Как работает мозг: нейроны, отделы и обработка информации

Мозг — это сеть из примерно 86 миллиардов нейронов, которые обмениваются электрохимическими сигналами и так управляют всем телом, мыслями и памятью.

Мозг весит около 1,4 килограмма и потребляет примерно пятую часть всей энергии тела, хотя составляет лишь 2% его массы. Понять, как работает мозг, — значит разобраться в том, как отдельные клетки-нейроны складываются в систему, способную читать этот текст, вспоминать детство и удерживать равновесие при ходьбе. Дальше — по порядку: от одной клетки до целых отделов.

Как работает мозг: от нейрона к мысли

Базовая единица — нейрон. Это клетка, которая принимает сигналы через ветвистые отростки-дендриты, обрабатывает их в теле клетки и отправляет дальше по длинному отростку-аксону. На конце аксона сигнал передаётся следующей клетке через контакт, который называется синапсом.

Сама передача — гибридная. Внутри нейрона сигнал бежит как электрический импульс: по мембране прокатывается волна смены заряда, потенциал действия. А вот через синаптическую щель электричество не перепрыгивает. Здесь в дело вступает химия.

Нейроны и синапсы: язык из молекул

Когда импульс доходит до конца аксона, из клетки выбрасываются молекулы-посредники — нейромедиаторы. Они переплывают щель шириной около 20 нанометров и связываются с рецепторами соседнего нейрона. Дофамин, серотонин, глутамат, ГАМК — у каждого своя роль. Глутамат чаще возбуждает следующую клетку, ГАМК тормозит.

Один нейрон получает сигналы от тысяч других одновременно. Он суммирует возбуждающие и тормозные входы, и только если перевес возбуждения перешагнёт порог — сам выдаст импульс. Это похоже на голосование: решение зависит от баланса «за» и «против».

Именно в синапсах и живёт обучение. Связи, которые срабатывают часто, укрепляются — их проводимость растёт. Это правило нейробиологи формулируют коротко: клетки, которые активируются вместе, связываются вместе.

Читайте также

• Как работают глушилки интернета и что делать при подавлении сигнала
• Как Яндекс работает без интернета: пошаговая настройка офлайн-режима

Отделы головного мозга и их задачи

Нейроны не разбросаны хаотично. Они собраны в отделы, каждый со своей специализацией. Грубое деление — три уровня, выросших в ходе эволюции один поверх другого.

Кора — самый молодой и самый развитый слой. Её толщина всего 2–4 миллиметра, но именно складки коры дают человеку сложное поведение. Кора делится на доли: затылочная обрабатывает зрение, височная — слух и речь, теменная — прикосновение и пространство, лобная — планирование и контроль.

Отдельно стоит гиппокамп — небольшая структура в форме морского конька. Без него новые воспоминания не записываются: человек живёт в вечном настоящем, забывая события через минуты. Это не теория. Пациент с удалённым гиппокампом, известный в науке как H.M., после операции перестал формировать новые долговременные воспоминания, хотя память о прошлом сохранилась.

Как мозг обрабатывает информацию

Сигнал от органа чувств до осознанного восприятия проходит несколько станций. Возьмём зрение. Свет попадает на сетчатку, та переводит его в импульсы, которые бегут по зрительному нерву в таламус — сортировочный узел мозга. Оттуда — в затылочную кору, где мозг собирает из точек линии, из линий формы, из форм узнаваемые объекты.

Ключевой принцип — параллельность. Мозг не обрабатывает картинку по пикселям, как сканер. Разные группы нейронов одновременно анализируют цвет, движение, контуры, а затем результаты сводятся вместе. Поэтому человек узнаёт лицо друга в толпе за доли секунды, тогда как компьютеру такая задача долго давалась с трудом.

Второй принцип — предсказание. Мозг постоянно строит модель того, что должно случиться, и сравнивает её с реальностью. Когда прогноз не сходится, внимание обостряется. Отсюда эффект: привычный шум холодильника вы не замечаете, а его внезапную тишину — сразу.

Как формируется память

Память — не единый архив, а несколько разных систем. Самая короткая — сенсорная, держит образ доли секунды. Дальше кратковременная (рабочая) память: она удерживает 5–9 элементов около 20–30 секунд, если их не повторять. И долговременная — практически безграничное хранилище.

Переход из кратковременной памяти в долговременную называется консолидацией. Гиппокамп сначала удерживает свежее событие, а затем во время сна «переписывает» его в кору для долгого хранения. Поэтому зубрёжка без сна работает плохо: без ночной консолидации материал не закрепляется.

Долговременная память тоже неоднородна

• Декларативная — факты и события, которые можно проговорить («столица Франции — Париж»).
• Процедурная — навыки, которые тело помнит без слов (езда на велосипеде).
• Эмоциональная — привязка воспоминаний к чувствам, за неё отвечает миндалевидное тело.

