Мозг: чердак, лабиринт или опора для шляпы?
Карин Таккер
Universum
В книге собраны ответы специалистов на многочисленные вопросы о мозге, заданные читателями на страницах журнала Scientific American MIND. Вы узнаете почему внешняя поверхность мозга имеет складки и почему левая половина мозга управляет правой стороной тела и наоборот. Эксперты объяснят, как возникают идеи и озарения, как формируются и усваиваются разные представления, как влияют на память возраст и употребление алкоголя, что на самом деле происходит в мозге при дежавю. Родителям будет интересно узнать, что происходит с мозгом во время беременности, испытывают ли послеродовую депрессию новоиспеченные отцы, и наследуются ли умственные способности. Может ли стресс принести пользу, можем ли мы управлять своими сновидениями? Книга приоткрывает тайны поведения и психики человека, объясняет, как физическая активность влияет на мозг и как наши органы чувств воспринимают мир вокруг нас.
Будет понятно и интересно всем, кто задавался подобными вопросами, но не смог найти на них ответа.
Мозг. Чердак, лабиринт или опора для шляпы?
Под редакцией К. Таккер
ASKTHE BRAINS, PARTI
Experts Reveal 55 Mysteries of the Mind
ASKTHE BRAINS, PART 2
Answers to 62 Common Questions on the Mind
Впервые опубликовано на английском языке под названием: Ask the Brains, Part 1: 55 Mysteries of the Mind, Edition 1.
© 2017 Scientific American, a division of Springer Nature America, Inc.
Впервые опубликовано на английском языке под названием: Ask the Brains, Part 2: 62 Answers to Common Questions on the Mind, Edition 1.
© 2017 Scientific American, a division of Springer Nature America, Inc.
Настоящее издание включает два издания в одном томе: Ask the Brains, Part 1: 55 Mysteries of the Mind Edition 1, 2017 и Ask the Brains, Part 2: 62 Answers to Common Questions on the Mind Edition 1, 2017 Настоящее издание переведено и опубликовано по лицензии Springer Nature American Inc. Springer Nature American Inc. не несет ответственности за точность перевода.
© Лаборатория знаний, 2020
Часть I
Разоблачение мозга
Узнай себя
Думать сложно, поэтому большинство людей судит.
К. Г. Юнг
Многие из нас, наверное, хоть раз смеялись над нечаянно упавшим человеком, забывали имя своего знакомого или верили во что-то вразрез всем научным доказательствам. А вы никогда не задумывались, почему? Более 10 лет постоянная рубрика «Спроси эксперта о мозге» в журнале Scientific American MIND отвечала на подобные вопросы читателей о причудах и странностях поведения человека, психологии и работе мозга. В части 1 «Разоблачение тайн мозга» собрано 51 лучшее и самое интересное изыскание о человеческом мозге.
Мы начнем с рассмотрения формы и структуры мозга. Вы когда-нибудь задумывались, почему внешняя поверхность мозга имеет складки или почему левая половина мозга управляет правой стороной тела и наоборот? В разделе 1 наши эксперты отвечают на вопросы о строении и функционировании мозга.
Далее идут раздел 2 «Мышление, идеи и представления» и раздел 3 «Умственные способности и обучение». Кто не мечтал более эффективно использовать свой мозг или более рационально мыслить (и надеялся на такую возможность)? Наши эксперты вступают в дискуссию на эти темы. Они также объяснят, как возникают идеи и озарения, и расскажут, какие внутренние и внешние условия благоприятны для новых идей, как формируются и усваиваются разные представления.
Основная тема следующих двух разделов – создание, воспроизведение и хранение воспоминаний и феномен дежавю. В разделе 4 преподаватель Дженнин Стаматакис раскрывает удивительные возможности памяти у Кима Пика с синдромом саванта. Другие подразделы охватывают такие вопросы, как влияние на память возраста и употребления алкоголя. Кроме того, в разделе 5 профессор Пол Ребер объясняет, что на самом деле происходит в мозге, когда мы испытываем феномен дежавю.
В разделах 6 и 7 показано, как физическая активность влияет на мозг и как наши органы чувств воспринимают мир вокруг нас. Почему мы лучше себя чувствуем и лучше думаем после физических упражнений, чем при малоподвижной образе жизни? Наши эксперты обсуждают психологические и умственные преимущества активного образа жизни, а профессор Марк А. В. Эндрюс объясняет, почему прослушивание музыки во время тренировки дает нам прилив сил. В разделе 7 рассмотрим, как работают наши органы чувств и какие сбои в их работе бывают, включая такой невероятный случай, когда человек может слышать, как двигаются его глазные яблоки.
Мы заручились поддержкой профессоров, преподавателей и других научных экспертов, для того чтобы дать наиболее точные и понятные ответы на следующие вопросы: что такое «обморожение мозга», наследуются ли умственные способности и когда начинает формироваться долговременная память у детей. Конечно, эти ответы только приоткрывают тайны поведения и психики человека. Чтобы больше узнать о личности, эмоциях, мечтах и многом другом, читайте «Мозг: чердак, лабиринт или опора для шляпы? Часть 2».
