Функция нейронов заключается в передаче электрохимического импульса по принципу обычного электрического выключателя. В нейронах производятся особые химические вещества – нейромедиаторы, – передающиеся в качестве сообщения другим нейронам посредством своеобразного контакта – синапса. Таким образом один нейрон способен активировать другой нейрон. Всего существует более 60 видов нейромедиаторов. Некоторые из них вызывают эмоциональное возбуждение, а некоторые оказывают успокаивающее действие. Существуют различные формы и размеры синапсов: форма и размер отдельного синапса изменяются, когда человек получает новую информацию. 80 % всех импульсов в головном мозге стимулируются двумя нейромедиаторами: глутаминовой кислотой, являющейся одним из важных представителей класса «возбуждающих аминокислот», и гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК), выполняющей в организме функцию ингибирующего медиатора[3] центральной нервной системы. Глутаминовая кислота – это «рабочая лошадка» головного мозга. Когда она передает импульс между нейронами, не имевшими ранее связи, то стимулирует дальнейшую активность между ними. Чем чаще активируется эта нейронная связь, тем крепче она становится. Гамма-аминомасляная кислота, напротив, снимает возбуждение и оказывает успокаивающее действие. На ее производство направлено воздействие таких лекарственных препаратов, как «Валиум» или «Ативан», которые обычно выписывают для снятия тревожности. В организме должен быть оптимальный уровень ГАМК, чтобы человек не испытывал тревожности и напряжения, но для этого необязательно прибегать к использованию названных медикаментов (подробнее см. главу 6).
Хотя глутаминовая кислота и ГАМК являются основными нейромедиаторами, помимо них существует еще с десяток других нейромедиаторов, также играющих важную роль в функциях головного мозга. Они отвечают лишь за какую-то часть активности между нейронами, но тем не менее оказывают сильное влияние на эти нейроны. Такие нейромедиаторы активно изучают, и многие лекарственные препараты были созданы, чтобы воздействовать именно на них.
К трем наиболее подробно изученным нейромедиаторам относятся серотонин, норадреналин и дофамин. Иногда их также называют нейромодуляторами, так как они изменяют чувствительность рецепторов, повышают активность нейрона или стимулируют нейрон к производству большего количества глутаминовой кислоты. Они также помогают снизить уровень «шума», подавляя другие сигналы, поступающие в синапс. Но иногда они, напротив, повышают интенсивность других сигналов. Эти три нейромедиатора или действуют напрямую, как глутаминовая кислота и ГАМК, или регулируют информационный поток, который обрабатывается в синапсах.
Серотонин привлек общественное внимание из-за широкого распространения некоторых антидепрессантов. Серотонин играет важную роль в механизмах эмоциональной регуляции. Низкий уровень серотонина вызывает тревожность, депрессию и даже способен привести к развитию обсессивно-компульсивного расстройства.
Серотонин сравним с регулировщиком дорожного движения: он помогает контролировать процесс активности головного мозга. Довольно часто от людей, принимающих антидепрессанты, можно услышать что-то вроде: «Меня перестали раздражать очень многие вещи». Однако у этой медали есть и оборотная сторона: обычно под воздействием подобных препаратов у людей настолько снижается порог эмоциональной реакции, что они говорят: «Я знаю, что раньше я был бы поражен красотой этого заката, но сейчас подобные вещи меня не трогают».
Норадреналин стимулирует внимание. Он усиливает сигналы, воздействующие на восприятие, возбуждение и мотивацию. Как и серотонин, норадреналин связан с управлением эмоциональным состоянием и депрессией. На выработку норадреналина в организме направлено воздействие некоторых антидепрессантов.
Дофамин усиливает и фокусирует внимание. Он служит частью «системы вознаграждения» мозга и является одним из основных нейромедиаторов, вызывающих чувство удовольствия, чем влияет на процессы мотивации и обучения. Когда человек испытывает удовольствие, дофамин активизирует область, известную как «центр подкрепления», или «центр удовольствия». Аналогичным образом активация этой области происходит и при употреблении наркотиков, во время азартных игр и при других типах зависимостей. При частой активации этой области мозга становится трудно прекратить совершать действия, ведущие к ее возбуждению. Лекарственные препараты, стимулирующие выработку дофамина, как правило, назначаются пациентам с синдромом дефицита внимания при гиперактивности (СДВГ). У людей, принимающих подобные препараты (обычно их назначают детям и подросткам), отмечается повышение концентрации внимания и снижение тревожности.
