когда мы долго фиксируемся на контрастных изображениях, они меняют восприимчивость сетчатки. Если после этого перевести взгляд на равномерно освещенную поверхность, можно заметить инвертированный след, в котором на месте темных пятен будут светлые, а на месте светлых – темные. Когда определенная область сетчатки воспринимает один и тот же сигнал долгое время, нейроны «устают»: в их клетках истощаются запасы нейромедиатора, и они хуже проводят сигналы по сравнению с теми областями, которые все это время были неактивны и имеют в запасе свежие пузырьки с нейромедиаторами для передачи сигнала.

Бывают и другие варианты послеобразов, например подвижные: если долго смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижные объекты, может возникнуть иллюзия, что часть изображения медленно поднимается вверх. Таким же образом сетчатка адаптируется к паттернам в изображении: области сетчатки, куда долго проецируются горизонтальные полосы, намного сильнее среагирует на появление вертикальных [3].

Как назло, наши фоторецепторы – самое слабое звено в вопросах скоростной передачи изображения: от того момента, когда свет попал в колбочку, до того, когда она запускает нервный импульс, проходит несколько десятков миллисекунд[15] (далее – мс). Кажется, что это немного, но, например, теннисный мяч при умелой подаче за это время может пролететь один-два метра: чтобы его отбить, теннисисту нужно как можно точнее знать, где он находится, но у него нет ничего, кроме зрения с неизбежными задержками.

Оказалось, что когда изображение мяча перемещается по сетчатке, его проекция запускает волну активности вдоль ганглионарных клеток. Удивительным образом эта волна в точности соответствует положению мяча, если бы его перемещения отображались без задержки на передачу сигнала от колбочек [3]! Получается, что сетчатка способна рассчитывать прогнозируемое положение объекта без задержек на работу фоторецепторов, если этот объект стремительно, но без скачков перемещается в пределах нашей видимости – за счет коллективной активности ганглионарных клеток[16].

Аксоны ганглионарных клеток собирают сигналы от сетчатки, образуют зрительный нерв, и он отправляется от сетчатки глаза внутрь мозга. Там часть волокон перекрещивается: аксоны от половины сетчатки, которая ближе к носу, меняются местами; в итоге то, что мы видим слева, анализирует правое полушарие, а тем, что справа, занимается левое. После перекреста зрительные нервы становятся зрительными трактами. От перекреста основная часть нервных волокон направляется к таламусу, хотя небольшая часть отправляется к верхним буграм четверохолмия и в некоторые другие зоны – например, через гипоталамус и спинной мозг к эпифизу, который занимается циклами сна и бодрствования. Верхние бугры четверохолмия отвечают за ориентировочные рефлексы – они управляют движениями глаз и способны оперативно переводить взгляд на новый стимул, который появился на периферии нашего поля зрения, чтобы мы могли быстро его рассмотреть, распознать и отреагировать, если требуется. Еще одна область, которая может получать зрительные сигналы напрямую, находится возле покрышки мозга: считается, что она помогает животным обходить препятствия во время перемещений [5].

Латеральное коленчатое тело – это отдел таламуса, который получает зрительную информацию и передает сигнал дальше к зрительной коре. Здесь сигналы распределяются по сегментам: отдельно от правого и левого глаза и отдельно от мелкоклеточных и крупноклеточных ганглионарных клеток: то есть мелкие детали изображения и перемещения объектов по сетчатке от каждой из них анализируются по отдельности параллельно друг другу. Отсюда сигналы попадают в первичную зрительную кору, где впервые происходит сопоставление сигналов от правого и левого глаза – благодаря этому изображения могут приобретать глубину и объем.

Зрительная кора расположена в затылочной части больших полушарий, большая ее часть прячется между полушариями на их срединной поверхности. Вокруг первичной зрительной коры (V1), связанной с таламусом, находятся более высокоуровневые отделы, получающие зрительную информацию после обработки в V1.

Устройство зрительной коры

Хотя мы не точно не знаем, происходит ли осознанное зрительное восприятие в первичной зрительной коре (скорее всего, нет), очевидно, что без работы V1 оно невозможно.

Люди с повреждениями в V1 обладают слепозрением: при таком расстройстве они не осознают, что могут видеть, но каким-то образом пользуются зрением неосознанно: обходят предметы, указывают на них или, например, просовывают письмо в прорезь ящика намного увереннее и точнее, чем слепые. Пациенты с такими повреждениями зачастую способны даже верно назвать цвет, форму и направление движения объекта, настаивая, однако, что лишь делают предположения и ничего перед собой не видят [6]. Еще одна особенность слепозренияя – неспособность к визуальному воображению: такие люди не могут мысленно представить предмет и не видят сновидений.

Первичная зрительная кора анализирует простейшие формы вроде точек и ориентированных полос и их перемещения в зрительном поле в различных областях сетчатки. Соседние области в коре V1 анализируют сигналы от соседних нейронов в сетчатке – это называется ретинотопией. Центральная область сетчатки больше представлена в коре, чем периферия, поскольку посылает больше информации.

Многие нейроны в V1 работают как детекторы признаков, где каждая клетка настроена на определенное сочетание параметров: например, нейрон может активироваться, только если замечает вертикальную красную полосу в определенной области сетчатки, и она движется справа налево. Если полоса движется слева направо, нейрон промолчит. Нейроны, предпочитающие определенное направление полосы, образуют вертикальные колонки. Если сдвигаться вдоль поверхности коры вбок, оптимальная ориентация постепенно будет поворачиваться, совершая полный оборот вокруг оси примерно 1 мм.

Из первичной зрительной коры V1 сигналы отправляются в V2 – это первый в иерархии ассоциативный зрительный отдел, где анализируются все более сложные признаки зрительных образов. V2 тоже обладает ретинотопией, она делится на четыре квадранта, где анализируется одна четверть зрительного поля – верхняя или нижняя половина правого или левого зрительного поля. Здесь анализируются не только сложные формы и их ориентация в пространстве, но и воспринимаемая глубина изображения, то есть мир приобретает объем.

Более высокоуровневые зоны изучены намного хуже, чем V1 и V2. Ученые делают предположения о том, чем они заняты, исследуя зрительное восприятие у обезьян и пациентов с повреждениями в этих отделах. Считается, что зоны с V3 по V6 анализируют различные движения объектов в поле зрения. Некоторые из этих зон активируются на особый тип зрительных иллюзий, когда человеку кажется, что объекты движутся, хотя на самом деле картинка неподвижна, то есть мозг может видеть движение там, где его нет. Зрительная кора V7, вероятно, связана с восприятием симметричных форм, а V8, скорее всего, нужна для нормального цветовосприятия.

Информация от обоих глаз сходится в первичной зрительной коре, но затем опять раздваивается. Как ни странно, у мозга не только два глаза, но и две независимые зрительные системы, которые по-разному используют то, что мы видим [5]. Из V1 информация отправляется по двум направлениям. Вниз, в сторону височной доли, идет поток, отвечающий за распознавание объектов, которые мы видим, – это путь ЧТО. Одновременно вверх, в сторону теменной доли, направляется второй поток, отвечающий за локализацию объектов в пространстве и за то, чтобы мы могли ими манипулировать, – это путь ГДЕ/КАК. В коре есть что-то вроде разделения труда: одни зоны заняты тем, что пытаются определить, ЧТО мы видим, а другие в это время стараются понять, ГДЕ это находится (и КАК это удобнее всего схватить).

Как это часто бывает, разобраться с тем, как устроены эти системы, помогли пациенты. У человека есть около трех десятков зрительных отделов, и повреждения в любом из них могут вызвать проблемы со зрением, но проявляться они будут по-разному [5]. Если у человека в обоих полушариях мозга поврежден вентральный (то есть нижний) путь ЧТО, у него развивается зрительная агнозия: он не может назвать или описать, что видит, но с легкостью берет предмет. Удивительно в этом синдроме то, что человек не может сказать или показать руками размеры блока, но при этом расставляет пальцы ровно на то расстояние, которое требуется, чтобы схватить блок рукой. Короче говоря, пациент со зрительной агнозией управляет движениями, полагаясь на зрительную информацию, о которой он понятия не имеет, если его об этом спросить.

Двусторонние повреждения дорсального (то есть верхнего) пути ГДЕ/КАК называются зрительной атаксией. В этом случае человек, наоборот, прекрасно видит, что перед ним, может описать форму, размер и ориентацию предметов, но не может взять предмет – он путается с тем, насколько широко нужно раскрыть ладонь и как далеко протянуть руку, чтобы удобно схватить то, что находится у него перед носом.

Крайне редко встречаются случаи, когда повреждения в дорсальном пути ограничены небольшими областями, избирательно реагирующими на передвижения объектов. Такие люди имеют почти нормальное зрение, вот только мир для них замирает и воспринимается как серия статичных кадров, в которых ничего не двигается, просто внезапно один кадр сменяет другой, где все совершенно иначе. Только что воды в стакане было на донышке, и вот уже она переполнила стакан, и вокруг него красуется лужица. Только что автомобиль был на горизонте, и внезапно он оказывается перед самым носом, а спустя время опять виднеется где-то вдали.

Если в результате инсульта у человека повреждаются определенные области в нижней части височных долей, может развиться прозопагнозия – проще говоря, он перестает узнавать лица, потому что отдел коры, который этим занимается, не работает.

Повреждения в различных областях затылочной и височной долей могут вызывать проблемы с восприятием цвета, симметрии, неподвижных объектов (при этом с подвижными все будет в порядке), с чтением (без проблем с письмом и пониманием речи на слух). Такие истории еще раз показывают, что зрительное восприятие – не пассивный процесс: множество отделов мозга слаженно работают, чтобы сконструировать модель видимого мира, и если какие-то из них перестают функционировать, модель мира лишается каких-то подробностей, которые мозгу просто нечем воспринимать.

Поток ЧТО не только отвечает за узнавание объектов, но и контролирует визуальное воображение и зрительную память. Чтобы мысленно представить себе что-то, нужен нижний поток, а чтобы сделать что-то прямо здесь и сейчас, не обойтись без верхнего. Вероятно, эти пути по-разному воспринимают видимый мир во времени и пространстве: зрение для действий должно оперативно анализировать картинку в целом, чтобы мы могли точно отбить теннисную подачу, а образное зрение позволяет рассматривать изображения в мельчайших подробностях, забыв о времени. В любом случае две эти системы прекрасно дополняют друг друга и выглядят единым целым до тех пор, пока каждая из них исправно работает.

Мы часто забываем о том, что наше зрение отражает не физическую реальность, а то, что мозг думает о ней. Все потому, что чаще всего мозг чрезвычайно точен в своих интерпретациях. Используя плоские проекции с искажениями и неточностями на периферии – это все, чего можно добиться от сетчатки глаз, мозг выстраивает яркую и объемную картину. Вдобавок ко всему хитрый мозг самоустраняется из процесса восприятия: создает для нас впечатление, что наблюдаемый мир находится не в голове, а перед глазами и появляется там сам собой, без всякого участия зрительной коры.

Но иногда физическая реальность и то, как мы ее воспринимаем, расходятся настолько, что это нельзя не замечать, и тогда мы видим зрительные иллюзии. Иллюзии – это бреши в картине мира, которую рисует наш мозг, и через них можно подглядывать за тем, как он работает. Иллюзии появляются тогда, когда мозг не верит глазам и подправляет то, что мы видим. Подумать только: для мозга глаза – единственный источник зрительной информации, и тем не менее он считает, что ему виднее. Почему же так происходит?

Примеры зрительных иллюзий

Собственно, это как раз то, о чем нам могут рассказать зрительные иллюзии. И стоит признать, что у мозга есть веские причины «вносить правки». Ниже список самых важных причин, почему мозг не верит глазам [7]:

1. Сетчатка плоская, а мир объемный. Из трех измерений нам остаются только ширина и высота, а глубина мира схлопывается. В общем случае восстановить трехмерную реальность по двумерному изображению нельзя: любой плоской фигуре, попадающей на сетчатку, может соответствовать бесконечное множество форм в трехмерном мире. Например, шары, эллипсы, цилиндры и конусы самых разных размеров могут выглядеть на сетчатке как одно круглое пятно.

Если дорисовать к линии еще несколько под разными углами, мозг использует эту дополнительную информацию, чтобы добавить в картину глубину, а затем применяет ее, чтобы сделать вывод о размерах объектов (даже если они ему примерещились) и длине отдельных линий.

2. Мы можем построить множество догадок о том, что сейчас перед нами, но мир вокруг один-единственный – проще говоря, нужна однозначность. Красная таблетка не может быть одновременно синей, а утка – зайцем. Если хороших вариантов несколько, мы можем переключаться между ними, но не воспринимать их одновременно.

3. Мозг умный. Когда ему приходится выстраивать трехмерное пространство по двумерным изображениям от глаз, он использует накопленный опыт, чтобы выбрать самый вероятный вариант. Мозг ставит на тот вариант, который чаще всего выглядит на плоскости так, как мы видим сейчас. Скажем, тонкая прямая полоска на картинке – это, скорее всего, спичка, а не монетка, потому что спичка выглядит как полоска со многих ракурсов, а монетка чаще – как эллипс или кружок. Прямые углы встречаются часто, а острые и тупые редко.

Комната Эймса легко обманывает умный опытный мозг. Это комната с непрямыми углами, где соотношения сторон и углов тщательно подобраны, а заглянуть внутрь можно через единственное окно. Только отсюда помещение с непрямыми углами выглядит так, как обычная прямоугольная комната. Мозг, как всегда, ставит на статистику и проигрывает, но в реальном мире эта ставка обычно срабатывает: прямоугольных комнат в миллионы раз больше, чем комнат Эймса.

4. Глаз не всегда видит все важные для восприятия детали, и мозгу приходится додумывать недостающее, анализируя контекст. Он дает дополнительную информацию, необходимую для правильного восприятия: скажем, цвета объектов зависят от цвета фона, потому что он помогает оценить освещение внутри сцены. Когда фон малоинформативен, и контекста недостаточно, мозг руководствуется тем, что знает о мире, и старается восполнить пробелы в восприятии.

Наверное, самой нашумевшей иллюзией такого типа стала фотография полосатого платья на пересвеченном фоне, которое люди воспринимали или как сине-черное на свету или как бело-золотое в тени. Этой иллюзии посвящено немало солидных научных статей – ученые пытались понять, почему люди видят платье на фотографии по-разному. Например, оказалось, что совы чаще видят платье сине-черным, а жаворонки – бело-золотым. Скорее всего, это связано с тем, какая схема освещения лучше знакома человеку и кажется более вероятной. Совы привычнее к электрическому свету, а жаворонки больше времени проводят на ярком солнце, поэтому они по-разному достраивают предпочтительный контекст для фото с платьем [8].

5. Наконец, мозг предсказывает будущее [9]. Глаз работает медленно, а мозгу нужно реагировать быстро. Сигналы от глаза поступают в мозг с запозданием: мы видим не то, что происходит сейчас, а то, что было 50–100 мс назад. А чтобы вовремя среагировать, нам нужно знать, что случится еще через 100–200 мс. Нервам и мышцам тоже требуется время, чтобы, например, отбить подачу ровно тогда, когда мяч окажется в зоне досягаемости (а информация от зрения еще только обрабатывается в сетчатке). Мозг действует, как королева из «Алисы в стране чудес»: все время стремится забежать вперед, чтобы не отстать слишком сильно.

Если мы видим линии в такой перспективе, как будто стремительно движемся, а горизонт и объекты вдоль нашего пути разбегаются по сторонам, мозг воспринимает происходящее на картинке как движение, поэтому он корректирует изображение так, как оно будет меняться на ходу. Это отлично срабатывает, когда мы несемся вперед, и видимый мир действительно меняется, как и предсказывалось. На статичном рисунке эти исправления выглядят странновато, но мозг автоматически подправляет картинку – ему так привычнее.

Слух играет в жизни человека особую роль, потому что люди разговаривают – обмениваются сведениями и впечатлениями, используя язык и способность уха воспринимать и моментально расшифровывать звуки речи собеседника. Когда человек говорит, воздух из его легких проходит через гортань с голосовыми складками и заставляет их вибрировать. Такие же вибрации издают и другие звучащие объекты – музыкальные инструменты, скрипящие двери, сталкивающиеся бильярдные шары, разбивающиеся тарелки и падающие на пол ножи и вилки. Эти механические колебания воздуха мы и воспринимаем как звуки.

С точки зрения слушателя звук можно описать как громкий или тихий и как низкий или высокий: на языке физических процессов им соответствуют амплитуда и частота колебаний воздуха.

Амплитуда колебаний соответствует громкости, которая оценивается в децибелах. Встретившись с препятствием, воздушная волна будет давить на него с определенной силой, и это давление можно измерить и перевести в децибелы. Децибелы (дБ) – логарифмическая шкала: увеличивая давление на барабанную перепонку в десять, сто и тысячу раз, мы будем получать усиление громкости на 10, 20 и 30 дБ. Комфортная для нашего уха громкость звуков находится в диапазоне 50–60 дБ, 20–30 дБ – это очень тихие звуки, а 120–130 дБ – чрезвычайно громкие, вызывающие боль в ушах и повреждающие слуховой аппарат.

Чтобы мы могли что-то услышать, то есть чтобы мозг смог воспринять и интерпретировать волны, распространяющиеся по воздуху вокруг нас, механические колебания воздуха нужно преобразовать в электрические импульсы, которые через несколько промежуточных станций смогут попасть в первичную слуховую кору. Откровенно говоря, чтобы преодолеть этот путь и, скажем, превратиться из пара, выходящего через щель в металлической нахлобучке, в свист закипевшего чайника у нас в мозге, ему предстоит пройти множество превращений.

Первоначально воздушные волны пролетают через ушную раковину и наружный слуховой проход и с разбегу сталкиваются с барабанной перепонкой – тонкой пленочкой, отделяющей наружное ухо от среднего. Удар воздуха о перепонку приводит в движение три слуховые косточки: прикрепленный к перепонке молоточек толкает наковальню, наковальня передает удар дальше на стремя, а стремя, словно поршень, посылает колебания на овальное окно, за которым уже находится внутреннее ухо.

Система рычагов в среднем ухе работает как специализированный отдел по усилению сигналов: она может усиливать колебания, улавливаемые барабанной перепонкой, в 20 раз [6].

Строение уха

Из среднего уха воздух может проходить в носовую полость через евстахиеву трубу. Обычно этот проход закрыт клапаном, но иногда он может открываться. Это происходит, когда давление снаружи сильно меняется (например, когда человек летит в самолете), и из-за сильного перепада давления воздуха в наружном и среднем ухе барабанная перепонка слишком растягивается, вызывая сильную боль в ухе. Если в этот момент зевнуть или сглотнуть, клапан в евстахиевой трубе откроется, и избыточное давление на барабанную перепонку исчезнет.

Удивительная особенность среднего уха в том, что оно может менять коэффициент усиления между барабанной перепонкой и овальным окном, помогая нам адаптироваться к громким звукам. К молоточку и наковальне прикрепляются миниатюрные мускулы; в напряженном состоянии они могут сдерживать толчки между слуховыми косточками, придавая всей системе дополнительную жесткость. При этом низкие звуки ослабляются сильнее, чем высокие. Благодаря такой особенности мы можем слышать собеседника даже там, где очень шумно (звуки шума чаще всего более низкочастотны, чем голос). Этот же механизм включается, когда мы говорим сами: благодаря этому мы слышим свой голос более приглушенно, чем любые другие звуки той же громкости поблизости.

Кроме того, этот механизм помогает нам защитить слух: слишком громкие звуки могут чисто механически повреждать нежные ткани внутреннего уха, а мышечный рефлекс в среднем ухе старается уберечь чувствительные клетки от повреждений. К сожалению, чтобы привести в действие защитный механизм, нужно время: речь идет о промежутках около 1/10 секунды, но даже этого времени достаточно, чтобы внезапный грохот (например, выстрел или взрыв) смог повредить внутреннее ухо. В крайних случаях человек может полностью потерять слух. Это называется баротравмой.

Через овальное окно колебания попадают во внутреннее ухо, которое делится на две функциональные части – улитку и лабиринт. Лабиринт состоит из полукружных каналов – они отвечают за равновесие, отслеживая положение головы в пространстве и направление ускорения, когда мы решаем изменить положение тела или покрутить головой.

Улитка представляет собой полую спираль длиной около 3 см и диаметром около 2 мм, поделенную на три отдельные полости, заполненные жидкостью. Полости внутри улитки называют лестницами. По барабанной лестнице механическая волна проходит по спирали внутрь от овального окна до самой верхушки и затем возвращается обратно по лестнице преддверия до круглого окна. Между ними расположена средняя лестница: на дальнем конце спирали у вершины улитки средняя лестница замыкается, а барабанная лестница соединяется с лестницей преддверия небольшим отверстием в мембране, позволяя остаткам колебаний внутри жидкости проходить от кончика обратно до круглого окна.

Внутри средней лестницы расположен миниатюрный кортиев орган. Он умеет улавливать звуковые волны и преобразовывать их в электрические потенциалы на поверхности нейронов. Ключевую роль в этом процессе играют волосковые клетки – главные уловители механических колебаний внутри кортиева органа. Они прикреплены сразу к двум мембранам: основанием – к гибкой основной мембране[18], отделяющей кортиев орган от барабанной лестницы, а верхушкой – к желеобразной, но довольно жесткой покровной (текториальной) мембране. Когда механическая волна бежит по жидкости от основания к вершине улитки, она способна деформировать податливую основную мембрану, смещая ее относительно покровной. Главный удар в этот момент берут на себя волосковые клетки, зажатые между двумя мембранами: пока основная мембрана колеблется, их колышет из стороны в сторону – эти колыхания и запускают процесс передачи нервного импульса.

Каким образом мозг отличает различные звуки – тонкий писк от утробного гудения (или, другими словами, высокочастотные колебания от низкочастотных)? Разные части улитки чувствительны к разной высоте звуков, это происходит благодаря различным свойствам основной мембраны у входа и на самом кончике спирали. При входе в улитку основная мембрана узкая и туго натянутая; здесь она легко входит в резонанс с самыми высокими тонами, попадающими в улитку. Чем дальше от входа, тем шире и слабее натянута мембрана, поэтому она резонирует с более низкими тонами, заставляя колебаться волосковые клетки и генерируя нервные импульсы.

Такое устройство напоминает клавиатуру пианино: слева расположен кончик улитки, справа вход и овальное окно, только диапазон октав в нашем ухе намного шире, чем в музыкальных инструментах. Получается, что каждый участок основной мембраны чувствителен к звукам определенной частоты, и место волосковой клетки, активирующей нейроны, однозначно определяет высоту звука, которое уловило ухо. Тренированное ухо может распознать всего около 1500 различных тонов [10].

Преобразования звуковой волны в электрические импульсы и сложный путь слухового сигнала в мозге

Сами волосковые клетки, раскачивающиеся вместе с участком основной мембраны, не относятся к нейронам; это сильно видоизмененные клетки кожи. В отличие от нейронов они еще не умеют генерировать нервные импульсы, зато, в отличие от других клеток кожи, уже умеют менять разность потенциалов на своей поверхности и выделять нейромедиатор. Волосковые клетки называются так неслучайно: на верхушке каждой клетки есть ирокез из жестких волосков[19], а на кончике каждого волоска находятся чувствительные к растяжению калиевые каналы. Когда клетка раскачивается из стороны в сторону, эти каналы то закрываются, то открываются, пропуская внутрь клетки калий.

Каналы соединяют богатую калием эндолимфу, заполняющую среднюю лестницу, с цитоплазмой, поток калия сбрасывает разницу потенциалов на клеточной мембране – клетка деполяризуется. Из-за этого открывается еще один тип ионных каналов, которые пропускают внутрь клетки кальций. Он связывается с пузырьками нейромедиатора глутамата, которые хранятся в основании клетки, и в итоге пузырьки схлопываются с клеточной мембраной, а нейромедиатор выбрасывается наружу. Его улавливают окончания нервных клеток, сидящих поблизости в спиральном ганглии, и уже оттуда нервный импульс отправляется в глубь мозга.

Я привожу этот процесс в таких подробностях, потому что с этим сложно устроенным механизмом связаны некоторые интересные вещи. Начать нужно с того, что волосковые клетки тоже бывают разными. Внешние волосковые клетки более многочисленны, в кортиевом органе они сидят компанией в три ряда, однако к ним «прислушивается» всего 5 % нейронов, отправляющих звуковые сигналы в мозг. Остальные 95 % нейронов подводят свои чувствительные окончания к внутренним волосковым клеткам, которых в ухе в три раза меньше, чем внешних, – они сидят отдельным рядком ближе к основанию кортиева органа.

Только у внешних волосковых клеток на мембране есть специальные подвижные белки, заставляющие клетку пританцовывать, используя разность потенциалов между цитоплазмой и эндолимфой. Раскачиваясь, внешние волосковые клетки усиливают колебания основной мембраны, увеличивая сигнал для неподвижной, но чуткой внутренней волосковой клетки.

Эти танцы внешних волосковых клеток могут приводить к необычному на первый взгляд явлению: ухо может не только воспринимать звуки, но и испускать их. Если перед самым человеческим ухом прозвучит отрывистый щелчок, чувствительный «микрофон» внутри слухового прохода сможет записать короткое эхо, которое издаст в ответ здоровое ухо с нормальными наружными волосковыми клетками. Иногда эти клетки могут совершенно спонтанно слегка подрагивать; если вокруг очень тихо, наш слуховой аппарат может уловить сигналы, возникающие во время этих подергиваний – это и есть то, что называют звенящей тишиной: в отсутствие любых звуков ухо начинает улавливать собственный едва заметный звон, издаваемый волосковыми клетками. Проблемы со слухом внутри улитки могут проявляться двояким образом: с одной стороны, в поврежденных участках улитки колебания наружных волосковых клеток могут становиться слишком сильными, и тогда в ушах возникает неприятный постоянный звон – тиннитус. С другой стороны, воздействие мощной ударной волны звуков за пределами болевого порога может настолько повредить волосковые клетки, что ухо станет беззвучным – оно потеряет способность улавливать звуки, и эха из уха доноситься тоже не будет [6].

Еще одна интересная особенность внутреннего уха в том, что оно не только отправляет сигналы в мозг, но и получает множество сигналов из него: они используются для того, чтобы максимально сконцентрировать восприимчивость основной мембраны в нужном диапазоне для получения более отчетливого сигнала. Этот механизм помогает нам слышать голос собеседника в гомоне других голосов в толпе, настраиваясь на его тембр [1].

Сигналы о звуках (вместе с сигналами о равновесии от полукружных каналов) отправляются к стволу мозга по собственному черепному нерву – преддверно-улитковому. Как и в случае со зрительной системой, по пути часть волокон перекрещивается; правда, здесь нет никаких зрительных полей, и на другую сторону переходит не половина, а примерно 90 % всех волокон, несущих слуховую информацию. После перекреста информация из моноуральной становится бинауральной, то есть нейроны могут сопоставлять информацию от двух ушей и делать выводы об источнике звука, сравнивая время и интенсивность сигналов в каждом из них.

Из ствола, где происходит перекрест сигналов, информация отправляется в нижние бугры четверохолмия. Вместе с верхними буграми, которые отслеживают зрительную информацию и движения глаз, они обеспечивают ориентировочные рефлексы, благодаря чему мы можем почти мгновенно обернуться на внезапный звук, и направление взгляда будет довольно точно соответствовать месту, откуда раздался звук.

Если источник находится прямо спереди или сзади, звук достигнет ушей одновременно, а если, например, доносится слева, то левого уха он достигнет примерно на полмиллисекунды раньше, чем правого. Вообще-то это крохотная разница, буквально одно мгновение, но возможности нашей слуховой системы определять ее просто поражают воображение: в слуховых ядрах ствола нейроны в состоянии улавливать различия меньше чем в 1/1000 секунды! Люди не столь точны в своих оценках, как нейроны в мозге, но тем не менее наша способность определять направление до источника звука тоже впечатляет: в экспериментах люди отмечали различия в 2 градуса – когда объект смещается на такой угол, разница во времени, за которое звуки долетают до правого и левого уха, меняется всего на 11 микросекунд.

Из нижних бугров четверохолмия информация отправляется в таламус и уже оттуда попадает в первичную слуховую кору, расположенную по верхней кромке височной доли. На протяжении всего путешествия от кортиева органа к коре нервные волокна, проводящие сигналы, сохраняют тонотопию – звуки разной частоты расположены в нейронах упорядоченно: низкие звуки, улавливаемые верхушкой улитки, попадают в участки слуховой коры спереди, и чем дальше назад вдоль слуховой коры, тем более высокие звуки там обрабатываются. Об организации первичной слуховой коры ученым пока мало что понятно: в ней обнаружены нейроны, которые чувствительны к звукам определенной интенсивности либо избирательно активируются на сигналы от одного уха и подавляют активность на сигналы от другого (или, наоборот, активируются только на сигналы, идущие от двух ушей). Кроме того, есть нейроны, различающие звуки одной частоты, но разной длительности. Некоторые нейроны в первичной слуховой коре реагируют на более сложные звуки – стуки, щелчки, шумы и звуки животных. Вероятно, нейроны первичной слуховой коры чувствительны к временным характеристикам звуков – это особенно важно для восприятия речи: имеет значение не только набор высоких и низких частот, но и конкретный порядок их появления, пока человек произносит какую-то фразу или слово [14].

Вблизи первичной слуховой коры расположены более высокоуровневые зоны: считается, что вторичная слуховая кора важна для восприятия гармонии, ритма и мелодии звуков (это не обязательно касается музыки; у речи тоже есть своя мелодия и ритм). Возможно, она отвечает и за то, чтобы мы могли отличать различные фонемы в речи (например, что произносит наш собеседник: «люк» или «лук»). Третичная слуховая кора, по всей вероятности, воспринимает более сложные и цельные слуховые образы.

Мозжечок – это буквально маленький мозг[32]. Так называют особый небольшой отросток с очень характерной поверхностью (и внутренним строением), расположенный между большими полушариями и спинным мозгом. Размеры мозжечка примерно в десять раз меньше размеров большого мозга, однако поразительным образом на этот скромный объем приходится 80 % всех нейронов головного мозга – 69 миллиардов нейронов из 86! В то же время на кору больших полушарий приходится 82 % от массы мозга и какие-то жалкие 19 % всех нейронов [11]. В общем, если учитывать не только объемы, но и принимать в расчет число нервных клеток, еще неизвестно, кто тут большой мозг, а кто маленький.

Зачем же небольшому мозжечку такая невероятная плотность нервных клеток? Чем они там заняты в таком количестве? Как это часто бывает, у ученых на этот счет есть множество увлекательных версий. Во всяком случае совершенно ясно, что внушительные вычислительные мощности мозжечка используются для того, чтобы максимально четко координировать самые разнообразные движения. Это могут быть мелкие, ювелирные манипуляции кистей рук; стремительные и энергичные прыжки, толчки и махи спортсменов, идущих на мировые рекорды; сложнейшие, отточенные движения танцоров и акробатов, когда малейшая осечка, промедление или спешка могут обернуться серьезной травмой и поломанной карьерой. Во всех этих случаях важно точно скоординировать силу, время начала и продолжительность сокращений десятков и сотен мышечных волокон, чтобы правильно выбрать силы и направление движения тела, рук и ног (когда мы прыгаем на одной ноге или пытаемся попасть клюшкой по летящей шайбе), кистей и пальцев (когда печатаем, пишем и вышиваем крестиком), языка, губ и гортани (когда пытаемся произнести без запинки «параллелограмм» и «шарикоподшипниковый»). Нарушения работы мозжечка приводят к раскоординации и двигательному дисбалансу, которые могут проявляться по-разному в зависимости от того, где расположено повреждение.

Основная вычислительная задача мозжечка – проверять, насколько совпадает то, что мы собирались сделать, с тем, что делаем на самом деле. Когда нам нужно выучить новое сложное движение, поначалу мы повторяем за тренером и сравниваем себя с ним. Обычно человек видит отличия своих неуклюжих действий от того, что должно получаться, но требуется много повторений, чтобы уверенно выполнить нужное движение как следует.

Пока человек тренируется, мозжечок усердно работает, пытаясь отловить нужную траекторию и настроить правильную и скоординированную работу мышц. К нему сходятся внушительные потоки информации от различных отделов мозга и с периферии от проприоцепторов – так называются особые рецепторы в мышцах и сухожилиях, оценивающие сокращение и растяжение мышечных волокон.

Мозжечок сравнивает свой внутренний образ идеального движения с обратной связью от мышц, чтобы оценить, каким движение было в действительности. Информацию о расхождениях между желаемым и действительным мозжечок отправляет к первичной моторной коре, откуда команды отправляются через спинной мозг непосредственно к мышцам. В коре эти сигналы используются для корректировки движения, чтобы оно больше походило на то, что нам хочется выполнить. По мере того как раз за разом мы тренируем одно и то же движение, мозжечок подгоняет реальную траекторию к внутреннему идеалу, и движение становится все более точным [4].

Мозжечок состоит из трех основных частей, которые отличаются тем, откуда именно они получают информацию. Самый большой и самый новый отдел мозжечка – цереброцеребеллум – получает информацию от коры больших полушарий и занимает основную часть своих боковых областей. У человека он развит лучше, чем у большинства позвоночных: здесь координируются сложные движения, в которых требуется большая точность мелких движений во времени и пространстве. В центральной части мозжечка находится более старый отдел – спиноцеребеллум, отвечающий за связь мозжечка со спинным мозгом. Важная часть этого отдела – червь, расположенный посередине и делящий мозжечок на правую и левую половины: здесь координируются осевые движения нашего тела, от которых зависят поза, походка и равновесие тела. В самом низу у основания расположен древнейший отдел мозжечка – вестибулоцеребеллум, состоящий из клочковой и узелковой долек: эти структуры тесно связаны с вестибулярным аппаратом и отвечают за баланс и поддержание равновесия.

Мозжечок очень интенсивно обменивается информацией с другими отделами мозга: нервные окончания, которые несут потоки информации от мозжечка и обратно, образуют три пары плотных хорошо различимых тяжей – их называют ножками мозжечка. Кора мозга посылает к мозжечку порядка 40 миллионов нервных волокон (по 20 на полушарие). Кроме этого мозжечок получает сенсорную информацию от тела и головы – вестибулярную, слуховую и зрительную; от проприоцепторов и механорецепторов – все, что помогает ему максимально точно определить положение каждого участка тела в пространстве.

Сопоставляя обработанную и необработанную копии, ядра мозжечка способны сгенерировать корректирующие сигналы о том, что и насколько надо изменить, чтобы движение получилось как следует, а не как придется. Эти сигналы отправляются обратно к моторной коре (с промежуточной «пересадкой» в таламусе), а также к вестибулярным ядрам и к верхним холмикам в стволе мозга, которые управляют движениями глаз и координируют их с поворотами и наклонами головы[33].

Мозжечок выглядит совсем не так, как большой мозг: он почти в десять раз меньше, но поверхность коры мозжечка так плотно упакована, что сопоставима по площади с корой каждого из больших полушарий (на срезе мозжечок напоминает дерево – в многочисленных щелях, идущих в глубину, опять-таки прячутся бороздки коры). В коре мозжечка сидят четыре из пяти всех нейронов, которые есть в нашем мозге. Главные «действующие лица» здесь – чрезвычайно крупные клетки Пуркинье и многочисленные мелкие клетки-зерна, а также три типа волокон, которые образуют между собой невообразимое количество контактов, позволяющих с невероятной точностью рассчитать время, силу и направление каждого мышечного сокращения в любом движении из нашего репертуара.

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 3–4 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].

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.

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.

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?

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.

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.

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.

Решения, которые принимаются в базальных ганглиях, могут обновляться – благодаря этому они могут обучаться и по мере приобретения нового опыта все эффективнее разрабатывают план действий, учитывая все новые факторы, которые могут повлиять на успех. Вот одна смешная и грустная история, которая иллюстрирует, как меняется поведение в одной и той же ситуации в свете новых данных, и что даже у удачных решений могут быть непредсказуемые последствия. Итак, хозяева одного сообразительного кота приучили его испражняться в унитаз, а не в лоток (это здорово экономит время на уборку). У них было все прекрасно, пока не приключился инцидент, положивший конец идиллии. Однажды, когда кот сидел на стульчаке и никого не трогал, на него сверху предательски прилетела крышка от унитаза. Кот, пораженный такой подлостью до глубины души, поразмыслив, решил все же не изменять своим привычкам и стоически продолжил писать в унитаз, но теперь он стал усаживаться на ободок унитаза исключительно мордой к крышке, чтобы не спускать с врага глаз. Выходит, в глубине души (точнее, в глубине базальных ганглиев) под впечатлением от произошедшего обновилась поведенческая программа. Крышка унитаза была там всегда, но вела себя прилично, усыпляя бдительность, – кот жил, не ощущая затаившейся рядом угрозы. Теперь же, наученный жизнью, он учитывает в своих действиях исходящую от крышки опасность и бдит (и конечно, частенько промахивается). Надо сказать, что не всегда перемены в жизни настолько резкие и трагичные: иногда люди перестают что-то делать, потому что это перестало радовать и надоело – нам просто хочется чего-то новенького, и за такое переключение в поисках новизны тоже отвечают базальные ганглии [15].

Как же происходит обновление программ, благодаря которым мы можем перестраивать поведение? По большому счету, этим вопросом занимаются целые исследовательские лаборатории, и на эту тему можно написать отдельную книгу. Если коротко, то внутри системы базальных ганглиев встроено что-то вроде шкатулки с предсказаниями: когда мы решаем выбрать определенный вариант поведения, внутрь этого варианта уже вшит прогноз – то, что мы ожидаем получить в результате своих действий. Этот прогноз затем можно сравнить с тем, что вышло на самом деле, и по итогам этого сравнения дофаминовая система выступает чем-то вроде жюри, выставляя оценку тому, что получено, по сравнению с тем, что ожидали получить. Если получилось лучше, чем ожидалось, дофамина выделится много: скорее всего, мы возьмем удачное решение на заметку и попробуем использовать его чаще. Если получилось хуже, чем хотелось, появится дофаминовый провал: тогда мы будем пробовать другие варианты действий или вообще постараемся избегать ситуаций, которые оборачиваются неприятностями [16]. Таким образом, успешные действия постепенно закрепляются, а неудачные варианты отбрасываются – этот процесс на языке алгоритмов называется обучением с подкреплением [13]. При этом базальные ганглии обновляют не только программы действий, но и прогнозы, чтобы они лучше соответствовали действительности. В злополучной истории с котом обстановка в туалете осталась прежней, изменился только прогноз, а вместе с ним и программа действий, которая представляется коту оптимальной: теперь он учитывает существование крышки, которая нависает над ним и в любой момент может прилететь на голову, если он потеряет бдительность.

Система базальных ганглиев постоянно оценивает последствия тех или иных действий, чтобы мы могли скорректировать поведение. Скажем, кто-то останавливает закрывающийся лифт, потому что видит, как к нему бежит человек, а потом оказывается, что это потенциальный начальник, который проводит собеседование и заранее проникается к нему симпатией. Дофаминовая система выдает удивление и радость – человек не ожидал, что его формальная вежливость обернется такой удачей. Скорее всего, в будущем он будет стараться дожидаться других людей. А кто-то другой точно так же дождался бегущего к лифту человека, а спустя пять минут обнаружил, что у него из пиджака пропал бумажник: вероятно, ему встретился вор-карманник. В этом случае дофаминовая система «обваливает акции» такого невинного действия, как дождаться попутчика в лифте. Результат оказался настолько хуже прогноза, что теперь любые незнакомые люди поблизости долгое время будут вызывать подозрения. Пробуя разные варианты и оценивая их последствия, базальные ганглии обучаются выбирать оптимальные стратегии действий, которые с наибольшей вероятностью приведут нас к цели. Так жизненный опыт постепенно выстраивается в довольно стройную систему жизненных стратегий на любой случай – конечно, если новые ситуации напоминают те, с которыми мы сталкивались в прошлом.

Прелесть этой системы в том, что она не только постоянно мониторит наши действия и их последствия, но еще и умеет оптимизировать свою работу.

Если исходные данные не меняются, можно просто подготовить стандартный шаблон действий и всегда использовать его в нужной ситуации, не заморачиваясь проблемами выбора. Благодаря этому мы можем машинально отправиться знакомой дорогой домой или на работу, «не приходя в сознание». Система базальных ганглиев подключает автопилот, в котором необходимые пересадки и повороты уже собраны в нужный маршрут: он доведет куда нужно, даже если мы плохо соображаем из-за усталости или недосыпания. Эта же система формирует наши привычки – наборы стандартных действий, к которым мы прибегаем на автомате в типовых ситуациях. Такая автоматизация здорово экономит время и ресурсы и позволяет нам ежедневно выполнять множество стандартных вещей, освобождая внимание, чтобы можно было подумать о чем-нибудь постороннем [17].

Гиппокамп прячется глубоко внутри мозга, и до него не так-то просто добраться, чтобы как следует разглядеть. На рисунке на странице 175 в левом нижнем углу изображен вид головного мозга снизу; в левом полушарии все закрывающие гиппокамп отделы мозга, включая внешние слои височной коры, удалены, чтобы обнажить гиппокамп и расположенное чуть спереди и ближе к середине мозга миндалевидное тело. В правом полушарии темный сегмент показывает примерное расположение участка мозга, который удалили Генри Молисону в обоих полушариях. Сверху на рисунке, показывающем срез мозга, изображен гиппокамп и как он выглядит, если отделить его от окружающих тканей.

Карлу Лешли не повезло: гиппокамп снаружи не увидишь, он расположен с изнанки мозга и спрятан в подворотах височной доли. В поисках места, где формируются воспоминания, Лешли до гиппокампа так и не добрался.

