какая часть головного мозга отвечает за интуицию

Голова – предмет тёмный, но исследованию подлежит. Что за что отвечает в головном мозге?

Способность дышать и двигаться, чувствовать боль и любить, создавать гениальные творения и совершать зло, подчас не поддающееся объяснению. Благодаря чему всё это возможно? Где скрывается наше «я»?

Как устроен головной мозг человека, как соотносятся его строение и функции, и каковы их особенности?

Попробуем разобраться в некоторых из них.

Существует положение, что чем более проста некая функция, тем точнее место ее локализации в головном мозге. С другой стороны, наиболее сложные функции обеспечиваются слаженной работой всего мозга, в связи с чем понятие «коркового центра» (определённой области коры головного мозга) большей частью относительное и условное.

Внезапно залаяла собака во дворе? Ориентировочный рефлекс в ответ на резкий звук возможен благодаря среднему мозгу. Кроме того, через этот отдел проходят пути, обеспечивающие зрение, слух, способность к движению и бдительности, контроль температуры и ряд других, которыми занимаются другие отделы мозга.

КОРА БОЛЬШИХ ПОЛУШАРИЙ ИМЕЕТ СЛОЖНОЕ
СТРОЕНИЕ И СОДЕРЖИТ 12-18 МЛРД НЕРВНЫХ
КЛЕТОК И БОРОЗДАМИ ДЕЛИТСЯ НА НЕСКОЛЬКО ДОЛЕЙ

А теперь закройте глаза и коснитесь пальцами кончика носа. Получилось без особого труда, не так ли? Это при том, что в этом плавном действии было задействовано много разных мышц. За координацию, равновесие, нормальные движения спасибо мозжечку.

Сложнее, сложнее

Эмоции, такие эмоции. Без них наша жизнь была бы не такой счастливой (несчастной?). Внутренняя борьба, иногда заставляющая нас сделать то, о чем мы потом пожалеем. Знакомо? Благодарим лимбическую систему. Интересно что это такое? Чуть подробнее о ней (и ее частях).

Беспокоитесь, грустите? А может вам страшно? Это возможно благодаря миндалевидному телу (миндалине). Любопытный факт: с левой миндалиной бывает связано и чувство счастья, а вот у правой «настроение» плохое всегда.

Читайте материал по теме: Билл Гейтс и его синдром Аспергера

И наконец.

Итак, какова ее роль?

Читайте материал по теме: Что происходит с мозгом аутистов?

С лобной долей связана также наша способность к движению (благодаря моторной коре), чёткому и разборчивому письму, артикуляции.

Ассоциативные функции обеспечиваются теменной долей коры. Здесь располагаются области, отвечающие за осязание, чёткие, комбинированные целенаправленные движения, чтение, познавание предметов, явлений, их смысла и символического значения.

Бросается в глаза, что.

Наиболее сложные функции памяти и мышления не имеют чёткого расположения, в их реализации принимают участие различные области мозга.

Почему важно знать, как связаны функция и структура головного мозга?

Диагностика. Представьте: у человека сильно разболелась голова. Спустя несколько минут он уже не смог поднять правую руку, а его речь стала невнятной. У пациента ухудшилось зрение с одной стороны, тогда как офтальмолог патологию со стороны глаз не обнаружил. Или, например, человек перестал понимать обращённую к нему речь.

Читайте материал по теме: Как предотвратить инсульт?

Зная о том, какие отделы в головном мозге отвечают за ту или иную способность, можно предполагать место расположения патологического процесса.

Лечение и реабилитация. Предположим, что в результате повреждения участка головного мозга после инсульта у человека «выпала» какая-то функция. Значит ли это, что теперь она не вернётся? Нет, далеко не всегда.

Благодаря такому свойству мозга, как пластичность, возможно эту функцию восстановить. Говоря простыми словами, под пластичностью можно понимать способность других областей мозга брать на себя функцию повреждённой его части. Однако этим процессом нужно целенаправленно заниматься. Поэтому после инсульта больному бывает необходим курс нейрореабилитации, в процессе которого он заново учится говорить, ходить, обслуживать себя.

Нет. Приведённые выше описания взаимоотношений структуры и функции далеко не исчерпывающие: на деле всё гораздо сложнее и выходит далеко за рамки объёма небольшой статьи.

Источник

Центры анализа и принятия решений в мозге: как мы принимаем решения и что мешает видеть очевидные

Как мы принимаем решения

А как принимаете решения Вы? Действуете ли Вы импульсивно, поддавшись мимолетным эмоциям? Или долго обдумываете каждый Ваш шаг, составляя списки «за» и «против»? Или спрашиваете мнения Ваших родных и близких и позволяете им принимать серьезные решения за Вас? Или, может, полагаетесь на Вашу «развитую интуицию»?

