Как мы учимся. Почему мозг учится лучше, чем любая машина… пока

Что происходит в синапсе? Другой лауреат Нобелевской премии, нейрофизиолог Томас Зюдхоф, посвятил этому вопросу все свои исследования и пришел к выводу, что синапсы суть вычислительные элементы нервной системы – подлинные нанопроцессоры мозга. Если вы помните, наш мозг содержит около тысячи триллионов синапсов. Сложность такого устройства поистине беспримерна. Рассмотрим его в самых общих чертах. Сообщение, которое передается по аксону, по природе своей электрическое, но большинство синапсов преобразуют его в химическое. Концевые участки аксона, терминали, содержат пузырьки – везикулы, крошечные кармашки, заполненные так называемыми нейротрансмиттерами (например, глутаматом). Когда электрический сигнал достигает терминали аксона, везикулы открываются, и молекулы нейротрансмиттера попадают в синаптическое пространство, отделяющее один нейрон от другого. Как следует из самого названия, нейротрансмиттеры передают сообщение от одного нейрона к следующему. Через мгновение после выхода из везикул пресинаптической терминали молекулы нейротрансмиттера прикрепляются к мембране второго, постсинаптического нейрона в определенных точках, называемых рецепторами. Нейротрансмиттеры подходят к рецепторам так же, как ключ к замку: они буквально открывают двери в мембране постсинаптического нейрона. Ионы, положительно или отрицательно заряженные атомы, вливаются в эти открытые каналы и генерируют электрический ток внутри постсинаптического нейрона. Цикл завершен: электрический сигнал преобразовался в химический, затем обратно к электрический и в ходе этого процесса преодолел пространство между двумя нейронами.

Какое это имеет отношение к научению? Что ж, на протяжении всей жизни наши синапсы постоянно меняются, и эти изменения отражают то, чему мы учимся⁹⁸. Каждый синапс – это крошечный химический завод, многие элементы которого могут изменяться в процессе научения: количество везикул, их размер, количество рецепторов, их эффективность, даже размер и форма самого синапса… Все эти параметры, во-первых, влияют на силу, с которой пресинаптический электрический сигнал будет передан второму, постсинаптическому нейрону, а во-вторых, обеспечивают пространство для хранения усвоенной информации.

Разумеется, изменения синаптической силы происходят не случайно: как правило, они стабилизируют активность нейронов за счет усиления их способности возбуждать друг друга, если эти самые нейроны уже делали так в прошлом. Еще в 1949 году психолог Дональд Хебб (1904–1985) сформулировал следующее базовое правило: нейроны, которые срабатывают вместе, связываются друг с другом. Иными словами, если два нейрона активируются одновременно или в тесной последовательности друг за другом, их связь усиливается. Таким образом, если постсинаптический нейрон срабатывает через несколько миллисекунд после срабатывания пресинаптического нейрона, сила синаптической связи возрастает: в будущем передача информации между этими двумя нейронами будет более эффективной. Если, с другой стороны, синапс не проводит сигнал и постсинаптический нейрон не срабатывает, синаптическая связь ослабевает.

Сегодня мы понимаем, почему этот феномен стабилизирует нейронную активность: он усиливает связи, которые хорошо работали в прошлом. Синаптические изменения, следующие правилу Хебба, повышают вероятность того, что тот же тип активности возникнет снова. Благодаря синаптической пластичности обширные нейронные сети, каждая из которых соткана из миллионов клеток, возбуждаются друг за другом в точном и воспроизводимом порядке. Мышь, выбирающая оптимальный маршрут в лабиринте; скрипач, извлекающих фонтан нот из своих пальцев; ребенок, декламирующий стихотворение, – каждый из этих сценариев рождает нейрональную симфонию, в которой всякое движение, нота или слово записываются сотнями миллионов синапсов.