Для восприятия любого стимула, включая болевой, необходима активация специальных клеток – сенсорных (чувствительных) нейронов. Во внутренних органах, в том числе в мозге, находится незначительное число таких нейронов. Более того, во внутренних органах располагается только 2–5 % от всего числа сенсорных клеток. Такое распределение чувствительных клеток позволяет нам тщательно исследовать мир вокруг нас (вероятно, это связано с тем, что угрозы организму находятся преимущественно во внешней среде), лимитируя при этом наше восприятие изменений, происходящих внутри организма.
Чувствительные нейроны, специализирующиеся на восприятии боли, называют ноцицепторами (от лат. nocere – причинять вред) или болевыми рецепторами. Наибольшая плотность болевых рецепторов расположена на тех частях нашего тела, которые непосредственно взаимодействуют с внешней средой, таких как кожа, кости, суставы и мышцы. Основная роль болевых рецепторов там – охранять и предупреждать нас о возможных повреждающих действиях, чтобы мы смогли в дальнейшем избежать более серьезных последствий.
В мозге болевые рецепторы расположены в сосудах и в мозговых оболочках (трех тонких пленках, покрывающих со всех сторон и защищающих спинной и головной мозг). Современные исследования указывают на то, что активация именно болевых рецепторов в мозговых оболочках может вызывать мигрени. Для других внутренних органов также характерно расположение болевых рецепторов в окружающих тканях, что обеспечивает их чувствительность к сжатию и растяжению. Любопытно, что активация только нескольких болевых рецепторов внутреннего органа приводит к ощущению боли в другом месте, на поверхности тела, т. е. возникает иррадиирующая боль. Данный феномен объясняет тот факт, что болевые ощущения, которые могут сопровождать инсульт, очень часто отмечают в мышцах и суставах плечевого пояса. При этом, конечно, повреждения происходят в мозге, но пострадавший не чувствует там боли.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
18 (2); 86 (апрель/май 2007)
Когда половина мозга лучше, чем целый мозг?
Отвечает Чарльз Чой:
Гемисферэктомия – операция по удалению одного полушария мозга. Это звучит безумно, и еще большим безумием кажется само выполнение такой процедуры. Однако только в прошлом веке были проведены сотни таких операций для лечения мозговых нарушений, которые не поддавались никаким другим способам воздействия. Самое невероятное, что эти операции не оказали значимого эффекта на свойства личности или память пациентов.
Впервые гемисферэктомия была выполнена в 1888 г. немецким физиологом Фридрихом Гольцем на собаке. А в 1923 г. в университете Джонса Хопкинса нейрохирург Уолтер Денди впервые провел такую операцию на пациенте с опухолью мозга. (После операции пациент прожил более трех лет и скончался от рака.) Гемисферэктомия относится к разряду самых радикальных операций на мозге. «Нельзя удалить больше половины. У вас возникнут проблемы, если удалить весь мозг», – шутит невропатолог Джон Фриман из университета Джонса Хопкинса.
В 1938 г. после проведения гемисферэктомии 16-летней пациентке, перенесшей инсульт, канадский нейрохирург Кеннет МакКензи отметил один эффект от операции. У девушки прекратились судорожные припадки. В настоящее время гемисферэктомию проводят пациентам, страдающим от десятков судорожных припадков в день, которые не купируются лекарственными препаратами и причина которых локализована в одном полушарии мозга. «Такое заболевание очень быстро прогрессирует и при отсутствии лечения приводит к повреждению всего мозга», – говорит нейрохирург Гари Матерн из университета Калифорнии в Лос-Анжелесе. Ему вторит Фриман: «Гемисферэктомию проводят в том случае, когда все другие альтернативные способы лечения значительно хуже».
Анатомическая гемисферэктомия подразумевает удаление всего полушария целиком, тогда как во время функциональной гемисферэктомии извлекают только части полушария мозга, а также рассекают мозолистое тело, которое представляет собой пучки нервных волокон, соединяющих два полушария. Образовавшуюся после извлечения полушария полость оставляют пустой, и она с течением времени заполняется спинномозговой жидкостью.
Нейрохирурги университета Джонса Хопкинса специализируются на проведении анатомической гемисферэктомии. Ее преимущество заключается именно в удалении полушария целиком, так как, по словам нейрохирурга Фримана, «если оставить часть пораженного полушария, то эпилептические припадки могут вернуться», в то время как нейрохирурги из университета Калифорнии в Лос-Анжелесе предпочитают проводить функциональную гемисферэктомию в связи с меньшей потерей крови во время операции. «Возраст наших пациентов обычно менее двух лет, и у них просто меньше крови, которую можно потерять». Возраст большинства пациентов в университете Джонса Хопкинса от 5 до 10 лет.
Нейрохирурги выполняли такую операцию даже у младенцев в возрасте трех месяцев. И что самое удивительное, память и личность у них развивались нормально. Как показало недавно проведенное исследование, у 86 % из 111 детей, которым была проведена гемисферэктомия в университете Джонса Хопкинса в период с 1975 по 2001 г., эпилептические припадки либо полностью отсутствуют, либо не выражены и не требуют приема лекарственных препаратов. Те пациенты, которые продолжают страдать от приступов, как правило, имеют врожденные пороки или патологии развития, когда повреждение затрагивает области обоих полушарий, как объясняет Фриман.
Другое исследование показало, что у детей, перенесших гемисферэктомию, даже улучшалась успеваемость в школе после исчезновения эпилептических припадков. «Одна наша пациентка стала чемпионом класса в боулинге, другой пациент – чемпионом штата по шахматам, остальные успешно учатся в колледжах», – говорит Фриман.
Разумеется, что у такой операции есть и негативные последствия. «Вы можете ходить, бегать, некоторые даже танцуют, но вы теряете способность пользоваться рукой на противоположной к удаленному полушарию стороне тела. Вы практически полностью утрачиваете возможность владеть рукой, и зрение также пропадает на этой стороне», – говорит Фриман.
Стоит отметить, что после операции наблюдаются и другие нарушения. Если удалено левое полушарие, то «большинство людей испытывают трудности с речью. Раньше считали, что если удаление левого полушария происходит в возрасте старше двух лет, то человек не овладеет речью. Мы это опровергли», – говорит Фриман. «Чем младше пациент на момент проведения гемисферэктомии, тем меньшие нарушения будут наблюдаться в дальнейшем. Куда в правом полушарии перемещается речевой центр и какие функции он замещает, никто не знает».
Недавно Матерн с коллегами впервые исследовали с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, как меняется мозг в процессе реабилитации пациентов после гемисферэктомии. Изучение того, как оставшееся полушарие берет на себя речевую, сенсорную, двигательную и другие функции, «может пролить свет на пластичность мозга, на его способность изменяться», – отмечает Фриман. И все равно, потеря половины мозга, а значит, и способность владеть только одной рукой, и потеря одной половины поля зрения – состояние, которого любой хотел бы избежать всеми силами.
Исходно опубликовано на сайте Scientific American
24 мая 2007
Какую роль играют коннектомы в нашем сознании?
Отвечает Александр Форнито, доцент из института когнитивных и клинических нейронаук Монаша в Мельбурне, Австралия:
Человеческий мозг – уникальная и очень сложная сеть, состоящая из более 86 млрд нейронов, которые связаны между собой при помощи 100 млрд синапсов. Коннектом – это обширная карта таких связей, т. е. «схема проводки» мозга.
Современный уровень технологий не позволяет нам составить карту нейронных связей мозга, которая включала бы абсолютно все нейроны и синапсы. Вместо этого, используя, например, магнитно-резонансный томограф, ученые могут картировать связи между областями мозга размером в несколько миллиметров, которые состоят из тысяч нейронов.
На таком макроскопическом уровне каждая область мозга содержит специализированные нейроны, вместе обеспечивающие отдельные функции, которые в свою очередь вносят вклад в когнитивную деятельность человека. Так, разные области зрительной коры содержат нейроны, обрабатывающие определенный вид зрительной информации, например ориентацию линии или направление ее движения. Одни области мозга участвуют в обработке информации (звук, запах, прикосновение) от остальных органов чувств, в то время как другие контролируют движение, отвечают за эмоциональные реакции и т. д.
Все эти функции не существуют в изоляции, а интегрированы друг в друга для обеспечения единого и ясного восприятия мира. Считается, что такое слияние функций происходит при синхронизации активности разных популяций нейронов. Пучки нервных волокон, соединяющих разные области мозга, как провода в коннектоме, служат основой для синхронизации активности нейронов. Благодаря такому построению связей активность мозга больше похожа на слаженную симфонию, а не на непонятную какофонию.
Если нейронные связи нужны для координации нейронной активности, можно ли предположить, что у людей с различающейся структурой нейронных связей будут и разные когнитивные способности? Некоторые исследования показали, что люди с хорошо развитыми связями между областями мозга, интегрирующими информацию, лучше выполняют тесты на общий интеллект. При этом пациенты с различными расстройствами, например шизофренией, имеют менее развитую структуру нейронных сетей. Повреждение области мозга, тесно связанной со многими другими областями, приводит к особенно выраженным когнитивным нарушениям. Эти данные указывают на то, что нейронные связи в мозге вносят значительный вклад в обеспечение когнитивной деятельности.
Однако структура мозга не полностью определяет его функции. Если бы это предположение было верным, наш мозг был бы вовлечен в бесконечную циклическую активность, без какой-либо способности к обучению или приспособлению к новым условиям. Вместо этого коннектомы создают основу для модуляции и координации активности разных популяций нейронов, обеспечивая тем самым временные и многообразные объединения для слаженной работы.
Такие функциональные связи возникают и исчезают, как водовороты в течении реки, способствуя формированию новых связей или исчезновению неиспользуемых. В итоге структура связей мозга и его функции вместе образуют некий симбиоз, когда когнитивная деятельность зависит как от точности образования связей в коннектоме, так и от динамических паттернов нейронной активности в этих сетях.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
28 (1); 72–73 (январь/февраль 2017)
Почему мы ощущаем «обморожение мозга», когда едим холодное?
Отвечает Марк А. В. Эндрюс, профессор физиологии, колледж остеопатической медицины, Лейк-Эри:
Эта довольно часто испытываемая боль, известная также как головная боль из-за мороженого, возникает при быстром употреблении очень холодных продуктов и напитков. Если по-научному, то невралгия крылонебного узла (не очень простое название, согласны?) является результатом быстрого охлаждения и последующего нагревания кровеносных сосудов, расположенных в небе, верхней поверхности ротовой полости. Такой же, но безболезненный ответ возникает в сосудах лица, вызывая покраснение щек после прогулки в холодную погоду. В обоих случаях под действием холода кровеносные сосуды сужаются и следом происходит усиленная обратная реакция (их расширение) при нагревании тканей.
В небе кровеносные сосуды расположены вблизи большого числа болевых рецепторов, которые и реагируют на расширение сосудов, и посылают сигнал в мозг по тройничному нерву, одному из самых крупных нервов лицевой области. Этот нерв также передает болевой сигнал от лица. В процессе обработки сигналов мозг воспринимает боль как идущую от лобной области (похоже на феномен иррадиирущей боли при сердечных приступах). Ощущение «обморожения мозга» длится от нескольких секунд до нескольких минут, что несравнимо короче длительности его «родственника» – мигрени. Исследования показывают, что такие же сосудистые механизмы и иннервация, участвующие в возникновении ощущения «обморожения мозга», вызывают ауру (сенсорное нарушение) и пульсирующую головную боль при мигрени. Удивительно, но невозможно испытать головную боль от мороженого в холодную погоду. Только в теплое время года быстрое поедание мороженого вызовет это болевое ощущение.
К счастью, нет необходимости отказывать себе в удовольствии полакомиться мороженым. Чтобы избежать болевых ощущений, достаточно лишь плотно прижать язык к небу, не спешить с холодным продуктом или просто немного нагреть холодную пищу в преддверие рта перед тем, как проглотить.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
19 (1); 84 (февраль/март 2008)
Раздел 2
Мышление, идеи и представления
Что такое идея?
Отвечает Ричард Дж. Хайер, психолог, медицинский факультет Калифорнийского университета, Ирвайн:
Когда какая-либо идея возникает у вас в голове, очень маловероятно, что это результат лишь одного события в мозге (как широко известное всем представление о загорающейся лампочке). Исследования не выявили наличия одной-единственной области мозга, которая отвечала бы лишь за процессы мышления, возникновение идей. Музыкальное вдохновение может иметь начало в областях мозга, отличных от тех, в которых зарождаются математические понятия или мысли о том, что приготовить на ужин. Любая идея, как и мышление в целом, – это результат целого ряда нейронных событий, которые нам хотелось бы изучить с научной точки зрения.
В некотором смысле попытки зарегистрировать изолированно одну мысль или идею сродни поиску Святого Грааля, но в когнитивных исследованиях мозга. Это дало бы возможность с помощью только физических данных (когда и какие нейроны активны) делать заключение о том, что на уме у человека. Такое чтение мыслей теоретически, конечно, возможно, однако в настоящее время представляет для ученых некоторый устрашающий вызов.
Тем не менее с помощью нейровизуализации работы мозга достигнут определенный прогресс. Например, анализируя активность мозга человека во время просмотра видеоролика, можно в общих чертах узнать содержание этого ролика. Несмотря на такой поразительный факт, нам еще очень далеко до распознавания отдельных спонтанных мыслей или озарений из какофонии миллиардов нейронов, которые хаотично активируются или синхронно разряжаются, подчиняясь определенной динамике. Сколько нейронов должны активироваться, чтобы возникла идея? Где они расположены? Правда ли, что одному из нас требуется больше нейронов для формирования идеи, чем другому? Почему некоторые люди лучше генерируют идеи, чем другие?
Представьте себе, что мы узна?ем ответы на некоторые из этих вопросов. Тогда приоткрылась бы завеса тайны креативности и интеллекта. Сейчас мы с коллегами пытаемся выявить области мозга, структура и функции которых коррелировали бы с уровнем интеллекта. Надеюсь, что в ближайшем будущем данная работа перерастет в экспериментальное исследование, в котором мы сможем при помощи химических, электрических или магнитных стимулов воздействовать на отдельные области мозга, нейронные сети или нейромедиаторные системы. Конечная цель таких экспериментов – улучшение памяти и способности к обучению, усиление креативности и увеличение интеллекта. Возможностью манипулировать когнитивной деятельностью можно объяснить повышенный интерес и энтузиазм в подобных исследованиях, а также некоторое беспокойство относительно этих представлений о природе идей.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
19 (3); 84 (июнь/июль 2008)
Озарение всегда правильное?
Отвечает Рони Якобсон:
Моменты озарения (Эврика!) всегда приносят удовлетворение, так как воспринимаются как истина. Возникает ощущение, что части головоломки встали на свои места и для этого не было затрачено много усилий. Но можно ли доверять таким озарениям? Согласно данным, опубликованным в журнале Thinking & Reasoning, да, можно! Результаты исследований подтверждают, что с помощью озарения можно найти правильные решения трудных задач.
В своих четырех экспериментах Карола Салви, новоиспеченный кандидат наук из Северо-Западного университета, психолог Джон Коуниос из Дрексельского университета и их коллеги предъявляли студентам головоломки (анаграммы и ребусы). После завершения проб испытуемых спрашивали, каким образом они пришли к ответу: думали над решением задачи шаг за шагом (аналитическое решение) или ответ просто пришел в голову (озарение).