Нейроны, которые вместе активируются, формируют связи
За последние 20 лет было получено множество подтверждений возможности изменения силы синапса. Эта возможность лежит в основе механизма синаптической пластичности, или нейропластичности. Синаптическая связь между нейронами способна меняться.
Синаптическая пластичность считается основным механизмом, с помощью которого реализуется феномен памяти. Вопросу улучшения памяти в этой книге посвящена глава 4. Сейчас отметим только тот факт, что при запоминании новой информации происходит изменение синаптических связей. Мозг был бы просто неспособен фиксировать новое, если бы его структура сохранялась неизменной. Таким образом, запоминание нового – это перенастройка мозга. Когда возникают связи между идеями и образами, также создаются и связи между нейронами, кодирующими информацию об этих идеях и образах.
Явление нейропластичности выражается в следующей фразе: «Используй, или потеряешь». Использование нейронных связей, представляющих определенный навык, приводит к их укреплению. Если же навык не задействован, то нейронные связи ослабевают. Похожим образом снижается мышечная сила, если прекратить регулярные физические упражнения.
«Нейроны, активирующиеся вместе, формируют связи» – вот удачное описание того, как меняется структура мозга под влиянием нового опыта. Чем чаще вы повторяете определенное действие (например, произносите слова с акцентом или вспоминаете какое-то событие из своего прошлого), тем прочнее становится нейронная связь между клетками мозга, которые совместно активировались для осуществления этого действия. Чем чаще активируется нейронная связь, тем выше вероятность активации этих нейронов в будущем.
Аналогично тому как эта фраза стала практически мантрой в нейрофизиологии, верно и противоположное утверждение: «Нейроны, активирующиеся по отдельности, не формируют связь». Это значит, что между нейронами, которые не синхронизированы, нейронная связь не образуется. Этот принцип функций нейронов объясняет механизм забывания.
Иными словами, чем чаще вы что-то делаете, тем выше вероятность, что вы сможете сделать это и в будущем. Именно поэтому бейсболисты не жалеют времени на отработку удара битой, игроки в гольф вновь и вновь выходят на поле, а пианисты практикуются часами. Тот же алгоритм применим и к мыслительному процессу. Чем больше вы думаете о своей тете Матильде, тем чаще ваши мысли будут возвращаться к ней. Повторение перенастраивает мозг и формирует привычку.
При совместной активации нейронов скорость их совместной активации постепенно повышается. Это ведет к увеличению продуктивности, так как с большей точностью определяется число нейронов, необходимых для выполнения определенного навыка. Например, в самом начале процесса обучения езде на велосипеде у новичка задействовано больше мышц, а значит, и больше нейронов, так как он пока только учится координировать движения. В дальнейшем, когда он начинает ездить на велосипеде увереннее и быстрее, ему требуется прилагать меньше мышечных усилий, то есть задействовать меньшее число нейронов. Произошло объединение необходимых нейронов при помощи нейронных связей.
Чем лучше человек осваивает определенный навык, тем больше у него становится участок мозга, отвечающий за выполнение этого навыка. Альваро Паскуаль-Леоне из Медицинской школы Гарвардского университета использовал метод транскраниальной магнитной стимуляции[4] для измерения отдельных участков коры головного мозга. Он исследовал слепых людей, способных читать по системе Брайля, и обнаружил, что карты коры мозга для пальцев, занятых при чтении рельефно-точечного письма, больше, чем карты коры мозга для остальных пальцев, а также для пальцев нормально видящих людей. Иными словами, повышенная чувствительность пальцев, занятых при чтении по системе Брайля, требовала больше пространства в структуре мозга. Таким образом, выученные движения стимулировали процесс нейропластичности, в результате которого в мозге было создано дополнительное пространство для этого навыка.
В еще одном эксперименте, посвященном изучению нейропластичности, участвовали музыканты, играющие на струнных инструментах. Исследователи выясняли, изменилась ли у них структура мозга для выделения дополнительного пространства для их навыка. У музыкантов и не-музыкантов не наблюдалось существенных отличий в том, какой участок сенсомоторной зоны (области в центральной части мозга, отвечающей за движения и физическое восприятие) контролировал пальцы правой руки (у музыкантов-правшей).
При этом наблюдались значительные различия в размере участка мозга, отвечавшего за пальцы левой руки (у музыкантов-правшей). Для игры на струнном музыкальном инструменте пальцы руки со стороны грифа (у правшей – левой) должны быть гибкими и натренированными. Участок коры мозга, контролирующий эти пальцы, был значительно больше у музыкантов, чем у не-музыкантов. Эта разница оказалась еще заметнее у людей, начавших занятия музыкой в возрасте до 12 лет.