Старая и новая кора отличаются по анатомическому строению и количеству слоев нейронов; кроме того, в старой коре гиппокампа преобладают нейроны, которые, единожды возбудившись, легко остаются в таком состоянии довольно длительное время. Поначалу их нелегко «пронять», и чтобы активировать такой нейрон, требуется сразу несколько сигналов, которые достигнут его практически одновременно. Зато, активировавшись единожды, эти нейроны надолго остаются в состоянии повышенной готовности и пропускают даже слабые сигналы, которые до этого проигнорировали бы. За счет этого они легко образуют контуры – внутри них сигнал может циркулировать очень долго, не затихая. Это явление называется долговременной потенциацией и играет важную роль в формировании памяти [7].

У участков коры в мозге, будь она старая или новая, есть своя специализация. Зрительная кора в затылочной доле занимается обработкой визуальной информации, слуховая кора в височной специализируется на звуковой. Сенсомоторная кора в теменной доле отвечает на прикосновения к той или иной части тела. Чем же занимается кора гиппокампа, спрятанная в изнанке височных долей?

Поначалу ответить на этот вопрос было непросто: к тому моменту ученые уже научились вживлять электроды в мозг животных, чтобы записывать активность нервных клеток, но только у обездвиженных животных. Такие записи работы мозга ничего не давали. Чтобы раскрыть загадку гиппокампа, пришлось ждать до 1970-х – именно тогда наконец были изобретены миниатюрные системы с чувствительными электродами, позволяющие записывать активность мозга, пока животное относительно свободно разгуливает по вольеру.

Когда ученые вживили такие чувствительные электроды в гиппокамп крысы, они не обнаружили ничего похожего на устройство записи воспоминаний. Перед ними была довольно совершенная система навигации [8]. Клетки гиппокампа отвечали на то, в какой точке пространства находилась крыса, причем каждая из клеток избирательно реагировала на определенный уголок пространства и замолкала, когда крыса оттуда уходила. Однако, если крысу переносили в новую клетку или вольер, те же клетки заново перераспределяли обязанности и зоны ответственности на новом месте, составляя новую карту местности (на английском языке этот процесс называется remapping – перекартирование).

Чем пристальнее и дольше ученые изучали гиппокамп и окружающие его зоны, тем больше любопытных подробностей открывалось. Например, оказалось, что, если крысу поместить в колесо и подкармливать каждые 15–20 секунд, но только если она все это время бежит в колесе, в гиппокампе обнаруживаются клетки, отсчитывающие время (в этом случае пространство для крысы никак не меняется).

А еще неподалеку от гиппокампа, в энторинальной коре, ученые нашли целое созвездие нейронов с разными специализациями, которые помогают ориентироваться в пространстве. Во-первых, там обнаружились нейроны решетки: они реагируют, когда животное пересекает узлы воображаемой координатной сетки, наложенной на локацию. У разных нейронов решетки такая виртуальная координатная сетка имеет разный масштаб, благодаря чему энторинальная кора может отслеживать как наши шатания по квартире, так и перемещения на десятки километров.

В какую бы сторону ни двигалось животное, нейроны решетки внутри энторинальной коры будут подавать сигналы через регулярные промежутки, отсчитывая пройденное расстояние с учетом направления движения. Кроме того, там же есть нейроны границы: пока животное перемещается по открытой части, они пассивны, но когда животное подходит к стене вольера или клетки, активируются. Там же есть нейроны скорости, следящие за тем, в каком темпе животное движется из точки A в точку B; нейроны положения головы, которые вносят поправку в навигационные маршруты, когда животное поворачивает голову вправо или влево.

В общем, в гиппокампе и по соседству с ним располагается мощнейший навигационный аппарат, который постоянно мониторит, где находится животное, куда и с какой скоростью направляется, сколько времени прошло и т. п. Отслеживая все перемещения животного, она помогает ему сориентироваться и найти дорогу/составить маршрут из одного места в другое.

Гиппокамп работает в связке с несколькими соседними отделами мозга, включая энторинальную кору. Нейроны места в гиппокампе и нейроны решетки, границы и еще несколько типов клеток отслеживают перемещения крысы по вольеру. Чтобы понять, чем занимается нейрон, ученые накладывают периоды активности нейрона (темные пятна) на карту перемещений животного (серые линии). Таким образом можно получить рецептивное поле для каждого отдельного нейрона, который находится возле контакта электрода в мозге крысы.

Итак, в поисках памяти ученые нашли в гиппокампе сложно устроенную навигационную систему. А как же воспоминания? Когда удалось провести более сложные эксперименты с одновременной записью работы гиппокампа, выяснилось, что в него попадает не только информация о месте, где находится животное, туда же сходятся все остальные данные, помогающие ориентироваться животному и важные в той или иной ситуации. Если крыс обучали перемещаться по вольеру по запаховым меткам в поисках спрятанных приманок, то в гиппокампе обнаруживалась информация о запахах. Зрительные, слуховые и тактильные сигналы, помогающие животному сориентироваться, достигали гиппокампа и влияли на активность его нейронов [8].

По большому счету, навигация и способность сориентироваться на местности, чтобы найти еду, питье или укрытие, избежав при этом встречи с голодными хищниками и любыми другими неприятностями, – это очень важно. Из этого и состоит подавляющая часть жизни обычной зверушки, и иметь мозг, способный оперативно составить карту местности и привязать к ней самые значимые стимулы – все источники благ и угроз, которые встречаются в твоей среде обитания, – это очень разумно и полезно. Этим как раз и занимается гиппокамп, отслеживая перемещения своего хозяина в знакомых местах или составляя план незнакомой местности на будущее: мало ли, вдруг пригодится. Гиппокамп отслеживает наши действия и перемещения, а также то, что в этот момент происходит вокруг, – это и есть ткань воспоминаний, которые мы потом пересказываем друг другу. Все истории, которыми люди делятся друг с другом, те, что легли в основу литературы, театра и кинематографа, состоят из событий, которые происходят с героями: кто куда пошел, с кем встретился, что там сделал и сказал и что из-за этого вышло.

Оказываясь в незнакомом месте, человек сначала мыслит маршрутами. Переехав в незнакомый район или другой город, он первым делом запоминает путь до ближайшей остановки общественного транспорта, в магазин и обратно, из дома на работу, до ближайшей аптеки, парикмахерской, до кафе неподалеку от дома. Однако по мере того как район становится все более знакомым, из отдельных маршрутов начинает формироваться карта: теперь уже не надо идти от автобуса домой и только оттуда в магазин; можно срезать и сразу пройти к магазину через дворы. Иногда, наоборот, есть время и настроение прогуляться, и мы выходим из автобуса раньше, чтобы дорога до дома была длиннее, или идем к дому широкой петлей через парк или сквер. Теперь вместо набора маршрутов у нас в голове есть карта района, где мы живем: она не требует специальной последовательности поворотов, чтобы дойти из точки А в точку Б, можно перемещаться по ней как угодно, прекрасно понимая, где мы находимся в каждый момент времени и где относительно нас находятся все остальные точки притяжения (дом, остановка, сквер, магазин и т. п.).

И это касается не только тех карт, о которых шла речь выше. Гиппокамп умеет создавать когнитивные карты, увязывая вместе элементы разных событий и вычленяя общие связи и закономерности [9]. Скорее всего, именно таким образом на основе эпизодических воспоминаний формируются знания, которые составляют семантическую память: вычленяются важные повторяющиеся паттерны/связки в информации, с которой мы сталкиваемся день за днем [10]. Если я переезжаю на улицу Ленина – это эпизодическое воспоминание, но вот проходит неделя или месяц, и теперь в моей семантической памяти появляется новый факт: теперь я живу на улице Ленина. Или я люблю фильмы о дикой природе и читаю книги Джеральда Даррелла[39], регулярно хожу в зоопарк и биологические музеи, и знание о том, что слоны живут в Африке и Индии, белые медведи – в Арктике, а пингвины – в Антарктиде, спустя какое-то время кажется мне самоочевидным. Обстоятельства каждого из отдельных эпизодов чтения книг и просмотра фильмов стираются, остается только то общее, что дополняет нашу картину мира новыми знаниями и фактами.

У любого воспоминания в нашей памяти есть свой жизненный цикл. Перед тем как стать воспоминанием, информация поначалу поступает в мозг в виде опыта, полученного нами в ощущениях, затем обрабатывается сенсорными системами мозга и уже оттуда попадает в гиппокамп.

На первом этапе формирования памяти поступающая информация кодируется внутри гиппокампа в памятный след [14]. Разрозненные элементы происходящего соединяются в объединенное представление, отдельные люди, их реплики и действия, звуки, объекты и запахи составляются в цельный эпизод, который хранится в гиппокампе и связанных с ним отделах. Затем памятный след проходит этап консолидации – с течением времени некоторые детали стираются из памяти, остальное прочнее закрепляется в сети воспоминаний.

Наиболее яркие и значимые воспоминания могут оставаться с нами на долгие десятилетия или даже на всю жизнь. Некоторым воспоминаниям уготована другая судьба – самые важные их элементы утратят связь со временем и местом и станут частью сети наших знаний и представлений, переместившись из эпизодической памяти в семантическую.

Воспоминания не любят храниться без дела – от этого они слабеют, теряют точность и постепенно забываются. В памяти выживают и надолго остаются только те, которыми мы регулярно пользуемся, то и дело извлекая из памяти и активируя памятный след. Те воспоминания, которые мы не используем, постепенно стираются из памяти и в какой-то момент могут бесследно исчезнуть – этот процесс, как нетрудно догадаться, называется забыванием.

На этапе кодирования из разрозненных впечатлений формируется общий памятный след – впоследствии он может исчезнуть или глубоко впечататься в память. Чтобы такой след мог сформироваться, первоначально вся воспринимаемая информация, поступающая от органов чувств, преобразуется во внутреннее представление, которое мы пытаемся каким-то образом интерпретировать и осмыслить. На этом этапе к памятному следу иногда подключаются элементы того, что мы уже знали до этого, если они имеют отношение к нашим нынешним намерениям и переживаниям. Затем такое внутреннее представление преобразуется в устойчивый след, который позволяет первичному впечатлению всплыть на поверхность сознания в любой момент, когда это понадобится, – формируется энграмма [14].

Пациенты с повреждениями в обеих височных долях, которые, как и Генри Молисон, страдают от антероградной амнезии и не могут запоминать информацию, могут при этом активно участвовать в беседе и приводить аргументы или рассказывать истории, имеющие отношение к теме разговора. То есть первая стадия кодирования воспоминания – формирование памятного следа с включением элементов прошлого опыта – у них проходит вполне нормально. Но устойчивости такой памятный след так и не приобретает: едва целостное представление о предмете текущего разговора перестает быть активным и выпадает из сознания, оно тут же исчезает, не закрепляясь внутри поврежденной сети гиппокампа.

Однако и у здоровых людей не вся информация, которая попадает в гиппокамп, становится впоследствии воспоминанием.

Как мозг проводит процесс отбора и решает, какую информацию стоит запомнить, а что можно предать забвению? Существуют факторы, которые могут повлиять на то, впечатается ли наш новый опыт в память или нет.

Во-первых, мы гораздо лучше запоминаем информацию, которая хорошо согласуется со знаниями и фактами, которые уже хранятся в нашей голове [12]. Если человек придерживается научной картины мира, он вряд ли запомнит обстоятельства, которые не очень-то согласуются с его взглядами, и, наоборот, мистик будет игнорировать научные объяснения тех фактов, которые представляются ему Провидением или знаками Вселенной. Если мы искренне восхищаемся человеком, то, скорее всего, пропустим информацию, что он повел себя нетактично в какой-то ситуации, но если этот тип давно нам не нравился, его некрасивый поступок станет неопровержимым подтверждением подозрений и наверняка отложится в памяти. Информация, которая хорошо согласуется с тем, что мы считаем верным, легко встраивается в уже существующие в нашей голове схемы и становятся еще одним доводом в пользу правоты и правильности того, что мы понимаем о мире.

Кроме того, люди гораздо лучше запоминают эмоционально окрашенные события – неважно, приятные или тяжелые чувства будут связаны с воспоминанием. Эмоции – один из лучших индикаторов важности происходящего. То, что вызывает бурю эмоций, скорее всего, может здорово повлиять на нашу жизнь, поэтому такая информация играет особую роль и прочно врезается в память. При этом мы не только лучше запоминаем сам факт произошедшего: такие воспоминания содержат больше подробностей, включая нейтральные (например, цвет футболки, человека, который нас обидел, или что было изображено на плакате за его спиной).

Эмоции вызывают выброс нейромедиатора норадреналина, который активирует миндалевидное тело [15]. Миндалина – это один из главных эмоциональных центров нашего мозга, она находится в непосредственной близости от гиппокампа. Такое соседство вряд ли случайно.

Еще один важный фактор, облегчающий запоминание, – новизна. В новой обстановке люди лучше усваивают материал, который необходимо запомнить. Вероятно, новизна создает временное окно, когда обучение происходит более эффективно, – вполне возможно, что не последнюю роль здесь играет дофамин, выделяющийся в ответ на новизну [12].

Когда мы активно получаем новые впечатления, они укладываются в отдельные памятные следы, которые поддерживаются в гиппокампе в основном за счет изменения активности в уже существующих сетях нервных клеток. Затем наступает стадия консолидации – связи между нервными клетками, где хранятся отдельные элементы памятного следа, перестраиваются и укрепляются. Теперь запоминание полагается не только на электрическую активность, которая может в любой момент исчезнуть. Во время консолидации изменения становятся физическими: на мембране нейронов появляются новые рецепторы к сигнальным веществам, образуются новые синапсы между нейронами (или, наоборот, исчезают уже существовавшие синапсы), новые нейроны встраиваются в существующие нейронные сети и меняют их работу [16].

Закрепление воспоминания чаще всего совершается во сне, но может происходить и просто во время перерывов от активной деятельности, когда мы расслабляемся и отдыхаем. Во время консолидации из памятного следа пропадают мелкие детали, отсеивается лишнее, и только самое важное, что было в определенном эпизоде, попадает на долгое хранение.

Сон – один из самых эффективных способов закрепить в памяти нужную информацию. Когда мы спим, ничто не мешает процессу, лежащему в основе консолидации памяти, – проигрыванию нейронной активности в гиппокампе [17]. Фактически во сне гиппокамп воспроизводит активность, которая проявлялась в нем, пока мозг учился чему-то новому.

Как всегда, пронаблюдать этот процесс вживую ученые смогли в исследованиях на животных. Крыс обучают ориентироваться в лабиринте, одновременно записывая активность клеток гиппокампа, отслеживающих перемещения животного. Чтобы крыса могла как следует запомнить правильный путь в лабиринте, ей нужно поспать. Пока крыса спит, мозг меняет соединения между нейронами, закрепляя выученный материал в памяти; при этом в гиппокампе регистрируется та же активность, что и в момент обучения наяву, только в более быстром темпе. Если разбудить крысу, когда гиппокамп занят проигрыванием событий или заблокировать эту активность, крыса не выучит маршрут в лабиринте и будет справляться с задачей хуже, чем напарницы, которым дали выспаться, не вмешиваясь в работу мозга. Такое проигрывание активности в гиппокампе активирует всю сеть нейронов, формирующих памятный след, в том числе за пределами системы гиппокампа, постепенно усиливая связи между нейронами, образующими энграмму [18].

По мере того как память консолидируется, активность гиппокампа становится все менее важной; воспоминание постепенно «переезжает на постоянное место жительства» в разные отделы коры больших полушарий. Благодаря этому перемещению из гиппокампа в новую кору воспоминания, которые сформировались достаточно давно, уже не зависят от гиппокампа и сохраняются даже в том случае, когда он поврежден или вообще вырезан из мозга, как произошло в случае Генри Молисона. Семантическая часть воспоминания (отвечающая на вопрос «ЧТО», очищенный от «ГДЕ» и «КОГДА») встраивается в сеть наших знаний, которую формируют связанные между собой идеи и факты.

Жизненный цикл воспоминания в мозге: свежие воспоминания собирает воедино гиппокамп, а старые не зависят от его активности

Когда люди играют в ассоциации, они мысленно перемещаются по узлам этой сети от одной точки к соседней, и подчас маршруты получаются весьма причудливыми: некоторые объекты и идеи в нашей голове связаны очень нетривиальным образом. Однако большинство людей, особенно если их объединяют общая культура и занятия, назовут очень похожие ассоциации к определенному слову. Люди очень похожи друг на друга – благодаря этому мы легко находим общий язык, понимая собеседников с полуслова.

Нельзя сказать, что извлечение воспоминаний из памяти – это простой пассивный процесс. Каждый раз, когда нам нужно что-то вспомнить, мы заново воссоздаем воспоминание из отдельных элементов памятного следа, которые могут храниться в самых разных уголках коры головного мозга.

Всякий раз, когда мы обращаемся к информации, хранящейся в памяти, памятный след усиливается и связи между отдельными нейронами внутри энграммы укрепляются. Один из эффективных способов лучше запомнить какую-то информацию – время от времени проверять себя и свою память, стараясь не упускать важных деталей (или делать перерывы в обучении, возвращаясь к материалу день за днем или даже с перерывом в несколько дней – это работает по тому же принципу).

Извлекая воспоминания, мы опираемся на контекст, в котором это происходит. Одну и ту же историю мы совершенно по-разному расскажем маме, начальнику и закадычному другу: отличаться могут не только акценты и стиль повествования – в зависимости от ситуации могут пропадать и появляться отдельные элементы воспоминания.

Файлы занимают определенное место на жестком диске, имеют фиксированный размер и расширение. Где бы и когда бы мы ни открыли файл, он будет одним и тем же (конечно, если есть подходящая программа, которая умеет его читать). С воспоминаниями не так: мы храним их как сеть разрозненных деталей и каждый раз, когда нужно что-то вспомнить, заново реконструируем события, собирая в основном те части, которые нужны сейчас. Скажем, если нужно рассказать мастеру о поломке телефона, человек скорее будет концентрироваться на технических деталях, которые помогут понять, что же произошло; рассказывая о проблемах с телефоном друзьям – описывать свои эмоции или то, как сломанный телефон перечеркнул все рабочие дела или планы на выходные.

При извлечении воспоминаний другую роль играет и контекст ситуации: нам легче вспомнить то, что хотя бы частично воспроизводит обстоятельства, в которых мы эту информацию запоминали. Места, запахи, образы, звуки, настроение – любая из деталей может помочь пробудить воспоминание к жизни. Мозг активно использует такие подсказки при работе с воспоминаниями, и в этом определенно есть смысл: если что-то произошло в каком-то месте или при встрече с некоторыми людьми, вполне вероятно, что в будущем случится нечто похожее, и учитывать прошлый опыт в такой ситуации не помешает. Эту способность извлекать все воспоминание целиком по любому из элементов памятного следа обеспечивает гиппокамп – он удерживает связи между отдельными кусочками внутри воспоминания [19].

Как определяется контекст? Благодаря работе медиальной префронтальной коры (мПФК), тесно связанной с гиппокампом: она напрямую получает оттуда информацию и отправляет сигналы обратно. Взаимоотношения в паре мПФК – гиппокамп можно объяснить с помощью метафоры железнодорожного сообщения. Гиппокамп отвечает за формирование и хранение отдельных воспоминаний, укладывая рельсы, которые могут перенести нас в прошлое, к событиям конкретного эпизода; мПФК способна переводить стрелки между многими путями, пересекающими ландшафт нашей памяти.

Медиальная ПФК улавливает и отбирает определенные аспекты нашего опыта, которые формируют контекст, объединяющий некоторые ситуации: одни и те же участники событий, общее место или время или же набор правил, которым можно руководствоваться при принятии решений [20]. Таким образом обеспечивается стратегический контроль при извлечении воспоминаний, определяющий, что конкретно может пригодиться прямо сейчас с учетом наших намерений и того, как мы воспринимаем ситуацию. Гиппокамп способен извлекать воспоминания самостоятельно, без участия мПФК, но именно последняя обеспечивает избирательное извлечение воспоминаний, соответствующих ситуации.

Тесные двусторонние связи обеспечивают плотный обмен информацией между гиппокампом и мПФК, выделяя в повседневных событиях похожие сценарии, происходящие при известных обстоятельствах. Благодаря этому в мПФК формируются некие правила, которыми мы чаще всего руководствуемся в определенном контексте. Как только мы попадаем в такой контекст – дом, рабочее место или магазин, – гиппокамп отправляет информацию в мПФК, которая определяет режим действий в знакомой ситуации, подавляя другие воспоминания и режимы действия, не соответствующие контексту. Благодаря этому мы обычно легко собираем в корзину стандартный набор регулярно покупаемых продуктов, но почти наверняка забудем о батарейках или лампочке, которые обновляются не чаще раза в полугодие. Редко приобретаемые товары просто не попадают в привычный контекст и алгоритм действий в магазине.

Стресс – еще один фактор, влияющий на извлечение воспоминаний. Когда сильно нервничаешь, сложно вспомнить то, что вообще-то хорошо знаешь, причем это касается не только людей, но и крыс [15].

Если в эксперименте исследователи заставляют крыс нервничать, те хуже справляются с выученными задачами – им трудно вспомнить правильную последовательность действий. Происходит это потому, что активированная миндалина мешает нормальной работе гиппокампа: если ее активность заблокировать, проблемы с памятью исчезают (по крайней мере, у крыс). В таком случае эффект стресса временный: когда мы успокаиваемся, память перестает подводить и можно снова нормально ею пользоваться (хоть это и слабое утешение для тех, кто боится экзаменов, публичных выступлений и собеседований, где как раз требуется быстро вспоминать то, что сейчас нужно сказать).

Каждый раз, когда мы редактируем файл на компьютере, в системе появляется отметка о том, когда были внесены последние изменения. С воспоминаниями, конечно, опять все иначе: они могут меняться незаметно для человека. Этот процесс называется реконсолидацией.

Вспоминая информацию, мы заново реконструируем ее из отдельных элементов, хранящихся в разных уголках нашего мозга. Что получится на выходе, зависит в том числе и от того, в каких условиях и с какой целью нам приходится вспоминать информацию. В момент активации энграмма, которая лежит в основе воспоминания, может видоизменяться, теряя старые элементы или включая в себя новые. Когда извлечение воспоминания совпадает с другими событиями, посторонняя информация нередко встраивается в существующее воспоминание. В результате оно обрастает чужеродными элементами, которых не было в исходном эпизоде. Мы не так часто обращаем на это внимание, перебирая собственные воспоминания, но иногда такое можно заметить у других людей, когда история, случившаяся с рассказчиком, постепенно превращается в байку, обрастая все новыми невероятными подробностями.

Процесс реконсолидации, по-видимому, лежит и в основе ложных воспоминаний: когда человек конструирует воспоминание о событии, которого в реальности не было. Если постараться, вызвать ложные воспоминания не так уж сложно: в зависимости от того, как проводить эксперимент, от четверти до половины людей можно убедить в том, что в их детстве было событие, которого на самом деле никогда не случалось [21, 22].

Большинство воспоминаний задерживаются в нашей памяти ненадолго и вскоре исчезают. Раньше считалось, что забывание – это скорее пассивный процесс: время постепенно стирает памятный след, разрушая связи между отдельными клетками, формирующими энграмму. Однако оказалось, что в мозге активно идут процессы, ускоряющие забывание, – если их отключить, воспоминания сохраняются значительно дольше [16].

Поначалу мозг не знает, какая информация важна, а какая нет, поэтому на первых порах он сохраняет ее как можно больше, но затем большую часть забывает. Забывание работает как фильтр, отсеивая информацию, которая оказалась неважной (или показалась таковой нашей психике – внутри мозга работает своя внутренняя логика организации всех процессов, она оттачивалась в процессе эволюции и направлена прежде всего на то, чтобы избегать угроз и получать ресурсы, обеспечивающие процветание нам и ближайшим сородичам).

Когда контакт между двумя нейронами не активен, он вскоре исчезает – для этого внутри нейронов есть специальные белки, разрушающие молчащие синапсы. Если искусственным образом заблокировать работу этих белков, мыши будут сохранять воспоминания намного дольше. Если, наоборот, усилить работу этой системы, мышь будет почти сразу забывать то, что выучила.

Другой механизм забывания – нейрогенез, то есть образование новых нейронов в мозге. С одной стороны, он важен для сохранения новых воспоминаний; однако новые нейроны снижают стабильность старых, уже сформированных. Новые нейроны встраиваются в существующую сеть и нарушают работу старых энграмм. При этом сильнее всего повреждаются свежие воспоминания, а старые не так подвержены разрушению. Вероятно, это происходит потому, что более старые воспоминания перемещаются из гиппокампа в новую кору на долговременное хранение, где их не так-то просто потревожить. Нейрогенез проявляет свой эффект намного медленнее, чем белки, разрушающие синапсы: требуется по крайней мере несколько недель, чтобы вновь образованные нейроны проросли в существующие, но неактивные энграммы, нарушив извлечение воспоминаний.

Что происходит с информацией, которую мы какое-то время помнили, а потом забыли? По-видимому, она не исчезает бесследно, и какие-то ее фрагменты остаются в нервной ткани не доступными для извлечения. Однако люди и животные гораздо быстрее выучивают материал, который учили когда-либо до этого: энграмма словно занимает уже знакомое, но опустевшее место. Возможно, когда что-то забываем, мы просто теряем ключи доступа к информации, которая в каком-то виде продолжает храниться в нейронной сети [23].

Что происходит, когда мы ничем не заняты? На первый взгляд, ничего особенного. Примерно как в детском стишке: «Кто на лавочке сидел, кто на улицу глядел, Толя пел, Борис молчал, Николай ногой качал». Ничего особенного не происходит – ни снаружи, ни внутри. Что интересного может быть в таком необычно простом вопросе и ответе на него?

Оказывается, и в самом вопросе, и в ответе кроется много любопытного. Так часто бывает в науке. До XIX века никто не задавался вопросом о том, почему параллельные прямые не пересекаются и сколько их проходит через точку в пространстве: математики не сомневались, что только одна. А в XIX веке Николай Лобачевский задумался, так ли уж однозначен ответ на этот вопрос, и создал первую неевклидову геометрию. Точно так же ответ на вопрос о том, что происходит в мозге, когда человек ничем не занят и предоставлен сам себе, открывает новое измерение в работе нашего мозга – существование разных функциональных сетей и режимов работы мозга. Но обо всем по порядку.

Начнем с вопроса. Вообще говоря, вопрос о занятиях мозга, когда он ничем не занят, только на первый взгляд кажется простым. Такие, казалось бы, тривиальные вопросы часто имеют схожую судьбу: до поры до времени их никто не задает, а потом находится ученый, который вдруг всерьез интересуется тем, что стоит за таким вопросом. Так ли уж верны наши текущие представления об устройстве вещей? Что, если ответ на вопрос не так прост, как кажется? Так было со многими важнейшими научными теориями – теорией эволюции Дарвина, геометрией Лобачевского, с теорией относительности Эйнштейна. Ответ на вопрос о занятиях мозга положил начало удивительным открытиям, и вполне возможно, что многое еще только предстоит открыть.

В древности люди описывали устройство человека, руководствуясь гончарным ремеслом (и библейскими текстами): человек создан богом из глины, и от глины его отличает душа, или дух, который и есть основа нашей личности и психики. С появлением первых гидравлических механизмов появилась теория о том, что поведением человека управляют гуморальные жидкости, определяющие его темперамент (наверное, выражение «моча в голову ударила» дошло до нас как раз из тех времен). Когда люди придумали паровые машины, возобладала новая идея: мозг устроен как сложный поршневой механизм, в котором поршни и пружины приводят в действие мышцы, – таким образом мозг реагирует на те или иные воздействия. В середине XIX века Герман фон Гельмгольц[43] сравнил работу мозга с работой телеграфа – новейшего изобретения той эпохи, позволяющего людям передавать сообщения на сотни километров за считаные минуты. Когда люди разработали первые компьютеры – мощные вычислительные машины, способные проводить расчеты, выполнять различные программы, записывать и хранить нужные файлы на жестком диске, – возникла и быстро стала популярной новая метафора устройства мозга: мозг – это очень сложный (и миниатюрный) компьютер.

Эта метафора завоевала умы ученых: большинство современных проблем работы мозга описываются в тех же терминах, применимых и в информатике. Как происходит обработка сигналов? Как мозг кодирует информацию? Где и в каком виде хранятся воспоминания – как они формируются и извлекаются из памяти? Какова емкость кратковременной и долговременной памяти?

Каждая из метафор работы мозга, приходивших на смену друг другу, отражает самые передовые технологии, которые были доступны человечеству. Однако любая из них исключает вопрос о том, что происходит с мозгом, когда он ничем не занят: ни гидравлический аппарат, ни механизм, ни телеграф, ни компьютер не имеют никакой особой внутренней деятельности; вся их активность сводится к тому, что необходимо для решения той или иной задачи, а все остальное время любой из этих приборов просто простаивает без дела, безжизненный, пассивный и пустой.

Нейробиологи и психологи по-разному смотрят на то, что и каким образом можно изучать в голове человека. Психологи изучают психику – то есть внутренний мир человека, его мысли, чувства и установки. Нейробиологи смотрят на устройство внутреннего мира человека в основном с материалистических позиций: за какие процессы отвечают отдельные зоны мозга, что в них происходит и как это можно проверить. Тем не менее мозг и психика настолько сложно устроены, что невозможно изучать сразу все, что там происходит, – приходится выбирать что-то одно, чтобы разобраться в деталях происходящего и хоть что-нибудь понять.

Когда мы ищем ответ на вопрос, чем занят мозг, проблема кроется не только в метафорах. Сами по себе исследования мозга – очень непростое занятие, можно сказать, целое искусство. В самом деле, каким образом можно подступиться к тому, как работает мозг, имея не слишком-то продвинутые инструменты, а именно такими располагали ученые на протяжении почти всего XX века[44].

Если говорить об исследованиях работы мозга у здоровых людей, то до 70-х годов ХХ века чуть ли не единственным методом изучения оставалась электроэнцефалограмма – запись слабых электрических токов с поверхности головы. Запись электроэнцефалограммы для неспециалиста выглядит довольно запутанно: это множество хаотических колебаний разной амплитуды, где мелкая рябь высокочастотных вибраций располагается на поверхности все более крупных низкочастотных волн. Она напоминает скорее шум, чем осмысленные сигналы, и в ней невозможно различить активность отдельных нейронов – только больших и слаженно работающих популяций. На ЭЭГ мы видим какофонию из множества одновременных сигналов и можем распознать только очень заметные события, затрагивающие тысячи клеток, расположенных рядом друг с другом и вблизи поверхности мозга. То есть, чтобы что-то различить на ЭЭГ, нужно, чтобы одновременно выполнялось несколько важных условий – вся остальная активность в мозге скрыта от исследователя, изучающего ЭЭГ.

Скажем, мы хотим узнать, как прослушивание музыки влияет на ЭЭГ. Для этого недостаточно записать электрическую активность с поверхности головы, пока играет музыка: мозг – орган с очень насыщенной внутренней жизнью, и даже очень заметные внешние стимулы влияют на его электрическую активность лишь в незначительной степени. Сигналы, регистрируемые с поверхности мозга, будут связаны не только с музыкой: в мозге одновременно происходит множество самых разнообразных процессов – некоторые из них, похоже, генерируются самой нервной системой независимо от внешних сигналов.

Чтобы выяснить, каким образом именно прослушивание музыки влияет на ЭЭГ, мы можем применить два подхода: либо сравнить записи ЭЭГ у одного человека в тишине и пока играет музыка, либо записать ЭЭГ у множества людей, которые слушают одну и ту же композицию, и усреднить их. В идеале стоит применить оба подхода и записать ЭЭГ многих людей – в тишине и когда играет музыка. В обоих случаях мы пытаемся изолировать эффект музыки от всей остальной активности на ЭЭГ, которая нам в этот раз не важна и которой мы пренебрегаем. Если мы исследуем, как музыка влияет на работу мозга, нам не важно, что еще происходит в мозге помимо восприятия музыки, поэтому берем две группы записей ЭЭГ и просто ищем отличия между ними, а все остальные сигналы на записи относим к бессмысленному (для нашей задачи) шуму, от которого лучше избавиться.

Такой подход к изучению активности мозга оказался очень продуктивным: было описано множество вызванных потенциалов – специфических изменений в ЭЭГ в ответ на различные стимулы. Такие потенциалы возникают в ответ на зрительные, слуховые или тактильные стимулы и могут многое рассказать специалисту – например, о нарушениях работы мозга. А еще оказалось, что существуют потенциалы, возникающие за секунду до того, как человек начнет двигаться – они регистрируются еще перед тем, как человек решил выполнить движение, – и это породило ожесточенные дискуссии о том, есть ли у человека свобода воли. Есть и специфические потенциалы, связанные с мыслительными процессами: например, исследователь может увидеть изменения на ЭЭГ, когда человек осознал ошибку или когда его ожидания были нарушены (скажем, он ожидал, что загорится зеленая лампочка, а загорелась красная или синяя).

Проблема в том, что всей остальной активностью на ЭЭГ в этом случае мы просто пренебрегаем. Задача отчасти напоминает игру «Найди десять отличий» – вот только ученые ищут значимый сигнал, как бы накладывая одно изображение на другое и пытаясь отыскать те участки, где линии не совпадают. При этом ученые, конечно же, работают не с картинками, а со сложными данными, которые еще требуют интерпретации: представьте, что перед вами не сама картинка, а компьютерный код, где каким-то (непонятным нам) образом закодировано цветовое значение каждого пикселя. Чтобы обнаружить, что изменилось от файла 1 к файлу 2, мы просто пренебрегаем всей той информацией, которая совпадает между двумя файлами, и смотрим только на те данные, где между ними есть отличия. Мы не знаем, что на картинке, а просто ищем участки записи, связанные с нашим экспериментом, которые меняются при изменении условий (громкость музыки, темп, жанр и т. п.). Ученые нечасто задумываются о том, что осталось за бортом в результате кропотливого поиска отличий между состояниями: в рутинной деятельности исследователя, озабоченного отличиями, все остальные данные – всего лишь шум, который надо отфильтровать, чтобы найти значимую информацию – несовпадения в данных.

Когда мы очень увлечены мелочами, нам довольно тяжело ухватить общую картину и составить целостное впечатление: работа нейробиолога в основном состоит в поиске и описании таких мелочей. В итоге многие ученые придерживаются позиции, что все, что нельзя интерпретировать в контексте различий, – это не более чем бессмысленный шум. Получается как у кошки из стихов Маршака[45]: все, кроме мышки на ковре, проходит мимо внимания, даже если ты оказываешься в королевских чертогах – все остальное просто не соответствует жизненному опыту, взглядам и имеющимся инструментам, с помощью которых взаимодействует с миром кошка (или нейробиолог).

С приходом и развитием томографии появилась возможность заглянуть внутрь черепа и увидеть наконец мозг живого (и здорового) человека. Впервые в распоряжении ученых появился метод, с помощью которого можно разглядеть отдельные борозды и извилины, волокна и скопления серого вещества глубоко внутри головного мозга, и все это не требовало проведения опасных хирургических манипуляций для вскрытия черепной коробки и рассечения нервных тканей.

Вслед за магнитно-резонансной томографией (МРТ), позволяющей получать четкие трехмерные изображения структур головного мозга, появилась ее модификация – функциональная МРТ (фМРТ), которая оценивает, насколько меняется кровоток в разных участках мозга прямо в процессе восприятия и мышления. Когда какой-либо участок мозга активно работает, расположенные там нейроны потребляют много кислорода и нуждаются в активном кровоснабжении. Технология фМРТ позволяет оценить, как меняется насыщение крови кислородом, и таким образом сравнить изменение активности отдельных зон мозга, когда человеку дают разные задания, которые можно выполнить, лежа в томографе. Наконец-то ученые могли (почти вживую) наблюдать за тем, что происходит в мозге здорового человека, и отслеживать, как разгорается и гаснет активность в разных зонах мозга, пока человек в томографе смотрит на картинки, слушает музыку, проводит вычисления в уме или пытается припомнить, что ел вчера на завтрак.

Первые экспериментаторы, использующие фМРТ для изучения работы мозга, исходили из подхода чистой прибавки [2]. В основе лежит довольно простая идея: любую деятельность мозга можно описать как вызванную активность, которая будет заметно выделяться на фоне постоянно идущей базовой активности. Фактически ученые представляли базовый уровень как нечто похожее на режим ожидания, от которого можно «отмерять» интересующие ученых мыслительные процессы.

Далее из концепции чистой прибавки следует, что если мы сталкиваемся с какой-то задачей, то дополнительно к базовому уровню мозг подключает отделы, отвечающие за тот или иной процесс в мозге. В зависимости от типа задачи мозг задействует разные компоненты нервной деятельности – зрительные или слуховые зоны, ресурсы рабочей памяти, способности к пространственному, логическому или абстрактному мышлению и т. п. – все зависит от того, из каких компонентов состоит задача.

Общая томографическая картина работающего мозга при таком подходе напоминает пиццу по индивидуальному рецепту: то, что вы получите, складывается из обязательной основы (лепешка и томатный соус) и дополнительных ингредиентов, каждый из которых добавляет какие-то оттенки вкуса готовой пицце (и прибавляется к итоговой сумме заказа). Концепция чистой прибавки говорит, что любой мыслительный процесс можно разложить на отдельные ингредиенты.

Где-то нейроны оценивают форму объекта, в отделах по соседству определяют цвет фигуры, неподалеку прикидывают, движется фигура или нет, при этом отдельно оценивают поворот вокруг своей оси, отдельно – перемещение объекта относительно фона. Чтобы понять, какие участки мозга подключены, нужно просто сравнить фоновую активность (основу) с активностью в ответ на задание (ингредиенты поверх основы) и затем вычесть одно из другого.

Если нужно выделить в задаче один-единственный компонент, мы сравниваем две задачи – они должны быть идентичны во всем, кроме этого компонента. Скажем, мы хотим понять, где в мозге происходит различение цветов. Тогда в первой задаче человеку говорят нажимать на кнопку, когда зажжется лампочка, а во второй просят нажать, только если загорается лампочка зеленого света. Различия на двух томограммах можно отнести на счет различения цветов. Предполагается, что, добавляя к задаче один новый компонент, мы точно так же добавляем к работе мозга один новый компонент, ничего больше не меняя; мозг решает обе задачи одинаково, за исключением нюанса с цветом лампочки. Таким образом, контроль в фМРТ-исследованиях представлял собой точно такую же задачу с одним-единственным отличием. О том, что происходит в мозге, когда он не решает никакую задачу, исследователи задумывались редко.

Наглядное изображение того, сколько энергии тратит мозг в состоянии покоя

Все изменилось в самом начале XXI века. Маркус Рэйкл стал одним из первооткрывателей и исследователей особого режима работы мозга. В лаборатории, где он работал, перед контрольной задачей всегда записывали активность мозга в состоянии покоя: это пошло еще с тех времен, когда там анализировали реакции мозга на простейшие стимулы вроде геометрических фигур или вспышек света. Контролем в этом случае было просто отсутствие всякого стимула. Так и повелось, что исследователи обязательно регистрировали работу мозга волонтеров, пока они лежали, ожидая начала эксперимента [3].

Когда исследователи начали сравнивать томограммы, полученные в покое и с различными заданиями, неожиданно оказалось, что нет никакого базового уровня, на который можно наложить активность в отделах мозга. Какую бы задачу ни брали ученые, в воображаемой основе обнаруживалось несколько «дырок» – всегда в одних и тех же местах. Это никак не укладывалось в рамки концепции чистой прибавки и возмутительным образом нарушало то, как ученые представляли себе работу мозга. Не важно, какое это было задание – зрительное, слуховое, на слова, на внимание, на арифметические расчеты, – в мозге всегда находились одни и те же зоны, которые отключались, а не подключались, стоило волонтеру переключиться на задание. «Дырки» на томограмме означали и прорехи в существующих научных знаниях о работе 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.

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.

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.

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].

Считается, что дефолт-система активна, когда человек погружен в себя. Если в ней наблюдается высокая активность, человеку проще вспоминать эпизоды своей биографии, но он хуже запоминает, что с ним происходит в этот конкретный момент. Некоторые ученые считают, что работа дефолт-системы мешает как следует сосредоточиться на задаче и ухудшает производительность труда, но в более широком контексте ее работа может быть очень полезна.

Люди погружаются в собственные мысли с поразительной частотой и постоянством. В одном из экспериментов добровольцы получали уведомления в случайные моменты времени; каждый раз им требовалось отметить, чем они сейчас заняты. Оказалось, что 30–50 % времени люди посвящают размышлениям, не связанным с их текущими занятиями. Мы постоянно отвлекаемся на собственные мысли и обычно недооцениваем время, которое на это уходит.

О чем же думают участники таких исследований? Обычно это то, что прямо сейчас имеет большое значение для них лично или же предметные мысли о собственном прошлом и будущем. Возможно, такие размышления помогают людям конструировать и проигрывать альтернативные сценарии своей жизни, пересматривать планы и (морально) готовиться к тем событиям, которые предстоят в ближайшем (или отдаленном) будущем. Вероятно также, что, размышляя о событиях текущего дня, мы помогаем мозгу выделить главное и структурировать информацию так, чтобы уложить в памяти наиболее значимые для нас события.

В опытах на животных выяснилось, что во время отдыха они проигрывают активность нейронов гиппокампа, которые помогают животному сориентироваться в лабиринте, и это позволяет крысам правильно выбирать направления в последующих испытаниях.

Некоторые исследователи видят пользу от работы дефолт-системы в гораздо более простых вещах: вполне возможно, что, отвлекаясь от насущной деятельности, человек подключает креативное мышление или может спланировать, чем будет заниматься дальше. Когда человеку предстоит решать сразу несколько задач, переключение внимания между ними может происходить через активность дефолт-системы. Кроме того, отвлекаясь, мы иногда просто спасаем себя от скуки. Чем скучнее занятие, тем чаще мы отвлекаемся на собственные мысли, при этом, похоже, время для нас течет чуть быстрее, и скучное занятие уже не представляется таким чудовищно бесконечным.

С появления термина «дефолт-система» прошло чуть менее 20 лет, и до сих пор в этой теме вопросов больше, чем ответов. Однако даже за этот небольшой по меркам научного знания срок ученым удалось выяснить о дефолт-системе довольно много любопытного.

Во-первых, работа этой системы мозга меняется при многих психологических и неврологических расстройствах – начиная от депрессии и посттравматического стрессового расстройства и заканчивая аутизмом, хроническими болями, шизофренией и болезнью Альцгеймера. Если можно сказать, что глаза – зеркало души, можно добавить, что дефолт-система – зеркало душевного здоровья. Слишком слабые связи между участками внутри сети, как и слишком сильные, говорят о том, что что-то не в порядке.

Разные клинические состояния по-разному меняют работу этой системы. Например, при аутизме, когда человеку сложно находить общий язык с другими людьми, связь между двумя центральными узлами (хабами) дефолт-системы тоже ослаблена. Чем тяжелее аутизм и хуже коммуникация с окружающими, тем слабее координация между медиальной префронтальной корой (мПФК) и задней поясной корой (зПК). С другой стороны, во время первого эпизода депрессии связность внутри системы, наоборот, излишне усиливается. Вероятно, так внутри мозга проявляется руминация (навязчивые мысли): люди постоянно пережевывают в голове одни и те же депрессивные мысли и идеи, зацикливаются на своем тяжелом состоянии и чувстве вины и не способны переключиться на что-то другое, например на поиск выхода из сложившейся ситуации.

Все это говорит о том, что изменения внутри дефолт-системы отражают то, как люди воспринимают себя, других и происходящие в мире события. То, о чем люди думают, отражается и на том, в каком направлении обращены их мысли. Выяснилось, что люди, сталкивающиеся с негативом, чаще думают о прошлом, когда же человек размышляет о себе, он чаще сосредотачивается на будущем. Временная направленность размышлений, в свою очередь, влияет на баланс положительных и отрицательных мыслей: думы о прошлом чаще вызывают в памяти печальные события, а о будущем скорее приведут к более позитивным [7].

Задачи, которые решают волонтеры в томографе, не всегда ориентированы на внешние объекты. Иногда от участников требуется представить себе что-то, оценить собственную реакцию на тот или иной стимул или дать оценку происходящему. В таких задачах активность внутри дефолт-системы подавляется лишь отчасти или остается на том же уровне, что и в покое. Дефолт-система активно вовлекается в мышление, когда внимание участника направлено прежде всего не на внешние стимулы и их взаимодействие, а на какие-то аспекты внутреннего мира человека, которые требуют от него моральных суждений о собственном состоянии или мотивах других, опираются на его опыт в прошлом или задействуют его воображение и способности планировать или прогнозировать будущее.

Дефолт-система находится в противодействии с другой – дорсальной системой внимания: она активируется, когда решение новой задачи требует от человека сосредоточения на внешних стимулах. Взаимоотношения между этими системами можно описать метафорами: «погрузиться с головой в задачу» (дорсальная система внимания) – «погрузиться в себя» (дефолт-система мозга).

Когда нас что-то отвлекает вовне, мысленная текучка сразу останавливается (этим особенно хорошо умеют пользоваться родители маленьких детей, которые только что столкнулись с чем-то несправедливым и упоительно страдают, пока их внимание не отвлекут на птичку, собачку и что угодно еще – главное, чтобы оно было достаточно интересным для переключения внимания). Одновременно сосредоточиться на том, что происходит вокруг, и задуматься о чем-то своем не получится: внимание переключается, словно тумблер, и находится либо вовне, либо внутри.

Что нужно, чтобы увидеть работу дефолт-системы во время задания, а не в покое? Дать задачу, в которой человеку придется хорошенько покопаться в себе, чтобы найти ответ на вопросы исследователя. Как я уже писала, внутри дефолт-системы есть разделение обязанностей: первая группа отделов координируется в основном из медиальной префронтальной коры и решает задачи, связанные со взаимодействием человека с другими людьми и поведением в социуме – другими словами, с теорией разума. Эти отделы активны не только тогда, когда вы оцениваете, хороший ли вы человек и справедливо ли с вами поступили на работе, но и когда размышляете о мотивах и взаимоотношениях людей и вымышленных персонажей.

Вторая группа управляется отделами в медиальной височной доле и занимается задачами ориентирования во времени и пространстве. Когда вам необходимо припомнить события прошлого, представить какое-то развитие событий, сориентироваться в знакомом месте или объяснить знакомому, как пройти в библиотеку, когда вы размышляете о том, кем станете через пять лет, – вы задействуете подсистему медиальной височной доли. Когда речь заходит о более комплексных задачах, когда нужно использовать и прошлый опыт, и представления о том, что движет людьми, активно работают обе подсистемы.

Многие исследователи считают, что эта система важна для творческого мышления и озарений, которые иногда посещают человека, когда он долго бьется над какой-то проблемой и никак не может найти решение. Эта же система подключается, когда мы слушаем, читаем или рассказываем истории: удивительно, но даже когда люди, говорящие на разных языках, сталкиваются с одной и той же историей, картина изменений внутри этой сети у людей по всему свету одинакова и следует за развитием сюжетной линии истории, не важно, читает ли ее человек на русском или слушает на китайском.

Возможно, проводи мы меньше времени в своих мыслях, наша история и культура была бы лишена величайших писателей, художников и ученых – от Босха и Шекспира до Эйнштейна и Дарвина.

Не стоит считать, что работа дефолт-системы ограничивается только процессами спонтанного познания или моральных суждений. Какие бы прекрасные истории и произведения искусства ни придумывали люди, какими бы крутыми ни были современные научные теории и прикладные технологии, наивно полагать, что естественный отбор миллионы лет расходовал прорву энергии на нужды наших мозгов, чтобы однажды кто-то придумал «Одиссею» или теорию относительности. Скорее всего, у дефолт-системы мозга есть гораздо более важные задачи, которые она решала задолго до того, как появилось человечество (не говоря уже о томографах и нейробиологии).

Какие есть основания считать, что дефолт-система – это нечто большее, чем штука, которая рассказывает нам о том, кто мы такие, помогает творчески мыслить и судить о моральном облике других людей? Есть несколько аргументов в пользу того, что роль дефолт-системы намного шире [6]:

1. Во-первых, дефолт-система мозга существует далеко не только у человека – она есть и у животных, включая не только обезьян, но и лабораторных мышей и крыс. Структура сети у всех животных относительно схожая, особенно если речь идет об узловых медиальных компонентах сети (то есть расположенных вдоль линии, соединяющей полушария мозга). У каждого вида есть свои уникальные особенности строения системы, но общий принцип расположения основных узлов на удивление схож.

2. Во-вторых, паттерны активности, характерные для работы дефолт-системы в покое, проявляются не только тогда, когда люди хорошо осознают происходящее: ту же самую активность можно зарегистрировать, когда человек находится в наркозе или на ранних стадиях сна.

3. В-третьих, мозг в покое потребляет слишком много энергии, чтобы согласиться с тем, что вся эта активность направлена, условно говоря, на самопознание и самоосознание: это примерно как считать, что основное назначение атомной электростанции в том, чтобы люди могли заряжать смартфоны и электронные сигареты.

Вполне вероятно, что дефолт-система может играть важную роль в организации и исполнении незапланированных действий – это можно назвать рефлекторным (или импульсивным) поведением. У неблагополучных подростков, которые совершали преступления и определенно испытывали проблемы с самоконтролем, обнаружились характерные особенности взаимодействия между системами в мозге. В норме работа отделов, связанных с планированием и запуском поведения, коррелировала с работой отделов, управляющих произвольным вниманием и связанных с исполнительным контролем. У импульсивных подростков, которым тяжело себя контролировать, отделы, отвечающие за поведение, коррелировали с работой дефолт-системы. Так что нельзя сказать, что дефолт-система управляет только «невинными» процессами, направленными на рассуждения о природе вещей. Если внутренний «тормоз» со стороны дорсолатеральной и орбитофронтальной коры не срабатывает, это может привести к деструктивным последствиям – возможно, именно это произошло с Финеасом Гейджем – одним из самых первых пациентов, ставших нейробиологическими знаменитостями.

Портрет несчастного (или счастливого?), который выжил после ужасной черепно-мозговой травмы в середине XIX века

Похоже, ученым еще многое предстоит узнать о том, что же происходит внутри мозга, когда он ничем не занят. Даже то, что мы уже знаем о работе дефолт-системы, кардинальным образом поменяло представление о том, что же такое мозг и как он работает. Наш мозг – определенно не компьютер: сложно представить себе компьютер, который ни на минуту не останавливает активность, даже когда ничем особым не занят. С мозгом дела обстоят именно так.

Примерно треть всей своей жизни человек проводит во сне – никакое другое занятие не занимает столько нашего времени. Треть жизни просто на то, чтобы лежать в постели с закрытыми глазами, совершенно не реагируя на происходящее вокруг, – другими словами, чтобы спать. Почему нельзя отказаться от сна, просто заменив его отдыхом или выгадав это время на что-то более интересное? Ну или, по крайней мере, сократить его время до четырех часов или даже двух? Зачем нам столько спать? Что же такого важного происходит, пока человек спит?

В «Википедии» статья о сне начинается так:

«Сон (лат. somnus) – естественное физиологическое состояние, противоположное состоянию бодрствования, характеризующееся пониженной реакцией на окружающий мир».

Из этого определения мало что понятно, кроме того что сон отличается от бодрствования и что когда человек спит, он мало на что реагирует. Действительно, во сне мы не замечаем тихих звуков и небольших изменений освещенности, а от громкого звука или яркой вспышки света сразу просыпаемся. Такая невосприимчивость к сигналам может дорого стоить, если они сообщают об угрозе (и часто люди плохо спят или вообще не могут заснуть, если взволнованны). Не только человек, но и многие животные заботятся о том, чтобы как следует подготовиться ко сну – находят укромное тихое и теплое место, где могли бы безопасно отключиться от окружающей действительности и поспать, не беспокоясь о том, что им кто-то или что-то помешает.

Сон – одно из самых загадочных состояний для современной нейробиологии. Начать, пожалуй, стоит с того, что спят практически все животные, обладающие нервной системой[50]. Даже микроскопическая нематода Caenorabditis elegans, крошечный прозрачный червячок длиной около миллиметра, чьи мозги состоят всего из 302 нейронов (да-да, речь о трех сотнях нейронов – не триста тысяч и миллионов, а триста штук), время от времени переходит в состояние, очень похожее на сон: перестает питаться и шевелиться, практически не реагирует на внешние стимулы и проводит в таком состоянии два-три часа [1].

Наверное, каждый человек хотя бы раз в жизни не высыпался – не спал, страдая от бессонницы или проведя всю ночь за работой, подготовкой к экзаменам или с друзьями. Даже небольшое недосыпание приводит к тому, что человек становится рассеянным, плохо сосредотачивается на задачах, медленнее реагирует и соображает. Невыспавшимся людям тяжелее запомнить новую информацию, анализировать и принимать решения. А еще, если не выспаться, то и дело накатывает сонливость: стоит человеку попасть в тихое затемненное удобное место, его начинает клонить в сон. Впрочем, некоторым людям удается засыпать в самых неожиданных местах, которые невозможно назвать тихими, темными или удобными.

Чем дольше люди не спят, тем сильнее их потребность во сне. Если надолго лишить человека сна, это приводит к серьезным последствиям и воспринимается мучительно – в некоторых случаях такое принудительное лишение сна (по-научному, депривация) использовали как пытку, чтобы выбить из людей нужные показания. Если человеку не давать спать несколько суток, его сознание становится спутанным, ухудшается зрение, слух и координация движений, появляются галлюцинации и провалы в памяти. Человек плохо себя чувствует: может испытывать головокружение, тошноту, боль; у него снижается иммунитет, могут усиливаться воспалительные процессы [2].

Хроническое недосыпание приводит к накоплению усталости, в этом случае эффект развивается постепенно и не так заметен: тем не менее люди хуже справляются с математическими задачами, заданиями на внимание. Чем дольше длится испытание, тем хуже результаты добровольцев с недосыпанием [3]. Увеличивается риск хронических заболеваний, таких как диабет, атеросклероз, болезнь Альцгеймера, а также возрастает риск развития депрессии [2].

В общем, сон действительно важен.

С точки зрения мозга сон – это не просто длительный отдых и прекращение всякой активности. Это скорее смена одних занятий другими, причем не менее важными. Любопытно и то, что сон – это не однородный процесс: в середине прошлого века исследователи, изучающие электроэнцефалограммы спящих людей, обнаружили, что внутри сна есть разные состояния.

Засыпая, мы постепенно проходим через первую, вторую и третью стадии медленного сна. Электрическая активность на ЭЭГ на этих стадиях постепенно замедляется и синхронизируется – вместо частой ряби по электроэнцефалограмме пробегают крупные и глубокие волны активности.

Первая стадия – самый поверхностный сон, когда человек только заснул. На второй стадии на энцефалограмме могут появляться сонные веретена – короткие вспышки активности мозга. Третья стадия самая глубокая – это медленноволновой сон. Разбудить человека на этой стадии намного тяжелее, чем на первой и второй: это именно то состояние, которое мы называем «спросонья» – человек плохо понимает, что происходит, и ему требуется довольно много времени, чтобы сориентироваться и начать соображать.

После глубокого медленноволнового спящий человек возвращается на вторую фазу медленного сна, а затем обычно переходит в фазу быстрого сна. В этой фазе тело обездвижено, мышцы обычно максимально расслабленны, а вот зрачки закрытых глаз время от времени быстро двигаются. Благодаря такой особенности это состояние назвали фазой быстрых движений глаз или, по-простому, быстрым сном. Запись ЭЭГ в этой фазе похожа на дневную. Дыхание и сердцебиение в это время становятся нерегулярными, а терморегуляция ослабляется, то есть организм перестает себя греть, поэтому люди предпочитают спать под одеялом.

После быстрого сна все начинается сначала. За несколько часов, что мы спим, фазы сна чередуются: медленный сон сменяется быстрым, затем снова наступает медленный. Каждый цикл сна занимает около полутора часов. Считается, что полноценный ночной сон наступает тогда, когда в него помещается несколько полных циклов: после быстрого сна люди обычно просыпаются легко и в хорошем самочувствии, ощущая бодрость, даже если проспали меньше привычного. Если разбудить человека в глубоком медленноволновом сне, просыпаться он будет тяжело и долго и, вполне вероятно, будет чувствовать себя немного разбитым и рассеянным, даже если спал долго.

Активность мозга в различных фазах сна и состоянии бодрствования

Если перенестись еще на один уровень в глубь спящего мозга, можно наблюдать, как меняется активность отдельных нейронов. Микроскопические электроды, вживляемые в мозг животных, позволяют следить за тем, как меняется активность различных отделов мозга во время бодрствования и во сне.

Естественно, большинство нейронов наиболее активны, пока животное не спит. Однако и во сне многие из них, похоже, активно работают, выполняя разнообразные задачи. В фазе медленного сна в самом основании мозга, в стволе, большинство нейронов снижают или вовсе останавливают электрическую активность, но нейроны коры головного мозга лишь слегка снижают уровень активности. Однако это небольшое замедление работы отдельных нейронов происходит на фоне того, что активность сотен и тысяч соседних нейронов в это время синхронизируется. Именно эта синхронная работа множества маленьких нейронов преображает вид записей электроэнцефалограммы. Пока мы не спим, каждый нейрон работает в собственном ритме, не оглядываясь на другие нейроны по соседству, и на ЭЭГ это выглядит как какофония из сигналов, высокочастотный шум низкой амплитуды. Когда наступает фаза медленного сна, соседние нейроны разряжаются практически одновременно, и это приводит к появлению высоких и редких волн на записях ЭЭГ. Нечто похожее можно наблюдать на спортивных стадионах, когда болельщики в секторе одновременно встают и ревут, и сразу то же самое подхватывают их соседи, запуская волну по рядам.

Однако при переходе к быстрому сну активность мозга снова меняется: теперь вместо крупных медленных волн активности мы видим мелкую рябь активно работающих, но рассинхронизированных нейронов. В это время активны не только нейроны коры, но и ствола головного мозга, отдыхавшие в фазе медленного сна. За переключение в эту фазу отвечает еще одна специализированная группа клеток в стволе головного мозга: получается, что все эти переходы происходят не сами по себе: мозг управляет тем, сколько времени проводить в каждом из состояний.

Быстрый сон – время самых ярких и живых сновидений (разбуженные во время медленного сна люди тоже иногда сообщают о сновидениях, но обычно они бессюжетные). Пока мы видим сны, в мозге активно работают двигательные отделы. Почему же люди остаются неподвижными? Мозг заботится и об этом: передача сигналов от двигательных отделов к мышцам специально блокируется, чтобы спящий человек никуда не убежал.

Хотя снаружи этого совершенно не видно, во время различных стадий сна внутри мозга происходит множество важных и заметных событий. Меняется не только активность и синхронность работы нейронов, но и содержание нейромедиаторов, которые управляют работой мозга и могут влиять на судьбу отдельных нейронов. Фактически меняется внутренняя химия мозга, а значит, с нейронами могут происходить какие-то превращения, которые невозможно осуществить днем. Некоторые нейромедиаторы – моноамин, серотонин, норадреналин и гистамин – почти не вырабатываются во сне. Они тесно связаны с состоянием бодрствования и могут влиять на нашу сосредоточенность, ощущение бодрости, собранности и заряженности на новые свершения[51]. Считается, что они помогают образовывать или усиливать связи между нейронами под воздействием новых впечатлений. А еще они нужны, чтобы активировать мотонейроны, передающие сигналы к мышцам: заблокировав моноамины, мозг не дает телу активно двигаться.

Интереснее ситуация с другим нейромедиатором – ацетилхолином: во время медленного сна его уровень падает, а во время быстрого его внезапно становится много; возможно, даже больше, чем во время бодрствования [8]. Хотя о нем известно меньше, исследователи уверены, что он играет важную роль во сне: добавив ацетилхолин, можно разрушить медленный сон, а если его не хватает, нарушается быстрый. Возможно, ацетилхолин нужен, чтобы ослаблять неважные связи между нейронами, вычищая из памяти избыточную информацию и подготавливая мозг к тому, чтобы воспринимать что-то новое. Получается, что особое сонное сочетание нейромедиаторов (мало моноаминов и много ацетилхолина) работает вроде ластика, который стирает ненужные линии черновика – всех наших дневных впечатлений, – оставляя только нужные, те, что составят потом памятный след прошедшего дня [10].

По всему получается, что сон – совсем не напрасная трата времени, а сложный процесс, важность которого сложно оценить, потому что он проходит мимо нашего сознания. Само существование специализированных центров сна глубоко в основании мозга говорит о том, что они контролируют жизненно важную потребность – такую же, как, например, дыхание и сердцебиение, центры которых расположены там же.

Для чего же нужен сон? Еще недавно исследователи ломали над этим голову: хорошего ответа на этот вопрос не было – ну разве что «сон помогает бороться с сонливостью». Однако теперь, спустя десятилетия кропотливых исследований, ученые смогли приблизиться к разгадке – по крайней мере, сейчас есть несколько теорий о том, для чего нам сон, и каждая из них имеет свои основания. Вполне возможно, что все они правы и сон нужен сразу для нескольких важных задач, которые не удается выполнить, пока мы не спим.

Во время бодрствования мозг работает сверхактивно: недаром он потребляет примерно пятую часть всей энергии, если мы не заняты чем-то физически тяжелым. Каждая из миллиардов нервных клеток каждую секунду генерирует нервные импульсы – порой до сотни в секунду, – и это очень энергозатратный процесс.

Несмотря на все усилия, постоянное возбуждение нервных клеток в течение дня дает о себе знать: тысячи нервных импульсов, проходящих по отросткам нейронов, приводят к тому, что места контактов нейронов – синапсы – все более восприимчивы к новым сигналам. Из-за этого в нервной ткани постепенно появляется шум: нервные контакты начинают проводить даже слабые сигналы, которые в норме не должны далеко распространяться. Нарастая, этот шум мешает работе, не дает выделить полезные сигналы среди бесполезных. К вечеру мозг начинает хуже соображать; если весь день вы активно работали головой, сосредоточенно решая сложные задачи, к его завершению голова буквально гудит. Это выражение отлично описывает то, что происходит в мозге – через гул остаточного возбуждения полезным сигналам пробиться все сложнее. Чтобы восстановить нормальную работу нейронов, некоторым участкам мозга нужно побыть в тишине – отключиться от внешних сигналов и вернуть проводимость нервных контактов к нормальному рабочему состоянию [17].

В течение дня мозг напряженно работает, тратя огромное количество энергии, и это не проходит бесследно не только для нервных контактов. Активный обмен веществ, необходимый для передачи импульсов, приводит к тому, что в нервной ткани накапливаются токсичные продукты обмена веществ, от которых необходимо избавиться, чтобы они не мешали нормальной работе. Интенсивный обмен веществ может приводить к повреждениям белков и компонентов клетки, и это тоже может отражаться на самочувствии нашего мозга. Некоторые болезни мозга начинаются с того, что неправильные белки[52] постепенно накапливаются в нервной ткани, и сегодня уже понятно, что хроническое недосыпание увеличивает риск этих заболеваний [2].

Каким образом можно выводить из тканей вредные продукты обмена? В организме для этого есть лимфатическая система: она собирает отходы из пространства вокруг клеток и выводит их в кровеносное русло, откуда они отфильтровываются печенью и почками. Однако в мозге лимфатической системы нет, а обмен веществ там идет намного интенсивнее, чем в других органах. Как же мозг избавляется от продуктов своей жизнедеятельности? Своеобразной канализацией для мозга может быть спинномозговая жидкость. Она циркулирует под паутинной оболочкой головного и спинного мозга, поддерживая постоянное давление в головном мозге.

Проблема в том, что нервная ткань слишком плотная, поэтому вредным продуктам обмена непросто добраться от каждой клетки головного мозга к желудочкам, в которых находится спинномозговая жидкость, – между отдельными клетками слишком мало межклеточного пространства, чтобы обеспечить своевременное и достаточное очищение нервной ткани от отходов.

Тем не менее совсем недавно ученые обнаружили систему скоростного выведения продуктов обмена из мозга в спинномозговую жидкость [18]. Спинномозговая жидкость заполняет пространства вокруг кровеносных сосудов – продукты обмена попадают туда через специальные глиальные клетки, астроциты: они образуют что-то вроде трубопровода, соединяясь друг с другом специальными водяными порами и переправляя отработанное в околососудистые пространства. Однако пока мозг активно работает, эта система работает очень медленно и разгоняется, только когда мозг погружается в сон.

Оказалось, что во сне клетки теряют объем – нейроны отжимают из себя излишки жидкости, словно губка, и пространство между клетками увеличивается, по крайней мере, вдвое. Пульсация жидкости с продуктами обмена в этом случае идет намного быстрее, и мозг «смывает» все переработанное в спинномозговую жидкость, которая затем доставляет отходы в кровь [19]. Систему очистки мозга назвали глимфатической – по аналогии с лимфатической, но еще и напоминая, что в ее работе важную роль играют глиальные клетки – астроциты.

Одно из последствий депривации сна – ухудшение памяти. Если людям или животным не давать спать, они гораздо хуже учатся новому. Более того, активное обучение приводит к тому, что меняется структура сна: некоторые фазы сна (прежде всего быстрого и глубокого медленноволнового) длятся дольше и протекают более интенсивно. Участники, у которых такие изменения проявляются сильнее, лучше справляются с тестами, проверяющими запоминание.

Когда исследователи вживили крысам электроды в гиппокамп, они буквально увидели, как внутри нейронов воспроизводится та же активность, что и накануне днем. Например, если учить крыс ориентироваться в лабиринте, нейроны внутри гиппокампа активируются в определенной последовательности – это клетки места, с помощью которых крыса понимает, где она находится. Когда после обучения крысы заснули, ученые вновь увидели активность в тех же клетках, и последовательность, в которой они активировались, совпадала с той, что ученые видели у животных, пока они искали путь в лабиринте [20]. Любопытно, что такое проигрывание происходит и во время быстрого, и во время медленного сна. Различия в скорости: в фазе быстрого сна нужный паттерн проигрывается столько же, сколько и во время бодрствования, а во время глубокого медленноволнового сна это происходит словно на перемотке с семикратным ускорением [9]. Получается, что, набравшись впечатлений за день, во сне гиппокамп обучает нейроны коры нужным паттернам активности – правильные связи и паттерны активности и образуют человеческую память.

Когда речь заходит о связи сна и памяти, ученые принимаются спорить о том, для чего именно нужен сон: для запоминания или, наоборот, для забывания [10, 21]? Действительно, хорошая память – это не только помнить нужное, но и не держать в голове лишнего. Многие исследования указывают на то, что сон улучшает запоминание – например, когда речь заходит об изучении иностранного языка и новых слов. С другой стороны, мозгу необходимо очищать внутренний буфер обмена от лишней информации. Если подумать, абсолютная память могла бы стать для человечества настоящим проклятием: представьте, что вы помнили бы все прочитанные книги наизусть – работать с такой информацией намного тяжелее, чем с кратким содержанием и смыслом, который остается в памяти у обычного человека. Представьте себе, что вы дословно помните все четыре тома «Войны и мира» Льва Толстого – в этом случае вам пришлось бы каждый раз мысленно пробегаться по всему тексту, чтобы найти ответ на какой-то вопрос: скажем, кем приходились друг другу Наташа Ростова и Пьер Безухов. Когнитивисты, изучающие людей с фотографической памятью, иногда описывают этот феномен: такие люди способны дословно воспроизвести прочитанное, но не всегда могут сделать из этого вывод и зачастую испытывают сложности даже с кратким пересказом своими словами.

Исследователи, упирающие на важность сна для забывания, говорят о том, что с запоминанием люди прекрасно справляются и в состоянии бодрствования. Достаточно дать им отдохнуть и посидеть в тишине перед следующим тестом, чтобы они легче вспоминали выученное ранее и запоминали больше новой информации. С другой стороны, в исследованиях, где людям или животным было необходимо переучиться, то есть забыть ранее выученные действия или информацию, чтобы выучить новую, именно сон, а не просто отдых заметно влиял на результаты [10].

Переработка информации и обучение – это не только способность что-то запомнить. Чтобы не перегружать голову мусором, для начала нужно выделить самое важное в вашем опыте, чтобы в памяти осталось именно оно. Остальные детали, которые вряд ли пригодятся, разумнее (и экономнее) забыть. Когда человек просыпается свежим и отдохнувшим, из его головы выветриваются мелкие подробности вчерашнего дня и проще воспринимать впечатления сегодняшнего.

Обучение, запоминание нового и забывание старого должно буквально перекраивать нервную ткань, когда ненужные старые связи разрушаются, а взамен появляются новые, более актуальные в новых условиях. Изменение связей внутри нервной сети носит название «нейропластичность» – это важнейший процесс, позволяющий мозгу меняться, учиться, приспосабливаться к новому и восстанавливаться после травм или болезней.

Обе фазы сна, судя по всему, очень важны для нейропластичности: и дело тут не только в том, что одновременно пользоваться мозгом и перестраивать связи в нем довольно затруднительно. Выше я писала о том, что во время сна радикально меняется уровень нейромедиаторов: фактически нейроны попадают в совершенно новую химическую обстановку. Как раз благодаря этому внутри мозга могут перестраиваться контакты между клетками, чтобы на следующее утро он проснулся обновленным.

Некоторые исследователи сна и памяти считают, что во время медленного сна может происходить усиление нужных синапсов, пока гиппокамп многократно проигрывает важные дневные впечатления с большим ускорением. Когда же мозг переходит к быстрому сну, химическая среда меняется так, чтобы можно было ослабить ненужные или мешающие обучению синапсы [9]. Другие упирают на то, что в разных фазах происходит разное обучение: медленный сон помогает запоминать события и факты, то есть усиливает (по-научному, консолидирует) декларативную память.

Как бы то ни было, обе фазы сна важны для правильной перестройки контактов в нервной системе, обеспечивающих обучение и запоминание, и это очень активный и энергозатратный процесс. Ученые-генетики обнаружили, что во время сна активно работают другие гены, и не один или два – речь идет о сотнях генов, отличающих сон и бодрствование. Если же заблокировать образование новых белков в нервных клетках, нужные перестройки не произойдут и мозг не выучит нужные действия [9].

Наверное, можно вполне обоснованно сказать, что мозг – очень дорогой орган: его активность требует огромных затрат энергии, к тому же он накапливает шум и токсины, которые мешают ему эффективно работать. А еще крайне сложно одновременно работать с новой информацией и запоминать уже воспринятое: невозможно одномоментно перестраивать соединения внутри нервной системы и использовать их для обработки новой информации. Отключившись от внешнего мира, мозг начинает заниматься внутренним хозяйством.

Эволюционное преимущество, которое дает нам мозг, способный учиться и адаптироваться к новым условиям, настолько высоко, что оправдана и цена, которую мы платим, – треть жизни мы проводим в отключке, чтобы восстановить, перезагрузить и перенастроить свою нервную систему. Поговорка «Утро вечера мудренее» имеет важный практический смысл, но только в том случае, если вы провели ночь во сне: тогда мозг способен уложить впечатления и опыт, накопленные к вечеру, сопоставить новую информацию с уже имеющимися знаниями и подойти к проблеме в новом качестве – теперь нервная система перенастроена на решение возникших задач.

Первый раз я попробовала кофе в 13 лет. Дело было на летней школьной практике: на утреннее дежурство я встала сонной и невыспавшейся, и мой напарник предложил выпить кофе, чтобы взбодриться. Оказалось, что кофе – редкостная дрянь: от удивления и неожиданности я проснулась с первого же глотка. Бодрящий эффект оказался сногсшибательным, хоть я и представляла себе вкус несколько иначе. После этого случая я еще долго думала, что кофе бодрит именно благодаря своим органолептическим качествам – кто не проснется, если во рту вдруг оказалось нечто кисло-горькое? Уже студенткой я полюбила кофе, без которого не обходилась ни одна сессия, и узнала, почему он бодрит, даже когда привыкаешь к его вкусу и не видишь в нем ничего ужасного.

Теперь для меня, как и для многих людей, утро начинается с кофе – он заряжает энергией и поднимает настроение, помогает проснуться или справиться с усталостью и напряжением в середине тяжелого дня. В мире, где работоспособность и эффективность становятся для людей новой религией, энергия очень важна. Некоторые оценивают приложенные усилия и степень напряженности работы перед дедлайном объемами выпитого кофе: «Неделя бессонных ночей, десять литров выпитого кофе, пять килограммов шоколада, и вот наконец наш проект готов!»

В чем же секрет кофе и почему миллионы людей во всем мире не могут представить себе продуктивный рабочий день без него?

Прежде всего кофе – это зерна нескольких видов растения рода Coffea. Почти весь потребляемый кофе принадлежит к двум видам – Coffea arabica (сорт арабика) и Coffea canephora (сорт робуста). Кофе пьют ради кофеина, который содержится в зернах: в мягкой на вкус арабике его меньше (около 1–1,5 %), а горькие и терпкие зерна робусты содержат примерно вдвое больше кофеина и идут на приготовление более крепкого кофе [1].

Зачем растениям кофеин? Вряд ли для того, чтобы нам лучше просыпалось по утрам, – у них в жизни явно другие задачи. Как и многие другие растительные вещества, кофеин нужен растениям для отпугивания вредителей, чтобы их не съели.

Кофеин не только придает листьям и семенам горький вкус, но и сокращает продолжительность сна и делает насекомых подвижнее [2]. Можно сказать, что эффект небольших доз кофеина для насекомых не так уж отличается от воздействия на людей, только людям это нравится, а насекомым нет.

Кофе – яд для насекомых!

Хотя напиток готовится из обжаренных семян растения, больше всего кофеина содержится в молодых растущих листьях, которые сильнее могут пострадать от паразитов. В листьях чая кофеина тоже больше, чем в кофейных зернах, но для чая требуется меньше заварки. Тем не менее очень крепкий чай иногда не уступает кофе по содержанию кофеина. Еще кофеин можно обнаружить в какао, гуаране, парагвайском падубе, из которого готовят мате[53], и множестве других растений и продуктов на их основе, например в коле и шоколаде.

В письменных источниках кофе впервые упоминается как лекарство: в XI веке Авиценна в своем «Каноне медицины» описывает его как средство для очищения кожи и придания телу более приятного запаха [3]. Однако вскоре люди полюбили кофе и перестали относиться к нему как к лекарству. К XV веку кофейные дома распространяются по Аравийскому полуострову, а в XVII–XVIII веках кофе становится повседневным напитком в Европе. О том, что кофе обладает бодрящим эффектом, было известно еще персидским дервишам; но о том, что такое бодрость и от чего она зависит, люди задумались намного позднее.

Можно сказать, что бодрость отражает запас энергии, «заряженность» на новые действия. Наоборот, усталость и вялость мы чувствуем, когда уже потратили массу усилий – не важно, физических или умственных – или же недостаточно восстановились после напряженной работы накануне. В некоторых компьютерных играх в жанре RPG[54] показатель запаса сил (англ. stamina) влияет на игровую динамику – его вместе со здоровьем и другими ресурсами показывают прямо на экране. В реальной жизни у нас нет табло с индикаторами, но обычно мы довольно точно оцениваем уровень бодрости – во всяком случае, чувствуем, когда ее не хватает.

На первый взгляд, бодрость отражает соотношение между напряженной деятельностью и сном или отдыхом. Но из этого правила бывают исключения: иногда случается так, что восемь или даже десять часов сна не помогают справиться с вялостью и упадком сил. С другой стороны, бывает и так, что после длинного и тяжелого, насыщенного впечатлениями дня мы обнаруживаем, что все еще бодры и готовы к новым свершениям.

Внезапный испуг, даже если тревога оказалась ложной, снимает сон как рукой. О вялости не идет речи, когда мы злимся, расстроены или сильно обижены. А яркие положительные эмоции и вовсе нас окрыляют, энергия бьет ключом, ее хватает и на обычную жизнь, и на дополнительные активности – так бывает, когда мы влюблены, искренне увлечены новым занятием или общаемся с интересными собеседниками и старыми друзьями.

Эмоции подзаряжают человека, а их недостаток может вести к апатии. Действительно, если вокруг ничего не происходит, а каждый новый день похож на предыдущий, бодрости и заряду позитива это не способствует. Можно сказать, что бодрость – это аванс энергии на что-то ценное и приятное для человека, а если ничего такого не предвидится, лучше сэкономить ресурсы и поспать. Скука – одно из лучших снотворных, особенно если не на что отвлечься или нет ничего мало-мальски интересного, чем можно занять внимание.

Помимо этого, вялость и апатия могут быть признаком ослабленного иммунитета и плохого питания: если человеку не здоровится или в его диете не хватает витаминов и микроэлементов, это тоже может заметно снижать запас жизненных сил. В любом случае, если человек постоянно чувствует вялость без видимой причины, это тревожный признак и повод обратиться к врачу.

Каким же образом кофеин влияет на бодрость? Он не относится к числу важных микроэлементов и не особенно питателен – это не сахар, который обеспечивает организм энергией напрямую. Кофеин – небольшая и не очень сложная молекула, без которой мы прекрасно можем обойтись, но, чтобы взбодриться, нам достаточно 100–150 мг кофеина. Это химическая заглушка, действующая на наш внутренний индикатор бодрости в обход сна и отдыха, питания, иммунитета и эмоциональных стимулов.

А что думает обо всем этом наука? Ученые тоже задумывались над тем, что такое бодрость и что на нее влияет. Почему по утрам мы просыпаемся бодрыми и отдохнувшими, а под вечер нас клонит в сон? В конце XIX века появилась гуморальная теория сна, предлагавшая объяснение этому явлению. Наверное, в организме есть фактор сна – какое-то вещество, вызывающее усталость и сонливость, которое тело вырабатывает в течение дня. Когда спим, тело постепенно разрушает или выводит фактор сна, поэтому с утра мы чувствуем себя бодрыми и отдохнувшими.

В начале XX века сразу две группы ученых во Франции и Японии смогли доказать существование такого вещества, накапливающегося в мозге [4]. Если собак лишить сна, а затем взять у них спинномозговую жидкость и ввести отдохнувшим животным, они засыпают. Усталость можно передавать от одного организма к другому! В то время было невозможно установить, что представляет собой фактор сна из спинномозговой жидкости, но у него определенно имелся материальный носитель. Неизвестное вещество назвали гипнотоксином. Потребовалось еще почти полвека, чтобы выяснить, что фактором сна выступает аденозин.

Школьный курс общей биологии рассказывает, что аденозин, как и кофеин, относится к пуриновым алкалоидам и участвует сразу в нескольких жизненно важных процессах. Во-первых, аденозин входит в состав ДНК – проще говоря, это одна из букв нашего генетического кода. Во-вторых, он составляет основу энергетической валюты клетки аденозинтрифосфата (АТФ). В-третьих, входит в состав циклической формы аденозинмонофосфата – цАМФ, который регулирует то, как протекают важные сигнальные каскады внутри клеток, влияющие на обмен веществ, включая расходование сахаров и жиров, и деление клеток. Аденозин – молекулярная основа для всех трех веществ – «генетического» аденинового остатка, «энергетической» АТФ и «сигнальной» цАМФ. Неудивительно, что уровень аденозина и его производных так важно контролировать.

Нейроны постоянно активны, и их переговоры друг с другом требуют уймы энергии. Логично предположить, что нервная система постоянно следит, все ли в порядке и каким запасом энергии она сейчас располагает. Вслед за напряженной работой обязательно должен следовать период покоя, чтобы восстановить ресурсы и работоспособность. Как мозг определяет, что пора отдыхать? По тому, сколько потрачено энергии – точнее, молекул АТФ.

АТФ – универсальная энергетическая валюта для всех живых существ. Любой процесс, требующий энергии, можно выразить в числе молекул АТФ, необходимых для его протекания. Например, чтобы выкачать из клетки три иона натрия и закачать внутрь два иона калия, необходимо расщепить одну молекулу АТФ. При этом нейроны непрерывно расходуют АТФ – перекачивают ионы, чтобы восстановить заряд на мембране после каждого нервного импульса; можно сказать, что на этом процессе вырабатывается все электричество в мозге. С другой стороны, любое питательное вещество можно оценить по тому, сколько АТФ из него можно получить: например, одну молекулу глюкозы можно расщепить до углекислого газа и воды, получив таким образом около 36 молекул АТФ (и перекачать с ее помощью 108 ионов натрия и 72 иона калия).

Можно сказать, что АТФ – это что-то вроде платежной карты с тремя фосфатами на счету. Большинство транзакций внутри клетки «стоят» один фосфат, он отщепляется от АТФ с образованием АденозинДиФосфата – АДФ. Некоторые процессы очень дорогие: они стоят два фосфата, которые отщепляются от АТФ с образованием аденозинмонофосфата – АМФ.

Если АТФ – это энергетическая валюта, то сам аденозин представляет собой что-то вроде пустой платежной карты, которую необходимо пополнить, перед тем как использовать для оплаты нужных клетке транзакций. Когда аденозин накапливается в клетках и межклеточном пространстве, это сигнализирует о том, что организм заметно потратился, и ему нужно восполнить запасы энергии – как следует отдохнуть. Уровень аденозина в нервной системе и есть тот самый индикатор энергии (точнее, ее дефицита), который мы субъективно воспринимаем как заряд бодрости.

Хотя гипнотический эффект аденозина был открыт в середине XX века, ученые до сих пор не до конца разобрались во всех нюансах работы системы, отвечающей за сон, бодрствование и субъективное восприятие бодрости.

На сегодняшний день открыто четыре различных аденозиновых рецептора – A1, A2A, A2B и A3. Их функции отчасти перекрываются. Например, рецепторы A1, A2A влияют на работу сердца, потребление кислорода и кровоток, успокаивая пульс и расслабляя сосуды. Эти же рецепторы есть в различных отделах мозга. Рецепторы A2B и A3 в основном расположены на периферии организма и участвуют в работе иммунитета – вероятно, из-за этого болезни меняют наше самочувствие, и пока иммунитет борется с инфекцией [5], людям лучше всего отсыпаться.

Аденозиновые рецепторы первого типа можно встретить в мозге практически повсеместно, а второй тип рецепторов (A2A) встречается в основном в полосатом теле – этот отдел играет важную роль в принятии решений, планировании действий и обработке эмоций[55]. Оказалось, что внутри полосатого тела оба типа аденозиновых рецепторов тесно соседствуют с рецепторами к дофамину и влияют на то, как эти нейроны проводят сигналы от системы подкрепления. Связываясь со своими рецепторами, аденозин мешает работе других нейромедиаторов. Под действием аденозина пузырьки с нейромедиаторами не высвобождаются в синаптической щели и не могут активировать следующий нейрон. Можно сказать, что аденозиновые рецепторы не дают дофамину активировать нейроны, а дофамин мешает работать аденозиновым рецепторам [6]. Этим и объясняется влияние сна (аденозина) и эмоций (дофамина) друг на друга: если вы хотите спать, вряд ли сможете живо реагировать на происходящее вокруг; с другой стороны, если вас переполняют эмоции, заснуть будет не так-то просто.

Кроме того, связываясь с А2А рецепторами в гипоталамусе, аденозин активирует центры сна, которые в свою очередь тормозят активность отделов мозга, отвечающих за состояние бодрствования. Таким образом, аденозин как бы переключает тумблер из одного состояния в другое, в результате чего мы чувствуем неодолимое желание лечь поспать.

Что происходит, когда вы выпиваете кофе? Примерно через 30–60 минут концентрация кофеина в плазме крови достигает пика [3]. Он легко проникает в мозг через гематоэнцефалический барьер и связывается там с аденозиновыми рецепторами. Постепенно содержание кофеина в крови снижается – его разрушает фермент цитохром P450 в клетках печени, однако скорость зависит от множества факторов, а время полувыведения[56] варьирует от двух до 12 часов.

Кофеин очень похож на аденозин, но, связываясь с аденозиновыми рецепторами, он не способен их активировать и запустить передачу сигнала. Кофеин просто занимает место, предназначенное для аденозина, и не дает тому проводить сигнал. Получается, что в присутствии кофеина организм перестает видеть и адекватно оценивать уровень аденозина, по которому он проверяет, сколько энергии есть в распоряжении.

Пока в организме плещется достаточное количество кофеина, аденозин не может проявить свои эффекты: баланс смещается от центров сна к центрам бодрствования, человек чувствует бодрость и прилив энергии. Аденозин перестает блокировать выброс других нейромедиаторов, активирующих работу мозга, включая дофамин. Если аденозин притормаживает работу системы подкрепления, то кофеин отжимает тормоз: человек чувствует прилив энергии и приятных эмоций. Люди редко указывают приподнятое настроение среди причин, почему они пьют кофе, тем не менее ученые считают, что именно этим можно объяснить их пристрастие к этому напитку: они получают удовольствие от кофе в самом буквальном смысле этого слова.

Кофеин блокирует рецептор, не давая аденозину связаться с ним и отправить в мозг «сигнал усталости»

Воздействие кофеина на человека многогранно и не ограничивается только удовольствием и чувством бодрости. Вполне возможно, что не все эффекты связаны с воздействием кофеина на мозг: он может непосредственно влиять на мышцы и обмен веществ, по крайней мере в высоких дозах. Однако то, насколько проявятся те или иные эффекты, зависит от индивидуальных особенностей, включая природную предрасположенность, образ жизни и привычки. Нужно помнить и о том, что не все эффекты кофеина благоприятны для человека – много крепкого кофе может ухудшить самочувствие, а некоторые люди в силу своих особенностей могут столкнуться с неприятными последствиями даже после одной-двух чашек кофе.

Итак, на что влияет кофе? Вот список эффектов кофеина, которые можно найти в научных журналах [3, 6, 7].

1. Активирует симпатическую нервную систему – она воздействует на органы и ткани человека, подготавливая к реакции типа «бей и беги», усиливая кровоток к скелетным мышцам и сердцу и снабжая их кислородом и питанием. Если вам предстоит биться или бежать (или, скажем, просто тащить тяжеленный чемодан без ручки на другой конец города), чашка кофе – как раз то, что нужно.

2. Ускоряет обмен веществ и усиливает окисление жиров. Обычно в покое организм расходует гликоген, то есть пополняет запасы АТФ в основном за счет углеводов. Кофеин способен изменять баланс сил и переключать клетки на жиры, ускоряя сжигание липидов и снижая расщепление гликогена. По-видимому, этот эффект может проявляться и в покое (в исследованиях он длился около четырех часов и увеличивал уровень потребления энергии примерно на 6 %), и при физических нагрузках. Так что кофеин может быть полезен, если хочется похудеть, – правда, одним только кофеином дело вряд ли обойдется.

3. Повышает выносливость и усиливает работоспособность, позволяя отложить момент, когда человек почувствует утомление. Более того, после кофеина участники исследований склонны приуменьшать усилия, затраченные на упражнения, по сравнению с теми, кому пришлось работать без него.

4. Ускоряет восстановление после физической нагрузки. Уставшим после работы мышцам требуется время, чтобы восстановиться и накопить израсходованный гликоген. В виде гликогена в тканях запасаются углеводы, из которых мышцы получают энергию во время работы. Если выпить крепкий кофе с сахаром, процесс образования гликогена в мышцах после физической нагрузки идет быстрее, чем если выпить просто подсахаренную воду с тем же количеством сахара.

5. Снижает восприятие боли. Во время тяжелых физических нагрузок в мышцах накапливается аденозин: связываясь с A1-рецепторами, он способен вызывать ощущения боли в мышцах. Кофеин помогает не только при мышечной, но и при других видах боли, включая головную, особенно на фоне приема традиционных анальгетиков. Однако тут, похоже, работают тонкие и сложные механизмы: при боли кофеин помогает далеко не всем и не во всех дозировках, причем и слишком маленькие, и слишком большие его дозы могут оказаться неэффективными.

6. Не только улучшает физическую работоспособность, но и помогает лучше справляться с умственными задачами. После чашки крепкого кофе кровь приливает не только к мышцам, но и к голове. В итоге люди лучше справляются с задачами, требующими внимания и сосредоточенности. В то же время результаты исследований расходятся в том, влияет ли кофеин на память. По-видимому, все ограничивается тем, что после кофе легче не отвлекаться на всякую постороннюю ерунду. Не стоит особо полагаться на кофе, если нужно запомнить много новой информации, особенно если ничто не отвлекает.

7. Ускоряет время реакции: люди быстрее и точнее реагируют в задачах, где важны скорость и точность выполнения, делают меньше ошибок и быстрее справляются с заданиями. Кофе помогал сильнее всего, когда участники экспериментов не высыпались или были утомлены; если добровольцам давали хорошенько выспаться, кофе почти не влиял на то, как они справлялись с задачами.

8. Заряжает бодростью. Люди не только говорят о том, что чувствуют себя бодрее, но и лучше справляются с долгими монотонными задачами, реже ошибаются, меньше отвлекаются и вообще легче переносят скуку и однообразие. Одно из исследований проверяло способность студентов высидеть на 75-минутной университетской лекции: по утверждениям студентов, после кофеина они были не такими сонными, легче сосредотачивались и лучше соображали.

9. Способен улучшать координацию движений. Например, после кофе водители лучше контролируют положение автомобиля на дороге и реже заезжают колесом на разделительную полосу, то есть лучше контролируют траекторию движения.

10. Помогает бороться со сном, когда люди лишены возможности поспать и им необходимо продолжать свою деятельность. Тем не менее некоторые исследователи считают, что все же лучше поспать полчаса, а не просто выпить кофе: хоть кофеин и блокирует аденозиновые сигналы, серьезное утомление плохо сказывается на самочувствии и способности принимать решения. Короткий сон помогает устранить проблему, связанную с перегрузкой и усталостью, тогда как кофе скорее позволяет игнорировать ее.

11. Улучшает настроение. Как я писала выше, аденозиновые рецепторы в системе подкрепления находятся рядом с дофаминовыми: аденозин, связываясь со своими рецепторами внутри прилежащего ядра, не дает дофамину развернуться на полную катушку. Кофеин, наоборот, отпускает аденозиновые тормоза, и это дарит нам заряд не только энергии, но и позитива.

1. Усиливает диурез – иными словами, мочевой пузырь наполняется быстрее, даже если чашка кофе по объему была совсем небольшой. Об этом эффекте стоит помнить, если вы собираетесь в долгое путешествие и хотите взбодриться с помощью кофе, но при этом частые технические остановки не запланированы.

2. Усиливает сердцебиение и может провоцировать тахикардию и аритмию, особенно если выпить кофе в больших дозах. Иногда с этим сталкиваются даже молодые и здоровые люди. Считается, что случаи смертельного отравления большими дозами кофеина связаны именно с воздействием кофеина на сердце.

3. Может вызывать нервозность и провоцировать тревожность. Кофеин способен усиливать возбудимость в нервной системе: в умеренных дозах это помогает бороться с вялостью и сосредотачиваться, но слишком большая доза может вызывать тремор рук и тревогу. В таком перевозбужденном состоянии сложно успокоиться и сосредоточиться: если человек нервничает перед собеседованием или сложным тестом и боится не справиться, кофеин может только усугубить ситуацию.

4. Иногда кофеин может вызывать дрожание рук и усиливать уже имеющийся тремор [8] – это нечастое, но неприятное явление, особенно в ситуациях, когда требуются точные и тонкие манипуляции. Чаще всего такое встречается у людей, страдающих от болезни Паркинсона и эссенциального тремора[57], но иногда проявляется и у здоровых людей.

5. Кофеин может вызывать проблемы со сном [9]. Люди, пьющие кофе, чаще страдают от бессонницы и нарушений сна, особенно если в принципе плохо спят, тяжело засыпают и подвержены бессоннице. Даже если человек обычно не имеет проблем со сном, кофе на ночь может существенно ухудшить его качество. После кофе людям требуется больше времени, чтобы уснуть, продолжительность сна укорачивается, как и длительность медленноволнового сна и фазы быстрых движений глаз. Эти эффекты сильнее проявляются у тех, кто пьет кофе нерегулярно, хоть и заядлые любители кофе время от времени сталкиваются с такими проблемами.

Неужели кофе так хорош? Если это так, то люди, пьющие кофе, должны быть практически супергероями или, во всяком случае, намного продуктивнее тех, кто кофе не пьет. Однако это не очень-то похоже на то, как обстоят дела в обычной жизни: если регулярно пить кофе, он действительно помогает сосредоточиться и побороть вялость и сонливость, но общая работоспособность не так уж сильно отличается у тех, кто пьет кофе, и тех, кто не пьет или пьет крайне редко. Как же так?

Дело в том, что регулярное употребление кофе вызывает привыкание. Наш мозг стремится нормализовать свое состояние с учетом всех внешних факторов, с которыми регулярно сталкивается. Не чувствовать усталость ненормально, и если по каким-то причинам сигналы утомления перестали поступать, нужно увеличить восприимчивость к ним. Если на протяжении нескольких недель кофеин постоянно поступает в нервную систему и блокирует сигналы усталости от аденозина, в мозге постепенно увеличивается число аденозиновых рецепторов, чтобы вернуть прежнюю восприимчивость. В некоторых исследованиях участникам было достаточно двух-трех недель, чтобы кофе почти перестал действовать – его остаточное влияние на энергичность участников было едва заметно.

Привыкание к кофеину проявляется не только в том, что кофе перестает бодрить как раньше, но еще и в том, что людям тяжело обходиться без кофе – они постоянно чувствуют вялость и сонливость, которую не удается побороть без кофеина. Для возврата к нормальному состоянию нужно, чтобы кофеин занимал часть рецепторов к аденозину – система перестраивается именно на такой режим работы.

Любители кофе вполне владеют собой и не срываются на компульсивное потребление, когда совершенно теряют самоконтроль и словно подчиняются посторонним силам, которые заставляют их действовать вопреки своим решениям. С другими веществами – алкоголем, никотином и наркотиками – такое случается часто, особенно когда человек решает завязать.

Сколько времен должно пройти, чтобы почувствовать упадок сил, связанный с дефицитом кофеина в организме? Кофеиновая ломка (или, по-научному, абстиненция) наступает примерно через полдня после последней дозы кофеина (в одних исследованиях фигурирует период 8–12 часов, в других – 22–24 часа). Как бы то ни было, кофеин постепенно разрушается и перестает оккупировать рецепторы к аденозину, которых у кофеманов намного больше, чем нужно. Пока кофеин есть, работают только немногочисленные свободные рецепторы, но когда он долго не поступает, все рецепторы включаются в проведение сигналов усталости от аденозина, и это совершенно не то, что помогает кофеману нормально себя чувствовать. Кофеин настолько плотно встраивается в работу нервной системы, что без него она перестает нормально функционировать.

В итоге за регулярное употребление кофе приходится расплачиваться: фактически все, что улучшается под действием кофеина, на фоне его отмены становится заметно хуже. В отсутствие кофеина аденозин, который никуда не девался, получает возможность связаться со всеми своими рецепторами, прежде занятыми кофеином. Сигналы, которые кофеин помогал игнорировать до поры до времени, внезапно обрушиваются на не подготовленную к такому напору систему. Все сигнализирует о том, что усталость зашкаливает и человеку необходимо срочно отдохнуть, отложив все дела. Нужно немало времени, чтобы перестроиться и вернуть к исходному состоянию настройки работы мозга, сбитые под действием кофеина. Фактически для этого необходимо убрать все лишние рецепторы, которые постепенно появлялись на множестве нейронов по всему мозгу.

Симптомы кофеиновой абстиненции практически повторяют положительные эффекты от кофеина, только с обратным знаком. Вместо приподнятого состояния (которое давно уже не особенно и приподнятое, скорее просто нормальное) человек скатывается в энергетическую яму.

Без привычной дозы кофеина накатывают вялость, усталость, слабость, заторможенность, сонливость, рассеянность, появляются сложности с концентрацией внимания, ощущение неудовлетворенности, раздражительность, подавленное настроение, неспособность ясно мыслить, головная боль. Как будто человека отключают от розетки, и нервная система переходит на режим экономии энергии – на самом деле мозг в полной мере получает аденозиновые сигналы усталости, которые научился игнорировать благодаря кофеину.

Чтобы почувствовать ломку без привычной дозы кофеина, требуется не так уж много времени – примерно столько, сколько мы тратим на вечерние дела и ночной сон. Получается, что ночью человек вроде бы проспал положенные шесть-восемь часов, но проснулся невыспавшимся, вялым и разбитым, просто потому, что утром в крови почти не осталось кофеина.

Похоже, что утреннее вялое состояние, в котором обычно просыпаются любители кофе, – не совсем норма. Люди, не привыкшие пить кофе, чувствуют себя по утрам гораздо лучше, чем кофеманы. Волшебное действие утреннего кофе, который буквально преображает нас и позволяет проснуться, взбодриться и посмотреть на мир веселее, связано не с тем, насколько хорошо нам с кофе, а с тем, насколько плохо без него.

Кофе настолько распространен, что в исследованиях очень сложно отделить одни эффекты (положительные от кофеина) от вторых (отрицательных от абстиненции). Что, если кофе не так уж и заряжает энергией, а просто снимает дискомфорт от того, что мозг изголодался по кофеину и физически страдает без него? Чтобы проверить это, необходимо сравнить людей, которые не представляют своей жизни без кофеина, с теми, кто его вообще не употребляет, включая шоколад и колу. Проблема в том, что найти человека, совершенно не употребляющего кофеин, в современном мире очень сложно. А уж утверждать, что он такой же, как и все, и нелюбовь к кофе – это его свободный выбор, а не особенности обмена веществ и невосприимчивость к кофеину, и вовсе невозможно.

В итоге почти все исследования эффектов кофеина, о которых мы говорили выше, проводятся на людях, пьющих кофе практически каждый день. Как чаще всего выглядит такое исследование? Участников просят приехать в лабораторию, воздержавшись от утреннего кофе и чая, чтобы оценить, насколько хорошо человек справляется с тестами до того, как ученые дадут ему определенную дозу кофеина, и спустя полчаса-час после того, как участник его получит. Такой подход совершенно не учитывает, что без кофе по утрам участники могут страдать от кофеиновой ломки, которая в той или иной степени есть у всех людей, регулярно пьющих кофе. Выходит, многочисленные исследования могут измерять не то, насколько эффективен кофе, скажем, для концентрации внимания, а то, насколько людям сложно собрать себя в кучу и сконцентрироваться, когда они страдают от абстиненции без привычного кофе.

Чтобы разделить эффекты от ломки без кофеина и от кофе, нужны более сложные и дорогие исследования: не просто набрать участников на полдня тестирования, а поселить добровольцев на несколько недель туда, где можно контролировать количество кофеина в пище, дождаться момента, когда полностью исчезнут симптомы кофеиновой абстиненции (обычно на это требуется примерно неделя), и затем сравнить, влияет ли кофеин на участников, если они привыкли обходиться без кофе [10].

Такие эксперименты были выполнены. Участники одного из исследований четыре недели жили под наблюдением ученых, которые контролировали содержание кофеина в диете волонтеров. Каждую неделю участники либо три раза в день получали кофеин в дозе, эквивалентной чашке кофе, либо с той же периодичностью пили напитки без кофеина. На седьмой день исследователи тестировали участников до и после получения дозы кофеина. Как и ожидалось, в таких условиях почти весь эффект от кофеина оказался связан с кофеиновой ломкой. Шести дней без кофеина вполне достаточно, чтобы снять синдром отмены кофе. На седьмой день выпитый кофеин мало влиял на участников испытаний – наиболее заметным было его влияние на настроение. Если же участники всю неделю пили кофеин, на седьмой день без него они гораздо хуже справлялись с тестами, а кофеин просто возвращал их результат к безкофеиновой норме.

Несколько исследований, в которых людей лишали кофеина на более длительное время – три-шесть недель, – показали, что в этом случае кофе влияет на работоспособность сильнее: возможно, нашей внутренней аденозиновой системе нужно больше времени, чтобы не просто компенсировать отсутствующий кофе, а по-настоящему восстановиться и перестроиться на режим работы без кофеина.

Итак, если кофе не слишком-то увеличивает нашу продуктивность, а скорее делает ее зависимой от того, получили ли мы привычную дозу кофеина, стоит ли вообще начинать его пить? На этот вопрос нет универсального ответа, но если вы пьете кофе только ради его бодрящих качеств, возможно, причин продолжать в том же духе у вас поубавилось.

Тем не менее многолетнее употребление кофе не проходит бесследно. Несмотря на то что особого бодрящего эффекта от кофе ждать не приходится, напиток все же благотворно влияет на здоровье. Многолетние наблюдения за здоровьем тысяч людей в западных странах говорят о том, что кофе снижает риск смерти от множества заболеваний – сердечно-сосудистых, онкологических и нейродегенеративных [11]. Кофеин снижает риск смерти от инфаркта миокарда, болезней Паркинсона и Альцгеймера. Одно из немногих состояний, когда стоит ограничить объемы потребляемого кофеина, – беременность: высокие дозировки кофе связаны с риском выкидышей, раннего родоразрешения и низкого веса рожденных младенцев.

Согласно данным исследований, безопасная дозировка кофеина составляет 300–400 мг в сутки, что соответствует трем-четырем чашкам кофе в день. Если у вас нет проблем со сном и тревожностью, возможно, снижение риска заболеваний – достаточная плата за то, чтобы просыпаться вялым и разбитым – до первой чашки ароматного кофе.

Состояние алкогольного опьянения способно преобразить человека. Тот другой из цитаты Эмиля Кроткого способен на очень многое из того, о чем человек в трезвом состоянии боялся бы и помыслить.

Многие смешные истории начинались с того, что их главные действующие лица напивались и переставали себя контролировать – впрочем, некоторые страшные и трагичные истории начинались с того же. Люди по пьяной лавочке лезут в драки, танцуют на столах, принимаются откровенничать и выбалтывать секреты, идут купаться в неизвестных водоемах неглиже или устраивают заплыв в фонтане при полном параде, засыпают в ванной вместо кровати и пишут-пишут-пишут своим бывшим сообщения, о чем непременно пожалеют на следующий день. Запрос в Яндексе «пьяные сообщения бывшим» дает 10 миллионов результатов – остается только догадываться, сколько историй не попало на просторы интернета, но изрядно попортило жизнь всем участникам на следующее утро после веселья. С наступлением цифровой эпохи пятно позора после неудачной пьянки может стать практически несмываемым, так что напиваться на корпоративах и вечеринках сейчас опаснее, чем раньше. Теперь пьяные выходки могут прославить человека на весь интернет, а не просто послужить предметом для шуток в узком кругу знакомых.

Так что же такого алкоголь делает с людьми? Перед тем как рассказать о том, что знают об этом ученые, нужно пояснить, почему нам известно не так уж много. Ученым непросто разобраться с тем, почему алкоголь влияет на поведение тем или иным образом и как именно это происходит. Есть несколько обстоятельств, которые все здорово усложняют:

1. Этанол – очень маленькая и юркая молекула, которая быстро проникает буквально повсюду. Она прекрасно растворяется не только в воде, но и в жирных мембранах клеток, за счет чего без спроса проникает в любую клетку и начинает там хозяйничать. Раньше ученые предполагали, что этанол может влиять на мозг неспецифически, то есть все эффекты можно объяснить особенностями работы нервной ткани в слабом спиртовом растворе [1]. Потом все-таки выяснилось, что у этанола есть излюбленные мишени в мозге. Однако отловить (и изучить) эффекты этанола на нервные клетки не так-то просто: многие такие исследования начинаются с опытов в пробирке, а в этих условиях алкоголь способен влиять буквально на любую биохимическую реакцию, вопрос только в концентрации алкоголя, которая для этого необходима.

2. Ну хорошо, не все исследования мозга сводятся к молекулам. Можно же засунуть человека в томограф и посмотреть, каким образом меняется активность отдельных участков мозга – где она растет, а где падает. Однако и тут возникают проблемы: алкоголь расширяет сосуды, а изменение активности мозга оценивают как раз по кровотоку. Точнее, по тому, насколько интенсивно те или иные участки мозга потребляют энергию, и куда кровь приливает сильнее. В условиях, когда сосуды расширены просто потому, что в крови алкоголь, разобраться, что к чему и где это произошло «просто так», а где «потому что нужна энергия», очень непросто.

Казалось бы, здесь можно найти обходной путь: существуют исследования, где добровольцам предварительно вводят вещество с радиоактивной меткой, которое мозг активно потребляет (чаще всего это обычная глюкоза). Однако эти исследования не такие безопасные, как без использования меток, и даже там расширение сосудов привносит множество помех в сигнал [2]. А еще алкоголь и сам может служить источником энергии вместо глюкозы [3], и это тоже запутывает возможные результаты.

3. Теперь перейдем от условий экспериментов непосредственно к воздействию спиртного на организм. Тут тоже есть проблемы, потому что многие из эффектов алкоголя СУБЪЕКТИВНЫ. Если, выпив вина, мечтаете поцеловать красавчика, сидящего напротив, или набить морду шумному типу в дальнем углу, исследователь об этом ничего не узнает, пока вы в состоянии себя контролировать или пока сами не сообщите ему.

Чтобы оценить субъективные эффекты опьянения, ученые набирают добровольцев, объясняют им суть эксперимента, а когда волонтер выпил спиртное и опьянел, предлагают заполнить опросник, обычно состоящий из нескольких десятков вопросов. Некоторым людям уже после первой рюмки непросто справиться с этим заданием: в голове начинает шуметь, буквы расплываются, смысл вопроса ускользает, а в изрядном подпитии заполнить опросник могут только гении концентрации и титаны самообладания и рассудительности, которые к тому же сохранили способность держать в руках карандаш или ручку и не промахиваться мимо строк и клеточек с ответами. Это не считая того, что спаивать людей до такой степени крайне неэтично, хоть это и может дать ценные научные результаты.

4. Еще одна проблема: то, что будет происходить с человеком в состоянии алкогольного опьянения, во многом зависит от того, чего он ожидает от состояния алкогольного опьянения [2, 4].

Разные культуры по-разному представляют себе людей подшофе: в некоторых странах люди скорее ожидают от нетрезвых собеседников агрессивного поведения, в других – приподнятого настроения. Самое интересное, что, выпив, люди склонны вести себя так, как от них того ожидают, даже когда не вполне себя контролируют.

Для того чтобы учесть такие эффекты, ученые обычно используют плацебо-контролируемые исследования: участников делят на две группы, но никто (иногда включая даже самих исследователей), не знает, какая из них получает действующее вещество, а какая – бесполезное плацебо. Однако большинство людей легко отличают безалкогольный коктейль от алкогольного – у них просто-напросто разный вкус независимо от того, сколько там ароматизаторов, подсластителей или специй. Обмануть людей не так-то просто, хотя ученые все равно стараются. Одни исследователи требуют от участников полоскать рот сразу после того, как они выпили напиток, чтобы перебить вкус; другие разрабатывают протоколы внутривенного введения алкоголя в обход вкусовых рецепторов. Однако, несмотря на эти ухищрения, люди чувствуют, пьяны они или нет, особенно если речь идет о высоких дозах этанола. Если участник знает, что он пьян, его представления о том, как ведут себя пьяные, могут здорово повлиять на то, как он будет себя вести, и с этим уже ничего не поделаешь.

5. Опьянение представляет собой мешанину как СТИМУЛИРУЮЩИХ, так и РАССЛАБЛЯЮЩИХ эффектов [4] и будет проявляться у людей по-разному. Алкоголь может стимулировать на сомнительные подвиги, когда люди не спят и веселятся ночи напролет, а может провоцировать людей на импульсивные поступки и приступы неконтролируемой ярости и в то же время снимать тревогу, вызывать сонливость, мешать сосредоточиться, замедлять скорость реакции и ухудшать координацию движений. Напряженные мышцы обмякают, голос становится невыразительным, а речь невнятной. Способность мыслить трезво не зря носит такое название: алкоголь лишает человека возможности рассуждать, анализировать, выполнять подсчеты и учитывать тонкие нюансы или отдаленные последствия при принятии решений.

Какие из этих эффектов и в какой мере будут свойственны именно вам, зависит от генов, социальной среды, особенностей воспитания, жизненного опыта и истории употребления спиртного, а еще от состояния здоровья, гормонального статуса и множества других факторов, не все из которых возможно отследить. Индивидуальные картины опьянения могут кардинально отличаться от человека к человеку, хотя, скорее всего, в них будут присутствовать некоторые из описанных выше эффектов.

Несмотря на все эти трудности, ученые уже немало знают о том, как алкоголь действует на мозг. Так что давайте разбираться.

Эффект от воздействия небольших доз этанола можно наблюдать на любых посиделках с выпивкой: люди становятся оживленными, раскованными и разговорчивыми, все в приподнятом настроении, много смеются и увлеченно общаются друг с другом. В английском языке даже есть такой термин – social drinking, то есть выпивка в компании. Здесь подразумевается, что люди не стремятся напиться, а хотят пропустить по кружке пива, бокалу вина или рюмке коньяка в приятельской компании, иногда в честь какого-то знаменательного события (хотя не факт, что все пойдет как планировалось).

Чувствительность к этанолу отличается у разных людей, она зависит от пола, возраста, генов и опыта употребления спиртного, но для простоты будем считать, что состояние легкого опьянения наступает после того, как человек выпил одну дозу спиртного (150 мл вина, пол-литра пива или 50 мл крепкого алкоголя, что соответствует примерно 10–15 граммам этанола). Уровень этанола в крови на этом этапе сопоставим с тем, когда уже нельзя за руль[58].

Стандартная доза алкоголя для разных видов напитков

Запрет управлять автомобилем, если человек выпил, имеет веские причины. Даже несильное опьянение мешает быстро оценить ситуацию на дороге и моментально среагировать, если что-то пошло не так. Оценить ситуацию и среагировать на нее – это два разных процесса, и алкоголь ухудшает оба. Он ослабляет концентрацию и рассеивает внимание, то есть мешает заметить важные детали на дороге – например, старушку, которая в ночи переходит ее в неположенном месте. Одновременно с этим скорость реакции под действием алкоголя тоже замедляется: в момент, когда старушка все же попала в фокус внимания, водителю требуется больше времени, чтобы среагировать и увести автомобиль в сторону; координация движений тоже ухудшается. При этом из-за рассеянности водитель иногда не учитывает, что рядом могут быть другие автомобили, и это тоже приводит к авариям.

Конечно, если бы это было единственным эффектом от опьянения, вряд ли выпивка вызывала бы в людях столько ажиотажа. Алкоголь расслабляет, снижая тревожность и зажатость, а те вещи, которые раньше казались угрожающими, перестают пугать и вообще беспокоить.

Обычно, когда люди думают о чем-то, что их тревожит или пугает, в мозге активируется миндалина – этот отдел обрабатывает угрожающие сигналы и отвечает за реакции тревоги и страха. Однако если человека напоить, чувства страха и тревоги притупляются.

Когда трезвым добровольцам внутри томографа показывают испуганные или агрессивные лица, ученые видят, как активируются их миндалины. Если перед этим добровольцев напоить, их миндалины перестают различать угрожающие и нейтральные стимулы – человек видит испуганное или яростное лицо, но его это совершенно не беспокоит [2].

Есть еще один важный эффект, из-за которого алкоголь ставят в один ряд с другими наркотическими веществами: он доставляет удовольствие, и его регулярное употребление способно вызывать зависимость. Этанол в небольших дозах приводит к выбросу дофамина в зонах среднего мозга, поэтому выпивающие на вечеринках люди такие оживленные и радостные. Дофамин – великий мотиватор мозга: он влияет на двигательные зоны, и люди чувствуют оживление и прилив энергии. В лимбической системе выброс дофамина ведет к тому, что человек испытывает воодушевление и радость, как будто вот-вот должно случиться что-то прекрасное или приятное. Чаще всего это переживание не имеет под собой других оснований, кроме воздействия алкоголя, то есть это просто искаженное восприятие действительности, но кому какое дело? К тому же, как сказано ниже, способность критически мыслить под алкоголем тоже отключается.

Что же происходит с критическим мышлением? Алкоголь воздействует на префронтальную кору, мешая ей нормально работать. Эта область выполняет множество сложных и важных функций, фактически здесь расположен командный центр мозга. Префронтальная кора связана с нашими убеждениями, способностью рассуждать, анализировать информацию и делать из нее выводы, оценивать силу и убедительность различных аргументов и на основе этого принимать взвешенные решения. Считается, что за ошибками следит прежде всего дорсолатеральная префронтальная кора, но, по-видимому, алкоголь ухудшает работу и других отделов. Поэтому в нетрезвом состоянии вообще тяжело соображать – планировать, анализировать, концентрироваться на задаче и удерживать в памяти важные вещи, – а не только критически мыслить. Если же после выпивки вам, наоборот, кажется, что мысли стали кристально ясными и четкими, скорее всего, они просто чрезвычайно ограничены, поскольку для широты мысли нужна исправно работающая префронтальная кора.

В небольших количествах алкоголь растормаживает психику, отпуская внутренние тормоза со стороны префронтальной коры. В трезвом состоянии она старается максимально все контролировать, не давая людям рисковать, если возможные неприятности кажутся неприемлемыми. В итоге префронтальная кора подавляет множество эмоциональных порывов, поэтому большинство людей в состоянии себя сдерживать, даже когда считают ситуацию возмутительной или обидной.

Вполне можно допустить, что у многих людей внутренние тормоза слишком пережимают, подавляя даже вполне безобидные порывы – кому-то сложно выдавить из себя даже банальный комплимент или просто поддержать разговор с малознакомым собеседником. Поэтому, немного выпив, зажатые люди могут становиться раскованнее, веселее и спонтаннее. Алкоголь ослабляет хватку префронтальной коры на внутреннем тормозе, который блокирует сколько-нибудь рисковые ходы, чтобы вдруг чего не вышло. У импульсивных людей этот же эффект может выглядеть совершенно по-другому: на месте адекватного человека появляется непредсказуемый тип, совершенно себя не контролирующий, – это буквально то, что называется «вообще без тормозов».

Участки мозга, на которые влияет алкоголь, и за что они отвечают

Те, кто и в трезвом состоянии не может справиться со своей импульсивностью и сначала делает, а потом думает, в нетрезвом особенно рискуют сделать то, о чем наутро придется сильно пожалеть. Помимо того что поведение таких людей сильнее подвержено влиянию этанола, у них выше риск алкоголизма – развития хронической зависимости от алкоголя. В конце концов, желание выпить тоже может быть эмоциональным позывом, который иногда полезно подавлять.

По мере того как люди набираются коктейлями, пивом, вином или чем покрепче, их поведение преображается. Оживление спадает, расслабление нарастает. Фокус внимания сужается, и человек не способен удерживать в голове одновременно больше одной идеи – ему просто не хватает на это ресурсов рабочей памяти. Людям все сложнее фокусировать взгляд, внятно выговаривать сложнопроизносимые фразы или дойти до уборной, не шатаясь.

Хотя никакой четкой границы между легким и средним опьянением нет, между этими состояниями все же есть заметные отличия.

Во-первых, высокие концентрации алкоголя уже не приводят к выбросу дофамина. Настроение уже не такое приподнятое, на смену оживлению и радости могут прийти заторможенность и апатия. Кроме того, чем сильнее степень алкогольного опьянения, тем сильнее отключается внутренний контролер; в какой-то момент человек вообще перестает отдавать себе отчет в том, что он делает. А поскольку одновременно с этим миндалина перестает реагировать на тревожные сигналы, чувство самосохранения начинает подводить. Вероятно, эти два эффекта, когда человек перестает себя контролировать с одновременным снижением восприимчивости к пугающим сигналам, приводят к тому, что по пьяни тянет на всякую фигню, и иногда это может закончиться очень плачевно. Выражение «слабоумие и отвага» вполне применимо к этой ситуации: алкоголь отключает префронтальную кору, ответственную как раз за умственные способности, и миндалину, которая отвечает за осторожность и в трезвом состоянии замечает все тревожное и страшное.

В больших концентрациях алкоголя седативные (расслабляющие и тормозящие) эффекты преобладают над возбуждающими. Алкоголь часто называют депрессантом, но в виду имеется не его способность вызывать депрессию[59]. Ученые подразумевают немного другое: алкоголь активирует тормозные системы внутри мозга и тормозит активирующие. Получается, что общий баланс между возбуждением и торможением под влиянием алкоголя смещается в сторону торможения, то есть происходит подавление (депрессия) общей мозговой активности. Чем больше выпито, тем сильнее этот эффект.

Некоторые зоны мозга этанол угнетает сильнее, чем другие. Помимо уже упомянутых миндалины и префронтальной коры заметно страдает мозжечок – главный центр координации движений в нашем мозге. Из-за этого становится невнятной речь: голосовой аппарат – это множество мелких мышц, которыми нужно точно и быстро управлять, чтобы выговаривать звуки по отдельности и складывать их в слова и предложения. Имитируя пьяную речь, люди «проглатывают» звуки и снижают темп – именно это происходит, когда мозжечок перестает справляться с речью. При этом восприятие речи на слух страдает гораздо меньше: зрительные и слуховые зоны коры, по всей видимости, самые крепкие орешки, которые сопротивляются воздействию этанола до последнего.

Вторая «мозжечковая» история – раскоординация мышц тела и конечностей – не только выливается в нетвердую походку и риск падения, но приводит и к невозможности выполнять мелкие движения руками. В высоких концентрациях эффект от алкоголя может быть просто сногсшибательным – в самом буквальном смысле этого слова. Если перед человеком начинают танцевать стены, пол и потолок, а ноги не слушаются, это говорит о том, что мозжечок уже почти в нокдауне. Иногда по ногам дает намного раньше, чем по голове: человек в состоянии довольно связно мыслить, но ноги его уже не держат.

На почки, которые производят мочу, алкоголь может действовать и напрямую, и через мозг: в обоих случаях это приводит к тому, что почечные канальцы не откачивают из мочи излишки воды, постепенно обезвоживая организм. В мозге этанол действует через гипофиз, который отвечает за гормональный фон организма. Даже невысокие концентрации этанола приводят к тому, что гипофиз выделяет меньше вазопрессина – это вещество еще известно как антидиуретический гормон. Второе название объясняется просто: чем больше в крови вазопрессина, тем слабее диурез – так ученые называют процесс производства мочи. Когда вазопрессина недостаточно, мочи, наоборот, производится больше необходимого. Это выливается в постоянные отлучки в туалет, а если человек допился до свинского состояния, может и вовсе привести к недержанию мочи.

Последняя вещь, о которой нужно упомянуть, – это снижение восприимчивости к боли [7]. То, что этанол способен заглушать боль, было известно очень давно: врачи, особенно военные, использовали эту особенность спиртного с древних времен, когда у них не было других болеутоляющих средств – анальгетиков. Алкоголь воздействует на эндогенные опиоидные системы мозга, которые блокируют восприятие боли (а отчасти связаны с улучшением настроения, дополняя влияние дофамина). Нечувствительность к боли вкупе с раскоординацией движений и плохим самоконтролем многократно увеличивают риск всевозможных травм в пьяном состоянии. Организм при этом может серьезно пострадать, даже если его обладатель и не почувствует сразу, насколько плохо дело. Злоупотребление алкоголем имеет множество крайне серьезных последствий и для самого человека, и для окружающих его людей.

Однако взаимоотношения боли и алкоголя не так просты: алкоголь способен не только облегчать боль, но и усиливать ее. Речь идет не только о похмельной головной боли. Люди, злоупотребляющие алкоголем, повышают риск развития болевых синдромов [7]. Опыты на животных показали, что на 10–12-й день пьянства обезболивающие свойства алкоголя постепенно исчезают, и чувствительность к боли восстанавливается. Если долго и в заметных количествах принимать этанол, нарушается тонкая регуляция опиоидной системы мозга и уровень эндогенных опиатов снижается.

Абстинентный синдром тоже связан с высокой чувствительностью к боли: у тяжелых алкоголиков, прекративших употреблять спиртное, физические и психические нарушения зачастую сопровождаются гиперальгезией, когда даже небольшие болевые стимулы становятся крайне болезненными.

Гиппокамп – еще одна зона, страдающая от этанола. Он отвечает в том числе за эпизодическую память, то есть то, насколько точно и полно человек может воспроизвести произошедшее с ним. Этанол влияет на гиппокамп практически сразу, но в полной мере это удается почувствовать только с утра. Часто события алкогольного угара сложно воспроизвести: все как в тумане, последовательность событий путается, обстоятельства случившегося и причинно-следственные связи вспоминаются с трудом. Если человек вообще не в состоянии вспомнить события вечеринки, это очень тревожный сигнал: с умеренными дозами алкоголя гиппокамп все-таки справляется и хоть какие-то события вчерашнего утром получается припомнить.

Если человек перебрал со спиртным вечером, вполне вероятно, что с утра он будет мучиться от похмелья. Почему же оно вызывает столько страданий?

Алкоголь, особенно в больших количествах, вызывает сильную интоксикацию (отравление) всего организма, и при этом мозг обычно страдает сильнее, чем остальные органы [3]. Немедленные последствия сменяются отложенными, но все они вызваны употреблением спиртного – в этот раз в чрезмерном для организма объеме.

Во-первых, из-за мочегонных свойств алкоголя организм обезвоживается, и это влияет на обмен веществ и протекание почти всех процессов в организме. Обезвоживание само по себе способно вызывать головную боль, тошноту и головокружения. После попойки обычно хочется пить, при этом народным средством считается рассол: таким образом можно не только восполнить нехватку жидкости, но и восстановить дефицит электролитов, который случается при обезвоживании.

Во-вторых, алкоголь в организме постепенно преобразуется в ацетальдегид, который затем превращается в уксусную кислоту – таков путь превращений этанола в нашем обмене веществ. Уксусная кислота может служить источником энергии, распадаясь на углекислый газ и воду [в цикле Кребса]. В том объеме, в каком она получается из этанола, уксусная кислота повредить организму не может, а вот промежуточный продукт – ацетальдегид – очень токсичен, особенно для клеток мозга. За превращение этанола в уксусную кислоту отвечают два белка-фермента – алкогольдегидрогеназа и альдегиддегидрогеназа, – они отщепляют от алкоголя или альдегида атомы водорода (hydrogen по-латыни и на английском). Если первый фермент работает быстрее, чем второй, в тканях постепенно накапливается ацетальдегид. У многих азиатов из-за генетических особенностей альдегиддегидрогеназа работает плохо, и похмелье наступает даже после небольших доз алкоголя.

Еще одна из причин похмелья связана с нейровоспалением. Алкоголь и особенно образующийся из него ацетальдегид могут повреждать клетки и ткани, кроме того, они активируют факторы воспаления – интерлейкины и цитокины. Воспаление играет не последнюю роль в похмельном синдроме – это косвенно подтверждается и тем, что противовоспалительные препараты вроде ибупрофена помогают облегчить головную боль и другие мучительные симптомы похмелья.

Отравление алкоголем может выводить из строя митохондрии – главные энергетические станции клетки. В других тканях это может быть не так заметно, но нервные клетки потребляют примерно в десять раз больше энергии, чем остальные; фактически митохондрии здесь работают на пределе своих возможностей, чтобы обеспечить потребности мозга в энергии. Даже небольшие повреждения митохондрий приводят к тому, что в клетках накапливаются активные формы кислорода и свободные радикалы – своего рода преступные элементы внутри биохимического мира, которые осложняют жизнь другим молекулам и могут приводить к повреждениям внутри клеток. Исследования показали, что нервные окончания с синапсами страдают от алкоголя в первую очередь – здесь энергия расходуется на то, чтобы проводить нервные импульсы, а без этого работу мозга невозможно представить.

То, насколько тяжелым будет похмелье, зависит не только от того, сколько было выпито, но и от того, что конкретно пили. Чаще всего алкогольные напитки представляют собой не просто раствор этанола в воде – в них дополнительно содержатся сахар и сопутствующие продукты брожения, среди которых могут быть примеси метанола, аминов, амидов, ацетона, ацетальдегида, полифенола, эфиров, танинов и т. п. Примесей, способных усугубить похмелье, особенно много в красном вине и винных дистиллятах (бренди и коньяки), а меньше всего в водке, но качество спиртного тоже играет в этом не последнюю роль.

Наконец, на похмелье могут влиять индивидуальные особенности: по данным исследований, от 5 до 23 % людей не страдают от похмелья или испытывают только легкие симптомы, если сильно перебрали, в то время как другие могут заработать тяжелое похмелье, даже выпив совсем немного. Лучший способ предотвратить возможное похмелье – не пить вовсе.

Как понять, нет ли у вас алкогольной зависимости, если вы регулярно потребляете спиртное? Риск развития алкогольной зависимости зависит от генетических особенностей и индивидуальных черт, от социальной среды и жизненного опыта человека: считается, что в группе риска находятся импульсивные люди с ослабленным самоконтролем, люди из депрессивных регионов, с семейной историей алкоголизма.

Однако в группе риска могут оказаться и очень уравновешенные люди, особенно если они недавно столкнулись с тяжелыми жизненными обстоятельствами, утратой или горем. В одном из руководств по психическим расстройствам (DSM-IV[8]) выделяют следующие тревожные сигналы развития алкогольной зависимости:

• вырабатывается толерантность к алкоголю, то есть требуется больше спиртного, чтобы опьянеть;

• если по каким-то причинам алкоголь какое-то время недоступен, появляется синдром отмены: тревожность, частое сердцебиение, потливость, дрожание рук, нарушения сна, может даже повышаться температура;

• потребление алкоголя происходит дольше и/или в больших количествах, чем изначально планировалось;

• постоянная тяга к алкоголю или неудачные попытки сократить выпивку;

• все больше времени человек проводит за потреблением алкоголя или восстановлением после этого;

• другие цели и способы времяпрепровождения все сильнее вытесняются выпивкой, человек перестает интересоваться и заниматься другими делами;

• потребление алкоголя продолжается, несмотря на то что человек осознает его вред для своего физического и психологического состояния.

Если у вас за последний год наблюдались хотя бы три симптома из этого списка, это уже повод обратиться к специалисту – у вас проблемы с алкоголем. Надеюсь, что взаимоотношения читателей и их близких с алкоголем никогда не зайдут настолько далеко.