Во всех четырех экспериментах частота правильных озарений была выше, чем частота правильных ответов, полученных при целенаправленном решении задачи. Так, в одном из экспериментов с участием 38 студентов, надо было подобрать слово, которое могло бы образовать осмысленное словосочетание с каждым из трех предъявленных слов (например, слово «яблоко» для слов «стена», «сосна» и «соус»). Ответы, полученные с помощью озарения, были верны в 94 % случаев, тогда как точность аналитического решения достигала всего лишь 78 %.
Такое соотношение правильных ответов может быть результатом того, как мозг генерирует озарения. Озарения формируются в мозге человека, как правило, без сознательного контроля. Именно поэтому, в случае возникновения озарений, действует закон «все или ничего», т. е. либо полностью сформированное решение приходит на ум, либо нет. Данная гипотеза находит подтверждение в исследованиях с регистрацией ЭЭГ и функциональной магнитной томографией. Эксперименты показали, что озарению предшествует кратковременное функциональное отключение, или «мигание», чтобы идея могла «перескочить в сознание», как говорит Коуниос. А значит, менее вероятно, что озарение будет ошибочным. Аналитическое мышление, напротив, происходит непрерывно и зависит от спешки и погрешности в рассуждениях.
Нельзя, однако, считать, что озарение – лучший способ для решения любых задач. Эксперименты Салви и Куониоса включали в себя задачи с четкими правильными и неправильными ответами, поэтому результаты этих исследований нельзя напрямую переносить на реальные каждодневные ситуации с очень сложными задачами, на решение которых могут уйти дни и даже месяцы и годы.
Кроме того, по словам не участвовавшей в описанных выше исследованиях Джанет Меткалф, руководителя лаборатории метакогнитивной деятельности и памяти в Колумбийском университете, в решении сложной задачи могут быть использованы разные стратегии. «Не существует идеального способа решения проблемы», – добавляет она.
Исходно опубликовано на сайте Scientific American
1 мая 2016
Почему невозможно прекратить думать и сделать разум абсолютно чистым?
Отвечает Барри Гордон, профессор неврологии и когнитивных наук, медицинский факультет университета Джонса Хопкинса:
Для начала давайте простим нашему мозгу это незначительное неудобство, потому что оно не раз спасало нашу жизнь или, если точнее, жизни наших предков. По всей вероятности, вам не приходится беспокоиться о том, кто шуршит в кустах, заяц или леопард, не нужно выбирать лучшие пути бегства при прогулке у озера или гадать, является ли извилистый узор на траве змеей или просто веткой. А для наших предков это были жизненно важные события. Оптимальная моментальная готовность к действию требует постоянной работы мозга, а это крайне энергозатратный процесс. (Для справки: мозг современного человека составляет только 2 % от веса тела, тогда как потребляет 20 % энергии в покое.) Появление такого «жадного до энергии» органа, постоянно выявляющего стимулы, связи и механизмы, стало возможным только у млекопитающих с их высоким уровнем метаболизма.
Постоянная работа мозга вывела нас из разряда «любимой еды» в прериях, а значит, и почти вымершего вида, на уровень самого высокоразвитого на планете. Даже в современном мире наш мозг постоянно упорно трудится в поисках опасностей и для извлечения возможностей из всего многообразия информации, которую мы получаем из окружающего мира. Такой процесс сродни работе сервера информационно-поисковой системы. Кроме того, наш мозг всегда на один шаг впереди, думает наперед, что требует даже большего усилия.
И хотя большинство из нас сегодня не боится леопардов, спрятавшихся в траве, мы постоянно сталкиваемся с новыми опасностями и трудностями: трудовая занятость, размер процентной ставки по кредиту, 70 %-ные скидки и аферисты, предлагающие 20 млн долларов за небольшое вложение денег. Наши предки-приматы дали нам еще одно преимущество – способность жить в социуме. Как социальные существа мы должны постоянно отслеживать, кто главный, а кто нет, кто нам может быть полезен, а кто несет опасность. Для того чтобы все это знать и понимать, наш мозг постоянно генерирует сценарий «что, если…?». Что мне надо сделать заранее на работе, в социуме, в финансовой сфере? Какие здесь есть опасности? А что может быть преимуществом?
По этим причинам мы только выигрываем от постоянной работы мозга, даже если для этого приходится терпеть навязчивые мысли, которые могут беспокоить нас время от времени.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
23 (5); 78 (ноябрь/декабрь 2012)
Можно ли думать две мысли одновременно?
Отвечает Барри Л. Бейерстайн, психолог, университет Саймона Фрезера в Бернаби, Британская Колумбия:
Ответ на данный вопрос зависит от того, как вы определяете термин «мысль». Если считать, что мысль – это продукт восприятия или оперирования им, который в данный момент осознается вами, то тогда только один мыслительный процесс может происходить сиюминутно. Психологи часто описывают действие такого «селективного внимания» как движение луча от прожектора по сцене и выхватывание из темноты одного и только одного актера за раз. Однако если определение термина «мысль» расширить и включить в него другие умственные процессы, которые идут параллельно с тем, что в данный конкретный момент находится в фокусе вашего внимания, то получается, что можно думать несколько мыслей одновременно.
Если вы умеете водить машину, то вы знаете, как справляться с большим числом разных стимулов одновременно. Опытный водитель выполняет огромное число жизненно важных действий без постоянного контроля со стороны сознания: следит за сигналами светофора, за окружающими машинами и препятствиями на дороге и при этом может вести беседу с пассажирами, слушать радио, любоваться видами или говорить по телефону. Мозг воспринимает каждый из стимулов должным образом, но внимание в каждый конкретный момент может быть сконцентрировано только на одном из них. Эти небольшие периоды осознанности часто называют проблесками сознания, так как под действие сознательного контроля попадает только малая доля всех процессов, крутящихся в нашем мозге одновременно.
Нейробиологи представляют мозг как набор специализированных, полуавтономных модулей, которые работают параллельно. Каждый выполняет свою работу незаметно, будто за кулисами. Но когда модуль заканчивает выполнение задачи, он на короткий миг выдвигается на передний план, в центр сцены, захватывает исполнительный контроль и демонстрирует плоды своего невидимого труда нашему субъективному сознанию.
Исходно опубликовано в Scientific American MIND
18 (4); 86 (август/сентябрь 2007)
Можно ли научиться думать более рационально?
Отвечает Дэниел Уиллингем, профессор психологии, университет штата Виргиния, автор книги «Растим читающих детей: что для этого могут сделать родители и учителя»:
Если коротко, то да, вы можете научиться мыслить более рационально, но только о чем-то определенном. Добиться более рационального мышления в целом – задача гораздо более сложная.
Прежде чем приступить к более детальному ответу на вопрос, давайте дадим определение рациональному мышлению. В рамках нашего обсуждения будем придерживаться следующего относительно прямолинейного определения. Рациональное мышление заключается в способности делать состоятельные выводы из каких-то данных, законов и логики.
Как показывают исследования, обучение в школе в действительности может улучшить рациональное мышление. Недавно проведенный анализ результатов многочисленных работ показал, что курсы обучения в колледже вносят весомый вклад в развитие способности критически мыслить. Однако многолетние исследования показали также, что улучшение достигается только в определенном типе логического мышления, который был задействован при освоении конкретного курса, но не других. Значит, если студент занимается логическими задачами, он совершенствуется в их решении, но не в других сферах, таких как формулирование логических доводов или победа в дебатах.
И во всем этом есть определенный смысл. В разных ситуациях нужен разный набор навыков для рационального мышления. Логика, используемая нами для интерпретации результатов научных экспериментов, отличается от той, которая необходима нам при покупки машины или при приготовлении блюда по новому рецепту.
