Скорость мысли. Грандиозное путешествие сквозь мозг за 2,1 секунды

Ваше решение стащить печенье в трудную минуту сочетает в себе все вышеперечисленное и еще много чего. Импульсы объединяют все эти светлые и темные участки и границы в рассыпчатое овсяное печенье в полумраке коробки с приоткрытой крышкой, на которой нацарапано фломастером «Печенье», стоящей на коричневатой столешнице. Импульсы о распознавании в этом овсяно-коричневом полукруге, усеянном темными и светлыми кусочками, последнего печенья, съедобного объекта, ответа на насущную проблему выхода из дремоты перед неизбежным общим собранием. Импульсы буферной памяти, фиксирующей, где ваши коллеги были всего лишь долю секунды назад, кто рядом с кем, кто куда смотрел. Импульсы для накопления всех этих воспоминаний и новой информации в качестве свидетельств в пользу или против того, схватить это печенье или лучше не стоит. Импульсы для исполнения сложносоставного движения, заканчивающегося прикосновением кончика пальца к его рассыпчатому краю. Даже если учесть вялость вашего полудремлющего после сытного обеда мозга, это примерно 300 миллисекунд, чтобы собрать «что» и «где» из зрительных и слуховых входящих сигналов, еще 1,5 секунды, чтобы вспомнить все и принять решение, и еще 300 миллисекунд, чтобы наклониться и дотянуться до этого кусочка плотской утехи. На все про все – 2,1 секунды.

В таких временных масштабах импульсы на самом деле неуклюже медлительны. Физический процесс создания и отправки импульса устанавливает жесткий нижний предел того, сколько импульсов может быть передано, получено и заново отправлено в течение одной или двух секунд. Вызвать скачок напряжения можно быстро, но не бесконечно быстро: диффузия молекул, переток ионов, рост и падение потенциала. Суммирование всплесков для достижения критической точки может происходить быстро, но не бесконечно быстро. Создание импульса при достижении критического уровня потенциала происходит быстро, но тоже не бесконечно быстро. Бег импульса по аксону стремителен, но тоже занимает время. Каждый шаг в процессе создания и отправки импульса – это время, это задержка на пути обработки того, что происходит в мире. Даже если каждый входящий импульс, поступающий к нейрону, вызывает всплеск напряжения, достаточно большой, чтобы подтолкнуть нейрон к его критической точке, все равно пройдет не менее 10 миллисекунд от момента, когда импульс приземлится на конец синапса, до момента прибытия нового импульса в пункт назначения – а возможно, и еще дольше, если аксон медленный, или длинный, или и то и другое сразу. Как же тогда мы ухитряемся выяснить все «что» и «где» в процессе охоты на печенье менее чем за 300 миллисекунд? Как мозг преодолевает ограничения в скорости генерации и передачи импульсов?

Есть два решения. Первое хорошо известно: мозг вычисляет параллельно.

Дороги, которые мы не выбрали

Первое решение проблемы ограничения скорости движения лежит на тех дорогах, которые мы не выбрали. Наше путешествие представляло собой один непрерывный путь, единую последовательную цепочку нейронов, протянувшуюся от сетчатки на дне глазного яблока, через бóльшую часть коры головного мозга и до спинного мозга. Хотя даже для такого путешествия нам пришлось клонировать себя, чтобы одна наша копия смогла свернуть на шоссе «Что», а другая – на шоссе «Как», и отслеживать разделение труда, необходимое для решения, казалось бы, простой задачи – взять печенье. Но на самом деле перед нами было гораздо больше дорог, по которым мы могли пойти, путешествий импульсов, которые происходили параллельно с нашим.

Мы видели эти параллельные дороги повсюду. Каждый раз, когда седлали клонированный импульс, проносящийся вдоль аксона к синаптической щели, и перепрыгивали через нее, чтобы спуститься по дендриту к нейрону, который собирался послать следующий импульс. Ведь мы могли совершить прыжок через любой из многочисленных синапсов, созданных аксоном. Сколько дорог мы могли бы пройти?

Теперь мы знаем, как нам повезло, что мы достигли финиша на выбранном пути. Хотя один аксон, разветвляясь, формирует много синапсов, но и частота синаптических отказов довольно высока, что делает импульс, достигший их, в большинстве случаев неэффективным. И даже если импульс сможет преодолеть синапс и достичь тела нейрона на другой стороне, скорее всего, окажется, что это темный нейрон, который не получил достаточного количества входящих данных, чтобы в ближайшее время произвести импульс. Путь импульса полон опасностей, и он должен быть готов к гибели.