Интересный момент: воспоминание не хранится как файл на диске. Каждый раз, вспоминая, вы его слегка пересобираете и записываете заново. Именно поэтому память искажается — и очевидцы событий нередко ошибаются, искренне веря в свою правоту.

Нейропластичность: почему мозг меняется всю жизнь

Долго считалось, что взрослый мозг застыл. Это оказалось неверным. Нейропластичность — способность мозга перестраивать связи в ответ на опыт — работает от рождения до старости.

Наглядный пример — исследования лондонских таксистов. Чтобы получить лицензию, они годами заучивают тысячи улиц города. Сканирование показало, что задняя часть гиппокампа, отвечающая за пространственную память, у них увеличена по сравнению с обычными людьми. Мозг физически перестроился под задачу.

Пластичность объясняет и восстановление после инсульта: соседние здоровые зоны берут на себя функции повреждённых. И объясняет, почему навыки требуют повторения — каждое повторение утолщает миелиновую оболочку аксона, ускоряя проведение сигнала. Музыкант, отрабатывающий пассаж, буквально прокладывает более быструю нервную «дорогу».

Из этого следует практический вывод: мозг тренируется как мышца. Новизна и регулярность — два условия, при которых он растит новые связи.

Что происходит с мозгом во сне

Сон — не пауза, а активная работа. За ночь мозг проходит несколько циклов из фаз медленного и быстрого (REM) сна, каждый цикл около 90 минут.

В медленной фазе идёт консолидация памяти и физическое восстановление. В фазе REM мозг активен почти как при бодрствовании — именно тогда снятся яркие сны, и, по одной из гипотез, происходит эмоциональная переработка дня.

Отдельная функция сна — уборка. Глимфатическая система прогоняет через мозг спинномозговую жидкость, вымывая продукты обмена, включая белок бета-амилоид, накопление которого связывают с болезнью Альцгеймера. Во сне межклеточные промежутки расширяются, и промывка идёт активнее, чем при бодрствовании. Хронический недосып лишает мозг этой очистки — и это одна из причин, почему бессонные ночи так дорого обходятся мышлению.

Распространённые заблуждения

Миф: человек использует только 10% мозга. Реальность: активны все отделы. За сутки задействуется практически весь мозг — просто разные задачи включают разные зоны. Повреждение даже малого участка ведёт к заметным нарушениям, чего не было бы, будь 90% «лишними».

Миф: левое полушарие логическое, правое творческое, и люди делятся на два типа. Реальность: полушария действительно немного специализированы (речь у большинства слева), но в любой задаче они работают вместе через мозолистое тело. Деления людей на «левополушарных» и «правополушарных» наука не подтверждает.

Миф: нервные клетки не восстанавливаются. Реальность: в гиппокампе взрослого человека образуются новые нейроны — этот процесс называется нейрогенезом. Полностью весь мозг он не обновляет, но старая формулировка о полной невосстановимости устарела.

Что запомнить

• Мозг состоит примерно из 86 миллиардов нейронов, которые общаются электрическими импульсами внутри клетки и химическими нейромедиаторами через синапсы.
• Отделы головного мозга специализированы: ствол управляет жизнеобеспечением, мозжечок — движением, кора — мышлением и речью, гиппокамп записывает память.
• Информация обрабатывается параллельно и на основе предсказаний, а не линейно, как в сканере.
• Память проходит путь от кратковременной к долговременной через консолидацию, которая идёт преимущественно во сне.
• Нейропластичность перестраивает связи всю жизнь, поэтому обучение и восстановление после травм возможны и во взрослом возрасте.
• Сон нужен для закрепления памяти и очистки мозга от продуктов обмена через глимфатическую систему.
• Миф о «10% мозга» неверен: активны все зоны, просто в разное время под разные задачи.

Вопросы и ответы

Правда ли, что человек использует только 10% мозга?

Нет, это миф. Сканирование методом фМРТ показывает активность во всех отделах мозга в течение суток. Разные задачи задействуют разные зоны, но участков, которые никогда не работают, у здорового человека нет.

Сколько нейронов в мозге человека?

Около 86 миллиардов. Каждый нейрон образует в среднем тысячи синапсов с другими клетками, поэтому общее число связей исчисляется триллионами — это и делает мозг такой мощной сетью.

Можно ли развить мозг во взрослом возрасте?

Да. Благодаря нейропластичности мозг перестраивает связи всю жизнь. Изучение языков, освоение новых навыков, физическая активность и полноценный сон стимулируют образование и укрепление синапсов.

Источники:

• Национальный институт неврологических расстройств и инсульта (NINDS)
• Всемирная организация здравоохранения — здоровье мозга