Мозг: это удивительно

Это чуть видоизмененный текст нашей еженедельной рассылки. Вы всегда можете подписаться на нее тут.

Мозг всегда сравнивали с самыми передовыми устройствами и системами  коммуникации своего времени. В книге In Our Own Image эксперт по искусственному интеллекту Джордж Заркадакис описывает главные метафоры, которые использовали ученые за последние 2000 лет для объяснения принципов работы главного органа нашего тела. Начиная с III века н.э. мозг был гидравлическим насосом, перекачивающим «телесные соки». C XVI столетия стал напоминать часовой механизм с шестеренками и пружинами. Затем — паровую машину, электрическую цепь, телеграф и телефон. В 1940-е мозг стал компьютером, а в последнее время — нейросотью, объединяющей 86 миллиардов мини-компьютеров нейронов. Проблема таких метафор в том, что они ярко высвечивают лишь одно удивительное свойство и отбрасывают тень на все остальные. А у мозга их множество.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ. Узнать больше про мозг можно на встрече сообщества Reminder 2 июля в Москве. Мы пригласили экспертов из разных областей — нейронауки, психотерапии, биохакинга, спорта — чтобы поговорить о «самом сложном объекте в известной нам части Вселенной». Билеты по ссылке.

Мозг намного экономнее компьютера

Суперкомпьютер IBM Watson, победивший в 2003 году в интеллектуальной телевикторине Jeopardy, совершает 80 триллионов операций в секунду и потребляет 100 киловатт в час, как 40-50 частных домов. Наш мозг передает информацию в 12 раз быстрее и тратит около 13 ватт в час, меньше, чем обычная электрическая лампочка. Как ему это удается? В компьютерном процессоре информация передается с помощью переключения транзисторов. На каждую операцию с кремниевым транзистором требуется напряжение — 0,6 вольт. В мозге сигналы между нейронами передаются химическим путем — с помощью молекул нейротрансмиттеров. И для этого нужно всего несколько тысячных долей вольта.

Мозг не для того, чтобы думать

Хотя мозг выдает в среднем 48,6 мыслей в минуту, это для него лишь побочный эффект работы. Главная функция мозга совсем не мышление, а менеджмент организма, пишет нейробиолог Лиза Фельдман Баррет. Он управляет движением мышц, поддерживает баланс гормонов, перекачивает кровь, контролирует переваривание пищи и выделение отходов и помогает организму бороться с заболеваниями — каждое мгновение нашей жизни. Именно поэтому, а не ради мыслей, идей, воспоминаний, эмоций и галлюцинаций, на питание содержимого нашего черепа, составляющего всего 2% массы тела, затрачивается 20% потребляемых калорий. В день это «примерно столько, сколько вы получаете из одного черничного маффина», —замечает известный британский писатель Билл Брайсон.

Мозг все просчитывает заранее

В эпоху виниловых пластинок фанаты The Beatles заметили забавный эффект, рассказывает научный журналист Марко Магрини. После прослушивания песни With a little help from my friends, еще до того, как игла успевала дойти до Lucy in the sky with diamonds — следующей дорожки на диске, у них в голове начинали звучать ее первые ноты. Все потому что мозг моделирует любую ситуацию заранее. А для прогноза — сопоставляет сигналы от органов чувств с воспоминаниями о том, что происходило с организмом в прошлом, когда он подавал похожие сигналы. Вы еще не встали со стула, а мозг уже начал регулировать артериальное давление, чтобы получить нужное количество кислорода к моменту подъема, иначе велика вероятность упасть в обморок. Он всегда знает, что с нами произойдет, на доли секунды раньше нас. Именно эта суперспособность делает его таким эффективным менеджером.

Мозгу не нужно сладкое

Да, мозг питается сахаром. Точнее — глюкозой. Из нее в митохондриях — энергенераторах клеток — вырабатываются молекулы АТФ, которые служат топливом для мозга. Но это не значит, что при повышенной умственной активности вам нужно много сладкого. Во-первых, организм умеет извлекать глюкозу почти из любой еды — не обязательно сладкой: каша, помидор, кусок рыбы — все сойдет. Во-вторых, нейроны, в отличие от жировых клеток, лишены способности запасать питательные вещества. Так что избыток сахара скорее прибавит вам не ума, а сантиметров на талии. В-третьих, как показали исследования, при регулярном повышении уровня глюкозы в крови мышление, наоборот, замедляется. Вероятно, это связано с тем, что сахар в больших дозах подавляет выработку нейротрофического фактора мозга, который связывают с когнитивными функциями.

Промывка мозга

При таком активном обмене веществ, как в мозге, выделяется много побочных продуктов, от которых надо как-то избавляться. Этим мозг занимается по ночам: в фазе глубокого (медленноволнового) сна каждые 20 секунд мозговые ткани омывает пульсирующими волнами спинномозговая жидкость, сходная по составу с сывороткой крови. Она и очищает их от продуктов обмена. В норме медленноволновой сон продолжается 70-90 минут. Если он короче, могут возникнуть проблемы с памятью и концентрацией, перепады настроения и ощущение усталости. А также — увеличивается риск болезни Альцгеймера.

Мозг жирный

И поэтому такой быстрый и пластичный. Во-первых, жир содержится в синаптических мембранах и играет важную роль в передаче сигналов от нейрона к нейрону. Во-вторых, это необходимый компонент миелина, покрывающего нервные волокна как изоляционный слой вокруг электропроводки. Благодаря миелину мозг теряет минимум энергии при передаче данных и может задействовать одни и те же нейроны в разных операциях. Хотя научные авторы любят разделять области мозга в соответствии с их основными функциями (например, «зрительная кора» или «речевой центр»), любой нейрон способен выполнять разные задачи. Отсюда способность мозга к нейропластичности — умение быстро перестраивать нейронные сети при изменении условий и сохранять эффективность.

Негативные мысли

Вопреки стереотипу, на тревожные, мрачные и даже мучительные мысли мозг тратит не больше энергии, чем на приятные и нейтральные. При столкновении с проблемами активируется больше нейронов, чем в состоянии покоя, но по энергозатратам такие «негативные мысли» ничем не отличаются от решения «нейтральной» математической задачи. Издержки не превышают 5% от общих потребностей. На самом деле мы устаем от негативных мыслей из-за того, что они вызывают стресс. А при стрессе сжимаются мышцы, учащается сердцебиение, повышается давление, растет потребление кислорода. На все это требуется энергия. Ученые подсчитали, что даже незначительное стрессовое напряжение может обойтись в 200 кКал. Примерно как 20-минутная пробежка в среднем темпе.

Усталость

Чтобы сэкономить энергию, мозг использует разные уловки. Одна из самых ходовых — усталость. Хороший пример — бегун, который в конце длинной дистанции падает на дорожку в изнеможении. Кажется, он исчерпал все ресурсы и теперь ему придется восстанавливаться несколько дней. На самом деле — нет. Даже когда вы чувствуете, что достигли предела физических возможностей, в ваших мышцах еще много энергии, а в крови — глюкозы и жирных кислот. Усталость — это лишь чувство, которое моделирует мозг, когда ему надоедает бороться с вашим желанием выложиться на полную. Вот почему победитель марафона через минуту поднимается и как ни в чем не бывало пробегает круг почета по стадиону.

Мозг уменьшается

Слишком большой мозг отнимает чересчур много энергии у тела, объясняет антрополог Джон Хоукс. Так что эволюция, как и электронная промышленность, пошла по пути миниатюризации. Сейчас мозг у нас примерно на 15% меньше, чем у людей Ледникового периода, а с тех пор прошло всего-то 14 тысяч лет. Сокращение объема мозга связано с одним из наших важнейших эволюционных достижений — изобретением разделения труда и коллективной работы. Когда-то мы смогли сделать мозг менее энергозатратным и более эффективным, перераспределив интеллектуальную нагрузку между собой. Каждый стал немного «глупее», а все вместе — намного умнее.