Карин Таккер, редактор
Раздел 1
Форма и структура
Почему внешняя поверхность мозга имеет складки?
Отвечают Клаус К. Хильгетаг, нейробиолог из Бременского университета Якобса (Германия) и Хелен Барбас, нейробиолог из Бостонского университета:
За восприятие, эмоции, мышление и другие виды когнитивной деятельности отвечает кора больших полушарий, снаружи покрывающая остальной мозг. В ходе эволюции животные «осваивали» все бо?лее сложные когнитивные процессы. В итоге им потребовалась бо?льшая площадь поверхности серого вещества, чем есть на внутренней поверхности черепа, так как складчатость позволяет увеличить поверхность коры больших полушарий без увеличения размеров головы.
Складки на внешней поверхности мозга есть у собак, кошек, человекообразных обезьян, а у животных с менее развитым мозгом их нет. Площадь поверхности коры больших полушарий у человека примерно в три раза больше площади внутренней поверхности черепа. Однако узор складок нельзя назвать произвольным в отличие от скомканного листа бумаги. В XIX в. ученые полагали, что в основе свойств отдельных частей мозга лежат простые механистические принципы, а функция определяется формой поверхности мозга (морфологическими особенностями).
Пучки нервных волокон тугие, как натянутая резинка. Области мозга, плотно связанные между собой, притягиваются друг к другу, создавая поверхностные выпячивания – бугры на рельефе мозга. Слабо связанные области расходятся, образуя впадины в коре. Растяжение и сжатие тканей мозга также накладывает отпечаток на архитектуру коры и форму отдельных нервных клеток, влияя, вероятно, и на функционирование мозга.
Функциональная асимметрия речевых центров в правом и левом полушариях мозга наглядно иллюстрирует данное положение. В каждом полушарии массивный пучок волокон соединяет переднюю и заднюю части речевых областей, однако слева пучок волокон более тугой, а значит, «тянет сильнее», что подтверждает представление о доминирующей роли левого полушария в речевых функциях у большинства людей. Такие наблюдения привели к тому, что современные ученые возвращаются к идеям, выдвинутым анатомами еще в XIX в. В конечном счете современные технологии позволяют увидеть, как рельеф поверхности головного мозга коррелирует с функциями мозга.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
18 (3); 86 (июнь/июль 2007)
Почему правая часть мозга управляет левой стороной тела и наоборот?
Отвечает Марк А. В. Эндрюс, профессор физиологии, колледж остеопатической медицины, Лейк-Эри:
С древних времен человек не раз задавал этот вопрос. Так, знаменитый древнегреческий врач Гиппократ задумывался над тем, почему повреждение половины головы с одной стороны приводит к нарушениям работы противоположной стороны тела. Только около 100 лет назад испанский нейроанатом и нобелевский лауреат Сантьяго Рамон-и-Кахаль смог впервые объяснить данный феномен на примере развития зрительной системы. И хотя сейчас мы знаем, что даже у животных с рудиментарной или полностью отсутствующей зрительной системой также присутствует перекрест нервных волокон, объяснение Рамон-и-Кахаля определило важные понятия в области стимул-реакция.
На сегодняшний день причины перекреста нервных волокон в центральной нервной системе до конца не ясны. Известно, что этот феномен возникает в ходе эмбрионального развития. Так, согласно современным исследованиям факторы роста, такие как roundabout, commissureless, Sax-3, netrin и sonic hedgehog, указывают направление роста для нейронов или нервных клеток. И да, у большинства животных, включая рыб, червей, плодовых мушек и всех позвоночных, присутствует перекрест нервных путей. Но откуда он возник? Ученые ищут ответ на этот вопрос повсюду.
Подсказки от эволюционно более простых животных
Эволюционно более древние животные дают нам ключ к разгадке этой особенности строения нервной системы. Давайте представим, например, реакцию червя на болевой стимул. В ответ на действие обидчика червь, сокращая мышцы противоположной (контрлатеральной) стороны тела, отклоняется в противоположную от раздражителя сторону. Для того чтобы сократить мышечные клетки контрлатеральной стороны тела, нервный импульс, возникший на ипсилатеральной стороне (ближней, расположенной в той же части тела), должен пересечь среднюю линию.
Так, перекрест нервных волокон относительно средней линии дает животному определенное преимущество для выживания. А как уже известно биологам, благоприятные для выживания признаки, раз возникнув в эволюции, сохраняются у более «развитых» животных (тех, которые возникли позже в процессе эволюции), если, конечно, не утрачивают свое преимущество.
Подсказки, которые дает зрительное восприятие
В процессе эволюции зрительной системы возник перекрест и нервных волокон. Строение головы у большинства позвоночных таково, что оба глаза расположены по бокам, независимы и имеют разные зрительные поля. Это значит, что зрительные образы от правого и левого глаз совершенно разные, и мозг должен совместить полученные изображения в один полноценный образ. Для этого все волокна зрительного нерва пересекают среднюю линию, что обеспечивает животному возможность выживания в условиях опасности.