Попробуем разобраться в этих сложных процессах с нейроанатомической точки зрения и также рассмотрим, какие механизмы позволяют (или заставляют) человека принимать рискованные и самодеструктивные решения.

Любопытство не порок

При этом есть люди, которые легко принимают рискованные решения, и есть люди, которые предпочитают лишний раз «не переступать черту».

Почему мы так по-разному определяем и оцениваем потенциальную опасность наших действий?

Центры принятия решения против центров удовольствия

Поскольку в природе все предусмотрено и уравновешено, логично ожидать, что своеобразный «противовес» должен быть и у наших центров удовольствия. Эволюционно он появляется значительно позднее, и, в отличие от центров удовольствия, располагающихся в толще мозга, данная зона находится на поверхности мозга и является частью неокортекса (или новой коры).

Зона, которая нас интересует отвечает за рациональность, исполнительность, анализ рисков и выигрыша и процессы долгосрочного планирования. Эта зона находится в префронтальной коре. Именно здесь происходит (если он происходит) анализ совершаемых или планируемых поступков и их оценка с точки зрения немедленного получения результата или отсроченного, но более крупного выигрыша. Т.е. получу ли я синицу в руках или журавля в небе.

Здесь большое значение имеют и культуральные особенности – так, например, у нас распространено понятие «живем один раз», «наша жизнь настолько непредсказуема, что все равно не знаешь, от чего умрешь» и проч.

Это все достаточно распространённые отговорки, чтобы не задумываться об отдаленных последствиях своих рисковых решений.

К сожалению, у большинства людей срабатывает стратегия «немедленного выигрыша», т.е. доминируют более эволюционно древние, глубинные и примитивные структуры, которые и созревают раньше, и быстрее включается в процесс принятия решений, чем аналитические зоны, которым требуется некоторое время «на раскачку».

Нейромаркетинг против префронтального кортекса

Эффект «немедленного выигрыша» очень успешно эксплуатируют маркетологи, кредитные организации т ритейлеры, призывая купить нас то, что нам на самом деле не нужно, лишь потому что «только сегодня только для вас действуют суперскидки», не давая нам буквально опомниться и запустить наши аналитические зоны.

Наш мозг очень болезненно относится к потенциальным потерям и данную идею, что «мы можем что-то упустить или потерять» широко используют в нейромаркетинге.

У маркетологов есть четкое правило «ограничение времени действия акции/скидки» чтобы мы поторопились принять решение нашей «подкоркой».

Психоактивные вещества (ПАВ) против префронтального кортекса

Вернемся к ситуации употребления ПАВ. То, как люди балансируют между долгосрочными и краткосрочными наградой и наказанием, является важным фактором того, как они относятся к злоупотреблению субстанциями или поведенческим компульсиям (компульсивное переедание, шоппинг, в том числе он-лайн шоппинг). Если люди рассуждают о риске потребления алкоголя примерно в следующем ключе: «Хорошо, ты можешь выпить, но потом ты можешь лишиться водительских прав или получить проблемы на работе, дома», это значит, что они запустили программу анализа своего поведения несколько дальше выпитой рюмки спиртного.

Но большинство, к сожалению, рассуждает так: «лучше я выпью сейчас, а о дальнейших проблемах подумаю по мере их поступления» и выбирают удовольствия здесь и сейчас, несмотря на то что могут получить от этого проблемы.

Такие люди недооценивают долгосрочные риски и переоценивают краткосрочные выгоды. Почему же мы принимаем такие неверные недальновидные решения?

Что мешает нам принимать очевидные решения

Зачастую мы не осознаем этой борьбы, однако она происходит у нас каждый день, начинаясь, у некоторых, с раннего утра, когда мы пытаемся дотянуться до будильника или телефона, но продуманный планировщик с вечера поставил его подальше, чтобы утром до него нельзя было дотянуться. Это пример конструктивной борьбы. Но бывает, что аналитик недооценивает разрушающую силу деятеля, когда тот оказывается в триггерной горячей ситуации.

Так, например, шопоголик, идущий на распродажу «посмотреть, нет ли скидки на определенный товар» гарантированно вернется с кучей ненужных покупок, а человек, неравнодушный к алкоголю, собравшийся на вечеринку с твердым намерением пить там только сок тоже скорее всего не сдержит данного себе слова.

Таким образом наша задача – укрепить позиции аналитика в холодном состоянии.

Шопоголик может взять с собой лишь определенную сумму наличностью и оставить карту дома. А человеку с проблемным алкогольным поведением лучше и вовсе избегать питейных заведений (равно как и вино-водочных отделов в супермаркетах), если же это по каким-либо причинам невозможно может выпить накануне вечеринки противоалкогольный препарат.

Также важным фактором принятия нежелательных решений являются автоматизмы и бездумное, машинальное поведение. Так, например, одно из наиболее бездумных действий – прием пищи, если вы параллельно смотрите телевизор, читаете или зависаете в телефоне.

Почему подростки отличаются высокорискованным поведением?

Наши высшие корковые структуры и, соответственно, аналитические способности полностью созревают с возрастом (одна из составляющих опыта, мудрости).

Мозг подростка имеет незрелый неокортекс, однако, вполне созревшую систему вознаграждения, таким образом юный мозг как бы настроен на поиск и поглощение удовольствий без малейшей возможности их анализа и контроля. Т.е. в силу незрелости контролирующих мозговых структур начало злоупотребления ПАВ в подростковом возрасте чревато злокачественным течением, т.к. подросток нейрофизиологически не в состоянии полностью оценивать риски и последствия своих привычек (таким образом ограничение продажи алкоголя по возрасту имеет четкие нейрофизиологические основания!).

Под воздействием ПАВ развитие этих зон затормаживается и человеку уже и в зрелом возрасте сложно контролировать свое импульсивное поведение.

Более того, у ряда молодых людей, злоупотреблявших метамфетаминами по данным фМРТ (это способ, оценивающий уровень метаболизма глюкозы и соответственно активность конкретной мозговой зоны) активность префронтального кортекса была заметно снижена, что клинически выражалось во-первых, трудностью решения определенных аналитических тестовых заданий, во-вторых, быстрым рецидивированием после выхода из лечебной программы.

Вопрос, что в данной ситуации является первичным – повреждающее действие психостимуляторов или изначально невысокая активность центра принятия решений, остается открытым.

В любом случае нам необходимо помнить, что для «включения» аналитических зон (которые имеются у каждого!) требуется определенное время, после чего, в «холодном состоянии» нам будет проще проанализировать наши желания и прихоти на предмет того, являются ли они нашими истинными потребностями, или они продиктованы низшими подкорковыми структурами и мы, не включая кору, идем у них на поводу.

Источник

Психолог Сергей Ключников

Консультация психолога, психологическая помощь,

коучинг и тренинги в Москве, саморазвитие.

+7 (916) 525-6405,
+7 (499) 267-7309
Skype: kluchnikov07

Интуиция и мозг. Как активизировать интуицию и мозговые процессы?

Ясно, что интуиция связана с областью духа, но человек устроен так, что его дух может проявляться через мозг.

Тема интуиция и мозг активно изучается современной наукой.

Каким бы таинственным даром природы не выглядела интуиция все равно ее включение и работа прямым образом связаны деятельностью человеческого мозга.

Исследования мозговых аспектов интуиции имеют более, чем вековой стаж. Они выявили целый ряд законов и механизмов в работе мозга, один из которых получил название межполушарной асимметрии.

В процессе исследования интуиции и мозга было обнаружено, что правое и левое полушарие по-разному участвуют в психической деятельности человека и имеют отличное друг от друга анатомическое строение.

Левое полушарие отвечает за аналитическое мышление в широком смысле.

Речь, чтение, письмо, счет, словесная память, склонность к абстракции, выстраиванию логических цепочек, создание алгоритмов, детализация, планирование будущих действий, математические способности – все это находится в ведении левого полушария.

Правое полушарие отвечает за восприятие информации в целом.

При недостатке информации оно достраивает целостность картины, отталкиваясь от восприятия частей.

Оно специализируется на работе с той разновидностью информации, которая имеет дело не со словами и понятиями, а с символами, образами, пространственной ориентациями.

Узнавание человеческих лиц и их понимание, способность воспринимать музыку, воображение, мечты, художественная одаренность, этика, умение адаптироваться к сложным ситуациям, мир эмоций, образное мышление, сексуальные переживания, предвидение будущего, интуиция – все это находится под юрисдикцией и контролем со стороны правого полушария.

Если левое полушарие планирует будущее, правое его предвидит, в то же время воспринимая настоящее.

Исследуя тему интуиция и мозг ученые вышли на понимание механизма межполушарной ассиметрии.

Понимание этого процесса позволяет понять, как активизировать интуицию и мозговые процессы.

Каждое из полушарий контролирует противоположную сторону человеческого тела.

Левое полушарие управляет правой частью тела, а правое полушарие левой частью.

Когда мы поднимаем левую руку или топаем левой ногой, то это означает, что команду сделать подобные движения отдало правое полушарие.

Когда мы пишем правой рукой или пинаем мяч правой ногой, то это значит, что приказ совершить это движение отдало левое полушарие.

Неправильно считать, что каждая из перечисленных функций человеческой психики закреплена за тем или иным полушарием стопроцентно.

Практические исследования проблемы интуиции и мозга выявило один фундаментальный закон: во всех проявлениях нашей психики участвуют оба полушария, но в каждом случае преобладает какое-то одно.

Идеальным случаем взаимодействия двух полушарий при решении жизненных задач будет их слаженная, взаимодополняющая работа.

В этом случае работа интуиции и работа мозга синхронизируются.

Например, изобретатель, придумывая некий механизм, облегчающий жизнь людей, активно использует интуицию и образное мышление.

Однако для обоснования своих открытий, диалога с патентным бюро или возможным спонсором он включает левое полушарие.

Писатель, пребывающий в состоянии вдохновения в большей степени задействует правое полушарие.

Но при оформлении мыслей в слова и особенно при общении с издателем он вынужден становиться «левополушарным»

Но бывают случаи, когда полушария входят в состояния конфликта.

Например, человек, вступающий в близкие отношения с другим, любимым человеком, делает это под влиянием чувств, и его сердце вместе с интуицией подсказывают ему, что сближаясь, он действует правильно.

Однако в тонкий процесс эмоционального сближения вмешивается левое полушарие, задающее прагматические вопросы – насколько богат будущий спутник (спутница) жизни, что я буду иметь, вступив в брак, насколько такой шаг ограничит мою свободу.

Далеко не всякая попытка поверить алгеброй гармонию приведет к хорошему результату.

Потому нужно стремиться к достижению гармоничного баланса и слаженности в работе двух полушарий. Тогда интуиция и мозг тоже будут синхронизировать свою активность.

Для достижения подобной слаженности в работе полушарий полезно научиться понимать природные циклы попеременно возникающей активности полушарий.

Исследования психологов и нейрологов из Далхаузского университета обнаружили 90-минутный цикл работы полушарий головного мозга.

Выяснилось, что на пике активности левого полушария активность правого полушария минимальна и наоборот.

Однако за несколько тысячелетий до этого открытия индийские йоги не просто знали этот механизм, но и умели его использовать. Они знали как синхронизировать активность интуиции и мозга.

Они исследовали природу человеческого дыхания и установили, что у подавляющего большинства людей поток воздуха, проходящего через правую и левую ноздрю неравномерен.

Иногда свободно и естественно дышит правая ноздря, и объем воздуха, проходящий через нее максимален, то левая ноздря в этот момент дышит более стесненно и наоборот.

Примерно через 90 минут ноздри меняют свою «воздухопропускаемую» систему на 180 градусов.

Левая ноздря начинает дышать более свободно и пропускать через себя больший объем воздуха, а правая ноздря как бы закрывается и пропускает через себя меньший объем воздуха.

Вдох через левую ноздрю управляется правым полушарием и активизирует правую часть внутренних органов, а вдох через правую ноздрю левую половину тела и внутренние органы, находящиеся на ней.

За открытие этого механизма канадский нейрофизиолог Р. Сперри получил Нобелевскую премию.

Это механизм синхронизации интуиции и активности мозга позволяет управлять когда необходимо активизировать мозговые механизмы и входить в состояние повышенной восприимчивости к тонким интуитивным сигналам.

Йога утверждает, что для гармонизации полушарий очень важно достичь естественного дыхания, когда при дыхании обеими ноздрями объем воздуха, проходящий через каждую ноздрю, становится одинаковым.

В этом случае активные (мужские) и пассивные (женские) энергии в организме и психике достигают баланса и равновесия.

Подобное дыхание активизирует автономные нервные центры, находящиеся в слизистой оболочке носа.

Нейрофизиологические исследования показывают, что в этих оболочках содержится огромное количество нервных волокон, в 20 раз больше, чем в центральной нервной системе человека.

Скорее всего подобное дыхание может активизировать состояние каждой ноздри, уравновешивать активную и пассивную энергию внутри себя, и в результате запустить интуитивную систему в своем сознании.

Для активизации правого полушария, выравнивания межполушарного баланса и включения интуиции очень полезны физические упражнения и одновременные движения левой и правой частью тела.

Полезно также научиться писать левой рукой, или двумя руками одновременно.

Вначале потренируйтесь в умении бегло писать левой рукой слова и предложения.

Потом пробуйте писать двумя руками одновременно одни и те же слова, предложения и тексты.

Затем попытайтесь написать разные слова разными руками.

После этого перейдите к написанию предложения обеими руками сразу – это значительно труднее.

Попробуйте писать одни и те же, а затем и разные слова на двух языках, например, русском и английском.

Затем перейдите к предложениям.

Можно разнообразить это упражнение еще одним способом – рисовать обеими руками одновременно слова и геометрические фигуры.

Выполнение всех этих практик позволяет активизировать интуицию и мозговые процессы.

Делая эти упражнения, вы в какой-то момент, возможно, почувствуете, что мозги как будто разъезжаются, настолько непривычно для них действие, которое вы выполняете.

Но через какое-то время вы будете проделывать эти упражнения абсолютно свободно как легендарный Штирлиц, способный написать письмо cвоей жене на французском языке левой рукой.

Это будет означать, что ваши полушария синхронизировали свою работу, что интуиция и мозг смогут услышать друг друга и что вас можно смело брать в разведку.

Источник

Мозг, общение нейронов и энергетическая эффективность

По всей видимости, в эволюции сформировались энергетически эффективные механизмы кодирования и передачи информации в мозге. Подпись: «Усердно пытаюсь минимизировать энергозатраты».

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клеточные процессы, обеспечивающие обмен информацией между нейронами, требуют много энергии. Высокое энергопотребление способствовало в ходе эволюции отбору наиболее эффективных механизмов кодирования и передачи информации. В этой статье вы узнаете о теоретическом подходе к изучению энергетики мозга, о его роли в исследованиях патологий, о том, какие нейроны более продвинуты, почему синапсам иногда выгодно не «срабатывать», а также, как они отбирают только нужную нейрону информацию.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

Происхождение подхода

С середины ХХ века известно, что головной мозг потребляет значительную часть энергоресурсов всего организма: четверть всей глюкозы и ⅕ всего кислорода в случае высшего примата [1–5]. Это вдохновило Уильяма Леви и Роберта Бакстера из Массачусетского технологического института (США) на проведение теоретического анализа энергетической эффективности кодирования информации в биологических нейронных сетях (рис. 1) [6]. В основе исследования лежит следующая гипотеза. Поскольку энергопотребление мозга велико, ему выгодно иметь такие нейроны, которые работают наиболее эффективно — передают только полезную информацию и затрачивают при этом минимум энергии.

Это предположение оказалось справедливым: на простой модели нейронной сети авторы воспроизвели экспериментально измеренные значения некоторых параметров [6]. В частности, рассчитанная ими оптимальная частота генерации импульсов варьирует от 6 до 43 имп./с — почти так же, как и у нейронов основания гиппокампа. Их можно подразделить на две группы по частоте импульсации: медленные (

40 имп./с). При этом первая группа значительно превосходит по численности вторую [7]. Аналогичная картина наблюдается и в коре больших полушарий: медленных пирамидальных нейронов (

4—9 имп./с) в несколько раз больше, чем быстрых ингибиторных интернейронов (>100 имп./с) [8], [9]. Так, видимо, мозг «предпочитает» использовать поменьше быстрых и энергозатратных нейронов, чтобы те не израсходовали все ресурсы [6], [9–11].

Рисунок 1. Представлены два нейрона. В одном из них фиолетовым цветом окрашен пресинаптический белок синаптофизин. Другой нейрон полностью окрашен зеленым флуоресцентным белком. Мелкие светлые крапинки — синаптические контакты между нейронами [12]. Во вставке одна «крапинка» представлена ближе.
Группы нейронов, связанных между собой синапсами, называются нейронными сетями [13], [14]. Например, в коре больших полушарий пирамидальные нейроны и интернейроны образуют обширные сети. Слаженная «концертная» работа этих клеток обусловливает наши высшие когнитивные и другие способности. Аналогичные сети, только из других типов нейронов, распределены по всему мозгу, определенным образом связаны между собой и организуют работу всего органа.

Что такое интернейроны?

Нейроны центральной нервной системы разделяются на активирующие (образуют активирующие синапсы) и тормозящие (образуют тормозящие синапсы). Последние в значительной степени представлены интернейронами, или промежуточными нейронами. В коре больших полушарий и гиппокампе они ответственны за формирование гамма-ритмов мозга [15], которые обеспечивают слаженную, синхронную работу других нейронов. Это крайне важно для моторных функций, восприятия сенсорной информации, формирования памяти [9], [11].

Интернейроны отличаются способностью генерировать значительно более высокочастотные сигналы, чем другие нейроны. Они также содержат больше митохондрий, главных органелл энергетического метаболизма, «фабрик» по производству АТФ. Последние к тому же содержат большое количество белков цитохром-с оксидазы и цитохрома-с, являющихся ключевыми для метаболизма. Так, интернейроны являются крайне важными и, в то же время, энергозатратными клетками [8], [9], [11], [16].

Работа Леви и Бакстера [6] развивает концепцию «экономии импульсов» Горация Барлоу из Университета Калифорнии (США), который, кстати, является потомком Чарльза Дарвина [17]. Согласно ей, при развитии организма нейроны стремятся работать только с наиболее полезной информацией, фильтруя «лишние» импульсы, ненужную и избыточную информацию. Однако эта концепция не дает удовлетворительных результатов, так как не учитывает метаболические затраты, связанные с нейрональной активностью [6]. Расширенный подход Леви и Бакстера, в котором внимание уделено обоим факторам, оказался более плодотворным [6], [18–20]. И энергозатраты нейронов, и потребность в кодировании только полезной информации являются важными факторами, направляющими эволюцию мозга [6], [21–24]. Поэтому, чтобы лучше разобраться в том, как устроен мозг, стоит рассматривать обе эти характеристики: сколько нейрон передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит.

За последнее время этот подход нашел множество подтверждений [10], [22], [24–26]. Он позволил по-новому взглянуть на устройство мозга на самых разных уровнях организации — от молекулярно-биофизического [20], [26] до органного [23]. Он помогает понять, каковы компромиссы между выполняемой функцией нейрона и ее энергетической ценой и в какой степени они выражены.

Как же работает этот подход?

Положим, у нас есть модель нейрона, описывающая его электрофизиологические свойства: потенциал действия (ПД) и постсинаптические потенциалы (ПСП) (об этих терминах — ниже). Мы хотим понять, эффективно ли он работает, не тратит ли неоправданно много энергии. Для этого нужно вычислить значения параметров модели (например, плотность каналов в мембране, скорость их открывания и закрывания), при которых: (а) достигается максимум отношения полезной информации к энергозатратам и в то же время (б) сохраняются реалистичные характеристики передаваемых сигналов [6], [19].

Поиск оптимума

Эти «оптимальные» значения параметров затем нужно сравнить с измеренными экспериментально и определить, насколько они отличаются. Общая картина отличий укажет на степень оптимизации данного нейрона в целом: насколько реальные, измеренные экспериментально, значения параметров совпадают с рассчитанными. Чем слабее выражены отличия, тем нейрон более близок к оптимуму и работает энергетически более эффективно, оптимально. С другой стороны, сопоставление конкретных параметров покажет, в каком конкретно качестве этот нейрон близок к «идеалу».

Далее, в контексте энергетической эффективности нейронов рассмотрены два процесса, на которых основано кодирование и передача информации в мозге. Это нервный импульс, или потенциал действия, благодаря которому информация может быть отправлена «адресату» на определенное расстояние (от микрометров до полутора метров) и синаптическая передача, лежащая в основе собственно передачи сигнала от одного нейрона на другой.

Потенциал действия

Потенциал действия (ПД) — сигнал, которые отправляют друг другу нейроны. ПД бывают разные: быстрые и медленные, малые и большие [28]. Зачастую они организованы в длинные последовательности (как буквы в слова), либо в короткие высокочастотные «пачки» (рис. 2).

Большое разнообразие сигналов обусловлено огромным количеством комбинаций разных типов ионных каналов, синаптических контактов, а также морфологией нейронов [28], [29]. Поскольку в основе сигнальных процессов нейрона лежат ионные токи, стоит ожидать, что разные ПД требуют различных энергозатрат [20], [27], [30].

Что такое потенциал действия?

ПД — это относительно сильное по амплитуде скачкообразное изменение мембранного потенциала.

Анализ разных типов нейронов (рис. 4) показал, что нейроны беспозвоночных не очень энергоэффективны, а некоторые нейроны позвоночных почти совершенны [20]. По результатам этого исследования, наиболее энергоэффективными оказались интернейроны гиппокампа, участвующего в формировании памяти и эмоций, а также таламокортикальные релейные нейроны, несущие основной поток сенсорной информации от таламуса к коре больших полушарий.

Рисунок 4. Разные нейроны эффективны по-разному. На рисунке представлено сравнение энергозатрат разных типов нейронов. Энергозатраты рассчитаны в моделях как с исходными (реальными) значениями параметров (черные столбцы), так и с оптимальными, при которых с одной стороны нейрон выполняет положенную ему функцию, с другой — затрачивает при этом минимум энергии (серые столбцы). Самыми эффективными из представленных оказались два типа нейронов позвоночных: интернейроны гиппокампа (rat hippocampal interneuron, RHI) и таламокортикальные нейроны (mouse thalamocortical relay cell, MTCR), так как для них энергозатраты в исходной модели наиболее близки к энергозатратам оптимизированной. Напротив, нейроны беспозвоночных менее эффективны. Условные обозначения: SA (squid axon) — гигантский аксон кальмара; CA (crab axon) — аксон краба; MFS (mouse fast spiking cortical interneuron) — быстрый кортикальный интернейрон мыши; BK (honeybee mushroom body Kenyon cell) — грибовидная клетка Кеньона пчелы.

Почему они более эффективны? Потому что у них малó перекрывание Na- и К-токов. Во время генерации ПД всегда есть промежуток времени, когда эти токи присутствуют одновременно (рис. 3в). При этом переноса заряда практически не происходит, и изменение мембранного потенциала минимально. Но «платить» за эти токи в любом случае приходится, несмотря на их «бесполезность» в этот период. Поэтому его продолжительность определяет, сколько энергетических ресурсов растрачивается впустую. Чем он короче, тем более эффективно использование энергии [20], [26], [30], [43]. Чем длиннее — тем менее эффективно. Как раз в двух вышеупомянутых типах нейронов, благодаря быстрым ионным каналам, этот период очень короткий, а ПД — самые эффективные [20].

Кстати, интернейроны гораздо более активны, чем большинство других нейронов мозга. В то же время они крайне важны для слаженной, синхронной работы нейронов, с которыми образуют небольшие локальные сети [9], [16]. Вероятно, высокая энергетическая эффективность ПД интернейронов является некой адаптацией к их высокой активности и роли в координации работы других нейронов [20].

Синапс

Передача сигнала от одного нейрона к другому происходит в специальном контакте между нейронами, в синапсе [12]. Мы рассмотрим только химические синапсы (есть еще электрические), поскольку они весьма распространены в нервной системе и важны для регуляции клеточного метаболизма, доставки питательных веществ [5].

Чаще всего, химический синапс образован между окончанием аксона одного нейрона и дендритом другого. Его работа напоминает. «переброс» эстафетной палочки, роль которой и играет нейромедиатор — химический посредник передачи сигнала [12], [42], [44–48].

На пресинаптическом окончании аксона ПД вызывает выброс нейромедиатора во внеклеточную среду — к принимающему нейрону. Последний только этого и ждет с нетерпением: в мембране дендритов рецепторы — ионные каналы определенного типа — связывают нейромедиатор, открываются и пропускают через себя разные ионы. Это приводит к генерации маленького постсинаптического потенциала (ПСП) на мембране дендрита. Он напоминает ПД, но значительно меньше по амплитуде и происходит за счет открывания других каналов. Множество этих маленьких ПСП, каждый от своего синапса, «сбегаются» по мембране дендритов к телу нейрона (зеленые стрелки на рис. 3а) и достигают начального сегмента аксона, где вызывают открывание Na-каналов и «провоцируют» его на генерацию ПД.

Такие синапсы называются возбуждающими: они способствуют активации нейрона и генерации ПД. Существуют также и тормозящие синапсы. Они, наоборот, способствуют торможению и препятствуют генерации ПД. Часто на одном нейроне есть и те, и другие синапсы. Определенное соотношение между торможением и возбуждением важно для нормальной работы мозга, формирования мозговых ритмов, сопровождающих высшие когнитивные функции [49].

Как это ни странно, выброс нейромедиатора в синапсе может и не произойти вовсе — это процесс вероятностный [18], [19]. Нейроны так экономят энергию: синаптическая передача и так обусловливает около половины всех энергозатрат нейронов [25]. Если бы синапсы всегда срабатывали, вся энергия пошла бы на обеспечение их работы, и не осталось бы ресурсов для других процессов. Более того, именно низкая вероятность (20–40%) выброса нейромедиатора соответствует наибольшей энергетической эффективности синапсов. Отношение количества полезной информации к затрачиваемой энергии в этом случае максимально [18], [19]. Так, выходит, что «неудачи» играют важную роль в работе синапсов и, соответственно, всего мозга. А за передачу сигнала при иногда «не срабатывающих» синапсах можно не беспокоиться, так как между нейронами обычно много синапсов, и хоть один из них да сработает.

Еще одна особенность синаптической передачи состоит в разделении общего потока информации на отдельные компоненты по частоте модуляции приходящего сигнала (грубо говоря, частоте приходящих ПД) [50]. Это происходит благодаря комбинированию разных рецепторов на постсинаптической мембране [38], [50]. Некоторые рецепторы активируются очень быстро: например, AMPA-рецепторы (AMPA происходит от α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid). Если на постсинаптическом нейроне представлены только такие рецепторы, он может четко воспринимать высокочастотный сигнал (такой, как, например, на рис. 2в). Ярчайший пример — нейроны слуховой системы, участвующие в определении местоположения источника звука и точном распознавании коротких звуков типа щелчка, широко представленных в речи [12], [38], [51]. NMDA-рецепторы (NMDA — от N—methyl-D—aspartate) более медлительны. Они позволяют нейронам отбирать сигналы более низкой частоты (рис. 2г), а также воспринимать высокочастотную серию ПД как нечто единое — так называемое интегрирование синаптических сигналов [14]. Есть еще более медленные метаботропные рецепторы, которые при связывании нейромедиатора, передают сигнал на цепочку внутриклеточных «вторичных посредников» для подстройки самых разных клеточных процессов. К примеру, широко распространены рецепторы, ассоциированные с G-белками. В зависимости от типа они, например, регулируют количество каналов в мембране или напрямую модулируют их работу [14].

Различные комбинации быстрых AMPA-, более медленных NMDA- и метаботропных рецепторов позволяют нейронам отбирать и использовать наиболее полезную для них информацию, важную для их функционирования [50]. А «бесполезная» информация отсеивается, она не «воспринимается» нейроном. В таком случае не приходится тратить энергию на обработку ненужной информации. В этом и состоит еще одна сторона оптимизации синаптической передачи между нейронами.

Что еще?

Энергетическая эффективность клеток мозга исследуется также и в отношении их морфологии [35], [52–54]. Исследования показывают, что ветвление дендритов и аксона не хаотично и тоже экономит энергию [52], [54]. Например, аксон ветвится так, чтобы суммарная длина пути, который проходит ПД, была наименьшей. В таком случае энергозатраты на проведение ПД вдоль аксона минимальны.

Снижение энергозатрат нейрона достигается также при определенном соотношении тормозящих и возбуждающих синапсов [55]. Это имеет прямое отношение, например, к ишемии (патологическому состоянию, вызванному нарушением кровотока в сосудах) головного мозга. При этой патологии, вероятнее всего, первыми выходят из строя наиболее метаболически активные нейроны [9], [16]. В коре они представлены ингибиторными интернейронами, образующими тормозящие синапсы на множестве других пирамидальных нейронов [9], [16], [49]. В результате гибели интернейронов, снижается торможение пирамидальных. Как следствие, возрастает общий уровень активности последних (чаще срабатывают активирующие синапсы, чаще генерируются ПД). За этим немедленно следует рост их энергопотребления, что в условиях ишемии может привести к гибели нейронов.

При изучении патологий внимание уделяют и синаптической передаче как наиболее энергозатратному процессу [19]. Например, при болезнях Паркинсона [56], Хантингтона [57], Альцгеймера [58–61] происходит нарушение работы или транспорта к синапсам митохондрий, играющих основную роль в синтезе АТФ [62], [63]. В случае болезни Паркинсона, это может быть связано с нарушением работы и гибелью высоко энергозатратных нейронов черной субстанции, важной для регуляции моторных функций, тонуса мышц. При болезни Хантингтона, мутантный белок хангтингтин нарушает механизмы доставки новых митохондрий к синапсам, что приводит к «энергетическому голоданию» последних, повышенной уязвимости нейронов и избыточной активации. Все это может вызвать дальнейшие нарушения работы нейронов с последующей атрофией полосатого тела и коры головного мозга. При болезни Альцгеймера нарушение работы митохондрий (параллельно со снижением количества синапсов) происходит из-за отложения амилоидных бляшек. Действие последних на митохондрии приводит к окислительному стрессу, а также к апоптозу — клеточной гибели нейронов.

Еще раз обо всем

В конце ХХ века зародился подход к изучению мозга, в котором одновременно рассматривают две важные характеристики: сколько нейрон (или нейронная сеть, или синапс) кодирует и передает полезной информации и сколько энергии при этом тратит [6], [18], [19]. Их соотношение является своего рода критерием энергетической эффективности нейронов, нейронных сетей и синапсов.

Использование этого критерия в вычислительной нейробиологии дало существенный прирост к знаниям относительно роли некоторых явлений, процессов [6], [18–20], [26], [30], [43], [55]. В частности, малая вероятность выброса нейромедиатора в синапсе [18], [19], определенный баланс между торможением и возбуждением нейрона [55], выделение только определенного рода приходящей информации благодаря определенной комбинации рецепторов [50] — все это способствует экономии ценных энергетических ресурсов.

Более того, само по себе определение энергозатрат сигнальных процессов (например, генерация, проведение ПД, синаптическая передача) позволяет выяснить, какой из них пострадает в первую очередь при патологическом нарушении доставки питательных веществ [10], [25], [56]. Так как больше всего энергии требуется для работы синапсов, именно они первыми выйдут из строя при таких патологиях, как ишемия, болезни Альцгеймера и Хантингтона [19], [25]. Схожим образом определение энергозатрат разных типов нейронов помогает выяснить, какой из них погибнет раньше других в случае патологии. Например, при той же ишемии, в первую очередь выйдут из строя интернейроны коры [9], [16]. Эти же нейроны из-за интенсивного метаболизма — наиболее уязвимые клетки и при старении, болезни Альцгеймера и шизофрении [16].

В общем, подход к определению энергетически эффективных механизмов работы мозга является мощным направлением для развития и фундаментальной нейронауки, и ее медицинских аспектов [5], [14], [16], [20], [26], [55], [64].

Благодарности

Искренне благодарен моим родителям Ольге Наталевич и Александру Жукову, сестрам Любе и Алене, моему научному руководителю Алексею Браже и замечательным друзьям по лаборатории Эвелине Никельшпарг и Ольге Слатинской за поддержку и вдохновение, ценные замечания, сделанные при прочтении статьи. Я также очень благодарен редактору статьи Анне Петренко и главреду «Биомолекулы» Антону Чугунову за пометки, предложения и замечания.

Источник