Пора заглянуть внутрь: что происходит в мозге, когда мы ничем не заняты
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. 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.
Примерно как гавайская пицца состоит из разложенных на лепешке ананасов, ветчины и курицы, так и любую задачу на восприятие и мышление можно разложить на отдельные ингредиенты, где каждый участок мозга делает что-то свое.
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.
Удивительно, но, если рассчитать потребление энергии отдыхающим и интенсивно работающим мозгом, разница едва ли составит 5%
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.
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.
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.
Энергетический баланс мозга
Субъективно кажется, что это два очень разных состояния — когда мы бездельничаем и когда мы напряженно работаем, обдумываем сложный материал, проводим вычисления в уме или пытаемся запомнить новую информацию. В первом случае мы прохлаждаемся и «проветриваем» мозг, а во втором он рано или поздно «вскипает» и голова вот-вот лопнет от перенапряжения.
Удивительно, но, если рассчитать потребление энергии отдыхающим и интенсивно работающим мозгом, разница едва ли составит 5%! Различие в умственном напряжении, кажущемся нам гигантским, образует лишь крошечную верхушку айсберга, а под водой кроется огромный массив скрытых от восприятия, но очень энергоемких процессов, о которых мы не догадываемся.
Вообще-то мозг — очень «прожорливый» орган и в покое тратит около 20% всей энергии, которую мы расходуем. Когда же нам нужно как следует сосредоточиться и включить голову, энергопотребление мозга увеличивается с 20 до 21% — прямо скажем, малозаметная разница.
Получается, что мозг потребляет чертову прорву энергии — в среднем в 10 раз больше, чем все другие органы и ткани в организме человека. Одна пятая всей энергии в спокойном состоянии идет на нужды мозга, даже если он ничем не занят, хотя весит мозг около 1,5 кг. На что же тратится эта энергия?
Самая очевидная догадка для ученого — энергия тратится в основном на ионный насос, чтобы поддерживать нейроны в состоянии боевой готовности. Эти насосы покрывают мембраны нейронов и постоянно откачивают из клетки натрий, а калий закачивают внутрь нее. На этой разнице электрических потенциалов и работает нейрон, при этом сам по себе нервный импульс проходит вдоль нервной клетки без затрат энергии, просто сокращая разницу между уровнем ионов внутри и снаружи.
Однако дело не в насосе и не в проведении нервных импульсов: по последним оценкам, для нейрона все это стоит недорого. Нейрон тратит от 60 до 80% энергии, передавая сигналы другим нейронам, то есть большинство потребляемой мозгом энергии тратится в синапсах — местах контакта нервных клеток: там выделяются пузырьки с нейромедиаторами, которые запускают импульсы в следующей клетке. Закачать нейромедиатор в синаптические пузырьки, отправить их в синаптическую щель и затем как можно быстрее убрать нейромедиаторы из синапса, чтобы точно дозировать силу сигнала, — на это и тратится энергия, пока нейроны взаимодействуют друг с другом.
Биосинтез — еще одна статья расходов глюкозы, главного источника энергии для мозга. Мозгу необходимо восстанавливаться и перестраиваться, и для этого ему нужна не только энергия, но и «строительные материалы». В мозге взрослого человека около 12–15% глюкозы идет на то, чтобы получить новые аминокислоты, жирные кислоты и нуклеотиды — нервной ткани необходимо постоянно обновляться и перестраиваться. У младенцев таким образом расходуется около 30% глюкозы в мозге, а у недоношенных детей этот показатель может доходить почти до 100%!
Еще одна интересная деталь: вечером мозг потребляет существенно больше энергии, чем утром: митохондрии в нейронах усиливают активность почти на 20%, а доля глюкозы, которая идет на перестройку нервной ткани, меняется с 11% ранним утром до 19% поздним вечером. Такие суточные колебания можно объяснить, если вспомнить, что больше всего энергии расходуется в синапсах. По мере накопления дневных впечатлений синапсы все активнее проводят сигналы и расходуют все больше энергии. Полученный опыт преобразуется затем в изменения связей между нейронами — это и есть нейропластичность.
Все приведенные выше факты не дают ответа на важный вопрос: почему организм готов платить за работу мозга такую цену? Это сейчас люди практически решили проблему голода, а на протяжении миллионов лет предки человека постоянно сталкивались с угрозой голодной смерти. Тем не менее пятая часть всего съеденного отправлялась на нужды мозга. Зачем нужна вся эта непрерывно идущая работа и что с этого получают люди?
Один из первооткрывателей дефолт-системы мозга Маркус Райхл считает, что мозг непрерывно занят построением внутренней модели окружающего мира, которая помогает мозгу предсказывать, что случится дальше, и подготовиться к грядущим событиям, используя этот прогноз. При этом лишь небольшая часть этой работы доступна для осознания. Но если прогнозы не сбываются, это непременно обращает на себя наше внимание. Жители крупных городов сталкиваются с этим, когда наступают на ступеньки неработающего эскалатора, и внезапно ощущают что-то вроде толчка: наш мозг ожидает, что эскалатор будет работать, и заранее компенсирует ускорение, которое организм испытывает, попадая на эскалатор. Обычно мы не ощущаем работу этого внутреннего механизма — до тех пор, пока прогноз совпадает с действительностью: наш мозг прекрасно справляется с такими задачами, не подключая сознание. Вполне возможно, что в глубине энергореактора, каковым служит наш мозг, идут и другие процессы, которые ученым еще только предстоит открыть.