Вообразите плывущую в океане рыбу. А теперь представьте, что справа от этой рыбы неожиданно возникает хищник. Свет, отраженный от хищника, попадает в глаз рыбы и формирует изображение на сетчатке. Это изображение посредством перекреста волокон зрительного нерва попадает в противоположную половину мозга, и нервная система сразу реагирует: мышцы контрлатеральной стороны тела сокращаются. Все это приводит к тому, что рыба уплывает в противоположную от стимула (хищника) сторону.
Все значительно усложняется у животных со стереоскопическим зрением, глаза которых направлены вперед, как у человека. Перекрест нервных путей все равно присутствует. Однако в таком случае только половина нервных импульсов от каждого глаза направляется в противоположное полушарие для обеспечения стереоскопического зрения.
Двусторонний ответ
Давайте теперь разберем, что же происходит, когда у животного имеются конечности. У животных без конечностей (например, рыбы или червя) нервные импульсы к мышцам проходят по неперекрещивающимся двигательным волокнам. Только сенсорные волокна перекрещиваются, что вызывает мышечный ответ с той стороны тела, куда пришел нервный импульс, а значит, нет необходимости в дополнительном перекресте. Однако, в случае наличия у животного конечностей, вклад в ответную реакцию может вносить не только контрлатеральная сторона тела, но и ипсилатеральная. Для обеспечения такой свободы действия двигательные волокна перекрещиваются обратно, на сторону исходного стимула. Другими словами, с появлением конечностей двигательные волокна, так же как и сенсорные, перекрещиваются. А значит, левое полушарие мозга преимущественно контролирует руку и ногу правой стороны тела, а правое полушарие управляет рукой и ногой левой стороны.
Кроме того, ученые предполагают, что перекрест нервных путей с их структурной асимметрией может приводить к дифференцированию обеих половин мозга. Функциональной асимметрией мозга можно объяснить задействованность левого полушария в таких сферах, как общение, аналитическое мышление и управление движениями, и специализацию правого полушария на сенсорной информации, пространственных отношениях и творческих способностях.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
17 (6); 84 (декабрь 2006/январь 2007)
Какие есть различия в строении мозга у животных с самосознанием и других позвоночных?
Отвечает Роберт О. Дункан, изучающий проблемы поведения в Йоркском колледже, городской университет Нью-Йорка:
Наличие самосознания отличает человека от других видов животных. Психологи определяют самосознание как метапознание, осознание своей способности мыслить. Считается, что у человека за самосознание и другие сложные когнитивные навыки, такие как социальные способности, планирование и рассуждение, отвечает префронтальная кора.
Если предположить, что за самосознание отвечает только префронтальная кора, то ответ на заданный выше вопрос будет очень простым: у видов, которые не демонстрируют признаков самосознания, не развиты области мозга, аналогичные префронтальной коре человека. Однако префронтальная кора отвечает за еще многие другие когнитивные процессы и тесно связана с другими областями мозга, поэтому нельзя говорить о том, что данная область является единственным очагом для локализации самосознания. Другими словами, наличие префронтальной коры может быть необходимо, но недостаточно для формирования самосознания. Некоторые психологи считают, что зачатки самосознания могут появляться уже у животных с более развитыми когнитивными способностями, бо?льшим размером мозга или относительно высокой степенью взаимосвязанности областей мозга.
Четко выделить различия в строении мозга, которые связаны с наличием или отсутствием у животных самосознания, – задача невероятно трудная. А самое главное – невозможно точно определить и сравнить слабовыраженные морфологические различия у видов из-за более значительных межвидовых различий в строении мозга. Так, признаки самосознания демонстрируют как дельфины, так и шимпанзе, однако строение их мозга сильно различается.
Более того, отсутствие надежных поведенческих тестов для определения проявлений самосознания затрудняет выявление животных, обладающих им. В 1970 г. Гордон Дж. Гэллап (младший) из Университета штата Нью-Йорк в Олбани разработал «зеркальный тест» для выявления самосознания у шимпанзе. Тест считался пройденным успешно, если шимпанзе с помощью зеркала рассматривал нанесенную краской отметку на своем лице. И несмотря на то что большинство представителей рода шимпанзе успешно справляются с зеркальным тестом, есть особи, которые проваливают его, что вызывает сомнение в адекватности данной методики.
Трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении самосознания, указывают на то, что это сложно устроенная функция, а также подтверждают тот факт, что в ее обеспечении участвует не одна область мозга. Таким образом, можно назвать префронтальную кору критичной для развития метапознания, однако самосознание возникает только тогда, когда эта область формирует обширные тесные взаимосвязи с другими областями мозга.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
23 (1); 70 (март/апрель 2012)
Почему мозг не чувствует боли?
Отвечает Марк А. В. Эндрюс, профессор физиологии, колледж остеопатической медицины, Лейк-Эри:
