Один день из жизни мозга. Нейробиология сознания от рассвета до заката

Когда я только начинала изучать нейронауку, обычной практикой было пытаться объяснить мозговые процессы, рисуя схемы, в которых участки мозга изображаются в виде аккуратных прямоугольников со стрелками между ними, с символами «+» или «-», обозначающими простое возбуждение или торможение. Однако мы только что видели, что нейронным связям свойственны эффекты модуляции: любое торможение или возбуждение между группами клеток или внутри них будет зависеть от их текущего состояния в каждый момент времени. Это означает, что нам надо искать какой-то дополнительный вид механизма, который может функционировать на уровне, превышающем уровень одиночных нейронов. Как мы уже знаем, они не функционируют как автономные единицы. Более того, каким бы ни был этот новый механизм, прежде всего он должен быть пластичным, непрерывно меняющимся от одного момента к другому.

Нейронные ансамбли

Еще в 1949 году канадский психолог Дональд Хебб представил революционную идею о том, что нейроны могут адаптироваться к пережитым событиям – в некотором смысле учиться. Хебб показал, что нейроны, находящиеся в непосредственной близости друг к другу, имеют тенденцию к синхронизации, то есть их активность согласована: находясь в этом состоянии, они образуют единую функциональную сеть, операции которой могут выходить далеко за пределы триггерной зоны. Далее ученый предположил, что если действительно возникает такая коллективная активность, тогда эти нейронные сети могли бы провоцировать гораздо более длительные изменения в синапсах, что, в свою очередь, привело бы к длительной, укрепленной связи между клетками головного мозга внутри этой сети. Почему же эта идея считается таким прорывом?

Провидческая теория впервые объяснила, как мозг может адаптироваться к входным сигналам и, следовательно, к окружающей среде, – феномен, который был назван пластичностью (от греческого plastikos – пригодный для лепки).[74] Пластичность теперь признана ключевым свойством мозга, хотя у разных видов животных она проявляется в неравной степени. У таких примитивных, как, скажем, золотая рыбка, поведение все же наиболее тесно связано с генами. У ее мозга не так много нейронных связей, поэтому окружающая среда будет иметь меньшее влияние, чем у более высокоорганизованных животных, для которых индивидуальный опыт в буквальном смысле может оставить отпечаток в мозге.

Среди представителей царства животных мы, люди, обладаем наиболее развитой способностью к адаптации, поэтому занимаем больше экологических ниш, чем любой другой вид на планете, – мы можем жить и процветать в самых разных уголках земного шара, от джунглей до Арктики. Феноменальная пластичность нейронных связей человеческого мозга также означает наибольший потенциал среди всех видов, чтобы каждый из нас мог стать поистине уникальной личностью благодаря индивидуальному опыту – благодаря адаптируемым синапсам Хебба.

Идея Хебба была подтверждена эмпирически несколькими десятилетиями позже, когда нейрофизиологам удалось выявить клеточный механизм долговременной, относительно медленной адаптации, локализованной в отдельных синапсах. Этот механизм во многом объясняет различные явления в неврологии и психологии, в частности те, что связаны с обучением и памятью. Тем не менее, хотя за последние несколько десятилетий эта парадигма была успешно применена и исследована в бесчисленных публикациях, существует дилемма: мы можем исследовать мозг, как это сделал Хебб, – на уровне клеток, синапсов и передатчиков (подход «снизу вверх») или же сосредоточиться на конечных функциях мозга и его макроуровневых зонах (стратегия, которая, в отличие от первой, получила название «сверху вниз»).

Но как перейти с одного уровня на другой?

Должен существовать некий способ, с помощью которого эти маленькие локализованные сети нейронов могут влиять на взаимодействие между определенными областями мозга, порождая когнитивные процессы, такие как запоминание и формирование опыта, определяющие нашу индивидуальность. Иными словами, должен быть мост между макромасштабным («сверху вниз») и микромасштабным («снизу вверх»). Хебб не знал, удастся ли нам продвинуться дальше. Но он полагал, что эта локальная активация могла бы, в гораздо больших масштабах, в конечном итоге привести к согласованности в глобальной активности и функционировать во многих других нейронах.[75]