10. Введение в нейронауку I

Введение

Стэнфордский университет. На данный момент я не доктор Сапольски. Вы, вероятно, заметили это по бороде и другим признакам. Меня зовут Натан. Я аспирант четвертого года обучения в программе по нейронаукам. И сегодня я прочитаю вам вводную лекцию о том, как в принципе работает мозг.

Прежде чем я начну, чтобы понять, кто здесь присутствует: сколько из вас являются студентами-биологами или специализирующимися на биологии человека и решили прийти сегодня? Много людей. Хорошо. Сколько из вас занимаются другими точными науками или инженерией? Немного, хорошо. Сколько из вас — социальными науками? Немного. А гуманитарными? Хорошо, гуманитарии. Есть кто-то еще? Хорошо, есть еще несколько. Отлично.

Для некоторых из вас это будет повторением, и, надеюсь, вы все равно узнаете что-то новое. Для некоторых это будет первый раз, когда вы слышите эти термины, и, надеюсь, это даст вам общее представление, чтобы позже, когда доктор Сапольски будет читать лекции по нейронаукам, вы лучше понимали, о чем он говорит.

Контекст курса

Мы начали весь этот курс с обсуждения извечного вопроса: почему курица перешла дорогу? Да, это должна быть курица. Моя специальность — не искусство. Но курица переходит дорогу, и мы начали курс, в основном говоря, что весь этот курс научит нас, почему курица перешла дорогу. И конкретно первая половина курса посвящена...

Мы начали с эволюции, которая спрашивает: как это поведение — переход дороги — эволюционировало за многие миллионы лет? Почему оно было адаптивным? Почему куры, которые переходят дорогу, производят больше потомства? Все это. Это изучали старики, плавающие на лодках к Галапагосам, чтобы увидеть, как куры на разных островах переходят дорогу, а затем выяснили, как это происходило на протяжении миллионов лет.

На следующей неделе мы перешли к молекулярной генетике и там говорили о фактических генах, которые контролировали эту эволюцию и как это происходило. И там мы говорили о людях, думающих о том, как гены меняются в геноме с течением времени, как они прыгают, если думать о женщинах на кукурузных полях, наблюдающих за этим, и как эти отдельные гены привели к эволюции.

Затем, на следующей неделе, мы перешли к поведенческой генетике. Это конкретно спрашивало о том, какие отдельные гены отвечают за вариации в способах перехода курами дороги? Некоторые куры переходят очень быстро. Некоторые делают это медленно. Некоторые не делают этого вообще. Как вариации в структуре геномов этих разных кур объясняют это?

А затем в понедельник вы слышали об этологии, которая на самом деле говорила об изучении этого поведения в природе. Мы говорили о фиксированном комплексе действий и говорили о всех стариках в полевых сапогах, выходящих в природу, чтобы наблюдать эти фиксированные комплексы действий, и говорили о стимуле, который получает курица, почему она после этого переходит дорогу, как она это делает, опять же рассматривая это в природе.

Нейронаука

Сегодня мы поговорим о еще одном аспекте, еще одном способе думать об этом, который называется нейронаука. Нейронаука сосредоточится конкретно на этом черном ящике, о котором мы говорили в понедельник, где поступает входной сигнал — некий стимул, заставляющий курицу перейти дорогу. Нейронаука — это о том черном ящике посередине. И о том, почему курица это делает, что происходило в мозгу курицы за несколько миллисекунд до того, как она перешла дорогу, почему конкретные клетки мозга делают это и как они это делают.

Цель сегодняшнего занятия — дать вам обзор мозга и нервной системы. Познакомиться с некоторыми его различными частями, не для того, чтобы вы запомнили список разных частей мозга, а для того, чтобы получить общее представление о том, что разные части специализируются на разном поведении. А также мы немного приблизимся к фактическим клеткам мозга, к тому, как они общаются. Опять же, не для того, чтобы вы сидели и запоминали списки разных вещей, но чтобы, когда это всплывет в будущих лекциях, вы лучше понимали, о чем идет речь.

Как предостережение перед началом: я как нейробиолог считаю, что это самая крутая дисциплина из всех, лучше всех остальных. И вы увидите, что я вставил цитату Томаса Эдисона, которая гласит: «Главная функция тела — носить мозг», что является очень мозгоцентричным способом мышления о мире. Есть много людей, которые смотрят на нейронауку именно так. У нейронауки есть свои ограничения. Я хочу сразу это отметить. Она может быть очень мозгоцентричной. Вы можете думать о том, как разные части мозга контролируют разное поведение, не учитывая более широкие эволюционные аспекты или любые другие аспекты. У нее есть свои ограничения, но я думаю, что это действительно круто. Именно поэтому я сегодня расскажу вам об этом.

Обзор нервной системы

Давайте начнем. У вас есть мозг. На самом деле, это мой мозг. Я добровольно участвовал в психологическом исследовании в колледже и смог посмотреть на некоторые снимки в сканере, и после этого они дали мне этот распечатанный снимок моего мозга. Мозг, я думаю, это абсолютно удивительная вещь. Одна вещь, которая нравится людям в мозге, это то, что он начинает работать и продолжает работать, но, как напоминание из этой цитаты, он никогда не перестает работать, пока вы не встанете перед публикой, чтобы говорить.

Во время этой лекции могут быть вещи, которые будут непонятны, если вы их не понимаете, потому что я объясняю их не так, чтобы они были вам понятны. Я указал свой адрес электронной почты, он также есть в раздаточном материале и был в начале презентации, так что обязательно пишите мне, если у вас есть вопросы, или подходите ко мне после занятий. Я буду читать это введение в мозг и нервную систему примерно 45 минут, затем придет Энтони и расскажет вам немного больше о том, как нейроны общаются друг с другом.

Центральная и периферическая нервная система

Чтобы дать вам действительно широкий обзор, нервная система делится на два очень широких класса: центральная нервная система и периферическая нервная система.

Мы начнем с центральной нервной системы, о которой большинство людей думают, когда думают о нейронауке. Это головной и спинной мозг. У вас есть этот мозг, расположенный в голове. У вас есть спинной мозг, идущий вниз, передающий сигналы к мозгу и от него. Это центральная нервная система.

Структуры мозга

Если мы посмотрим на мозг более внимательно и рассмотрим различные его части, у нас есть эти различные части, которые люди, а именно нейробиологи, разделили для нас.

Ствол мозга

Если мы начнем снизу, со стволом мозга, ствол мозга находится на вершине спинного мозга. Он отвечает за передачу информации к спинному мозгу и от него, а также к мозгу и от него. Если ваш мозг здесь наверху занимается всей обработкой, а спинной мозг внизу посылает все сигналы, чтобы заставить вас двигаться или передавать сенсорную информацию, ствол мозга находится посередине и помогает регулировать, что проходит через него.

Мозжечок

Затем у вас есть мозжечок, расположенный в самой задней части мозга наверху. Мозжечок — это действительно крутая часть мозга, он очень, очень морщинистый, в нем упаковано множество различных клеток, и его функция — помогать контролировать ваши двигательные движения, особенно когда вам нужно научиться чему-то новому. Когда вам нужно впервые научиться играть на пианино или когда вам впервые пришлось играть в баскетбол, вы будете делать ошибки. Мозжечок помогает исправлять эти ошибки. Когда вы впервые бросаете мяч в кольцо, и он уходит влево, вы учитесь: «Окей, в следующий раз нужно немного сместить вправо». Мозжечок делает это.

Когда я преподаю это ученикам средних или старших классов, одна забавная вещь, которую я с ними делаю, — это приношу специальные очки с призмами. Когда вы их надеваете, они искажают ваше восприятие мира на несколько градусов в сторону. Если я смотрю, скажем, на этот маркер здесь... Когда я надеваю призмы, будет казаться, что он находится здесь. Я делаю это с детьми, они смотрят на маркер, и я говорю им быстро дотянуться до него. Они видят его здесь, поэтому начинают тянуться в эту сторону, думая, что маркер там. Но со временем, через несколько минут, они корректируют это, так что даже если их зрение здесь, они скорректировали это, двигая рукой сюда, туда, где находится маркер. Затем самое интересное: они снимают очки. И поскольку мозжечок научил их, что нужно тянуться левее того, что находится в поле зрения, они смотрят на этот маркер, начинают тянуться сюда, чтобы попытаться его взять. Мозжечок корректирует это, и снова через несколько минут они делают это немного дольше и в конечном итоге дотягиваются до маркера. Это обучение, которое происходит в мозжечке.

Кора и доли мозга

Над стволом мозга и мозжечком находится этот морщинистый внешний слой мозга, называемый корой. Кору можно в общем разделить на четыре различные доли. Разные доли, разные части мозга специализируются на разных функциях.

Лобная доля

У вас есть лобная доля, расположенная, как и следовало ожидать, в передней части мозга. Лобная доля, среди многих других вещей, планирует ваши действия и контролирует ваши движения. Это часть вашего мозга, которая будет посылать множество связей вниз через спинной мозг, чтобы заставить вас двигать руками, ногами и другими частями тела. Все это происходит благодаря нейронам, которые находятся там, в лобной доле.

Разные части лобной доли, разные части той области коры, которая контролирует движение, контролируют разные части вашего тела. Есть часть лобной коры, которая контролирует вашу стопу, левую стопу и правую стопу, левую руку и правую руку. Все они находятся в определенных местах коры и расположены так, как вы ожидаете, в соответствии с телом. Если кора стопы находится здесь, то ваша нога и колено будут здесь. Затем туловище, затем руки, а части коры, контролирующие движения лица, находятся наверху. Это организовано в соответствии с функцией.

Теменная доля

За ней находится теменная доля, и прямо рядом с частью, контролирующей движение в лобной доле, находится часть теменной доли, которая ощущает тактильную сенсорную информацию из внешнего мира. Форма следует за функцией: разные части теменной доли специализируются на разных частях тела, разных частях вашей тактильной информации. Не только есть разные части, но и размеры коры, получающей эту информацию, также различаются. У ваших кончиков пальцев, которые очень чувствительны, много нервных окончаний, от них поступает много сенсорной информации. Ваши кончики пальцев представлены большой областью коры в теменной доле.

Височная доля

Под теменной долей находится височная доля, расположенная, как и следовало ожидать, рядом с висками. Височная доля, среди прочего, получает слуховую информацию. Ваша слуховая информация поступает в эту часть коры. А также, как вы услышите позже, глубоко внутри этой доли находятся части мозга, отвечающие за формирование памяти.

Затылочная доля

В задней части мозга находится затылочная доля. В самой задней части мозга, эта затылочная доля, — это место, где вы получаете зрительную информацию. Зрительная информация поступает в ваши глаза, проходит весь путь до задней части мозга, до затылочной доли, и там она обрабатывается.

Лимбическая система

Лимбическая система, о которой вы будете слышать снова и снова, — это ряд структур, находящихся под корой, но как бы над стволом мозга. В целом лимбическая система контролирует многие вещи, которые мы связываем с эмоциями, обучением, памятью — очень важными вещами, которые животное должно делать, чтобы вести себя.

Гиппокамп

Две структуры, о которых мы будем слышать снова и снова, — это гиппокамп и миндалевидное тело.

Гиппокамп, показанный синим, — слово «гиппокамп» означает «морской конек». Предположительно, когда нейроанатомы смотрели на него, они думали, что он похож на морского конька. Я этого не вижу, но дайте мне знать, если вы видите. Эта часть мозга очень важна для памяти и формирования новых воспоминаний.

Способ, которым ученые впервые обнаружили это у людей, был своего рода случайностью. Был пациент, один из самых известных пациентов во всей нейронауке, известный как H.M. По соображениям конфиденциальности его имя до самой смерти было известно только как H.M. У этого пациента были ужасные припадки, очень тяжелая эпилепсия, которую невозможно было контролировать, и он был истощен этими припадками. Когда он был молодым человеком, они перепробовали всевозможные методы, чтобы контролировать эти припадки, и в конце концов им пришлось выяснить, где в мозге начинаются эти припадки, и хирургически удалить эту часть. Оказалось, что эта часть у данного пациента включала гиппокамп. Они удалили гиппокамп с обеих сторон мозга, и после операции у пациента H.M. больше не было припадков. Отлично! Замечательно! Но они обнаружили, что после этого пациент не мог формировать новые воспоминания. Когда к нему приходили медсестры, которые навещали его каждый день после операции, каждый раз, когда он встречал их, это было как в первый раз. Он не мог сохранить это воспоминание. Но действительно интересным было то, что когда его спрашивали о событиях из его детства, он все еще мог их помнить. Он мог вспомнить, кто был президентом Соединенных Штатов в его детстве. Воспоминания хранились где-то еще в мозге, но способность создавать новые воспоминания зависела от гиппокампа. Вот так они случайно обнаружили, что гиппокамп — это часть мозга, формирующая новые воспоминания.

Миндалевидное тело

Другая часть мозга, о которой вы будете слышать очень, очень много, — это миндалевидное тело. Миндалевидные тела — это две желтые миндалевидные структуры, расположенные в передней части гиппокампа, и, как вы уже слышали, это части мозга, которые сильно вовлечены в страх и тревогу.

Если вы помните пример, который доктор Сапольски приводил в понедельник, когда он говорил о «страшном поте» против «спортивного пота» и о том, как мы можем отличить, чувствуем ли мы запах «страшного пота» или «спортивного пота», один из способов, которым они видят эту разницу, — это когда они смотрят на мозг людей, нюхающих пот испуганного человека, миндалевидное тело активируется. Но когда вы нюхаете пот, выделенный кем-то, кто занимался спортом, оно активируется не так сильно. Миндалевидное тело очень важно для восприятия страха и важно для формирования тревоги. Когда вы смотрите на злое лицо или испуганное лицо, миндалевидное тело активируется, но когда вы смотрите на счастливое лицо, оно не активируется.

Гипоталамус и гипофиз

Другие части мозга, о которых вы наверняка услышите очень много позже, — это гипоталамус и гипофиз. Их можно рассматривать как гормональный центр. Это части мозга, которые контролируют, как гормоны высвобождаются в остальное тело, контролируют множество различных видов поведения. Гипоталамус находится в центре, в самом низу, а гипофиз под ним и выделяет многие из этих гормонов в кровоток.

Это старая шутка, но она повторяется снова и снова. Можно думать о различных типах поведения, которые контролирует гипоталамус, как о четырех «F»: борьба (fight), бегство (flight), пищевое поведение (feeding) и репродуктивное поведение (reproduction). Вот эти четыре «F», которые контролирует гипоталамус. Да, теперь вы поняли.

Спинной мозг и периферическая нервная система

У нас есть все эти различные части мозга, но также у нас есть спинной мозг, идущий от мозга. Так же, как и в самом мозге, спинной мозг специализирован. Есть части спинного мозга, которые отправляют информацию, и есть части, которые получают информацию. Есть двигательные нервы и чувствительные нервы в разных частях спинного мозга. Есть разные части спинного мозга, конечно, для рук и ног.

Вы также будете много слышать в будущих лекциях о периферической нервной системе. Периферическая система включает все двигательные и чувствительные нервы, которые находятся вне спинного мозга. Многие вещи, которые ощущают тактильную информацию, тепло или что-то еще на периферии, являются частью периферической нервной системы. Также у вас есть целая часть периферической нервной системы, которая работает практически автоматически. Вам не нужно думать о ней. У вас есть нервы, контролирующие сердцебиение, пищеварение, дыхание, и обычно вам не нужно поддерживать их работу.

Клетки мозга

Теперь мы подумаем немного более детально о том, что на самом деле находится внутри мозга, каковы отдельные клетки, что они делают, как они заставляют вас вести себя. Это не список для запоминания. Это просто чтобы вы знали, что существуют разные типы клеток и у них разные функции.

Я расскажу вам о том, что всплыло, когда я искал в интернете, пытаясь понять, что сказать для этой лекции. Я понял, что в семи штатах незаконно читать вводную лекцию по нейронауке и не упомянуть имя Сантьяго Рамон-и-Кахаля. Почему он является богоподобной фигурой в нейронауке? Что он сделал?

Когда Сантьяго Рамон-и-Кахаль проводил большую часть своей научной работы в конце 1800-х годов, в основном в 1890-х, общепринятая теория о том, как работает мозг, заключалась в том, что это не отдельные клетки выполняют свои функции. Вместо этого мозг рассматривался как эта сеть, эта взаимосвязанная сеть, по сути, каши, которая выполняла всю свою вычислительную работу, чтобы заставить вас вести себя. Люди знали, что мозг — это место, где начинается и контролируется поведение, но они не знали, что именно внутри мозга это делает. Преобладающей теорией было то, что у вас есть эта сеть.

Вместо того чтобы просто принимать это за чистую монету, Рамон-и-Кахаль решил экспериментально выяснить, так ли это. Он нашел действительно крутую технику, изобретенную другим парнем по имени Гольджи. Эта техника позволяла ему брать маленькие срезы мозга и окрашивать около 1% клеток в этом срезе в черный цвет. Мы до сих пор не знаем, как это работает, но он смог это сделать. А затем он рисовал эти очень, очень детальные картинки того, как это выглядит под микроскопом. Эти изображения просто абсолютно великолепны. Есть целый класс людей, у которых при виде этих изображений по лицу текут слезы радости. Они падают на колени, рыдая, восхваляя богов нейронауки. Это люди, которые становятся аспирантами-нейробиологами.

Эти клетки и эти картинки, которые он нарисовал, показали нам, что в мозге действительно есть отдельные клетки, выполняющие эту работу. Это не полный беспорядок, это не полная сеть, это на самом деле отдельные клетки. Он нарисовал эти красивые картинки нейронов, а также всех других клеток, которые есть в мозге.

Глия

У меня есть хорошая подруга, которая изучает все эти другие клетки мозга, которые не являются нейронами, не теми, которые на самом деле выполняют вычислительную работу. Я пообещал ей, что никогда не буду читать вводную лекцию, не упомянув их. Начну с этих клеток.

90% клеток в вашем головном и спинном мозге на самом деле не являются нейронами. Они называются глией. Глия, слово означает «клей», потому что люди видели эти клетки там и думали, что это просто клей, скрепляющий нейроны. Но оказалось, что они на самом деле делают гораздо больше.

• Астроциты — это звездчатые клетки, и они, в самом общем смысле, снабжают нейроны питательными веществами и помогают регулировать их возбуждение.
• Олигодендроциты или шванновские клетки — длинные названия, которые не нужно запоминать. Они оборачиваются вокруг отростков нейронов и ускоряют их возбуждение.
• Микроглия — еще один тип глиальных клеток в мозге. Это, по сути, иммунная система мозга. Они перемещаются по мозгу, выпускают маленькие отростки в части мозга, чтобы выяснить, не инфицирован ли мозг вирусами или бактериями, или есть ли мертвые клетки, которые нужно убрать, и они выполняют всю эту работу.

90% вашего мозга на самом деле составляют все эти другие клетки, выполняющие эту работу. Но они делают это для того, чтобы ваши нейроны могли работать.

Нейроны

Нейроны — это то, на чем мы сосредоточимся. Это сложные, но замечательные вычислительные единицы мозга. В среднем человеческом мозге около 100 миллиардов нейронов. Каждый из них имеет около 10 000 связей с другими нейронами. Эти связи называются синапсами. Если подумать, в вашем мозге примерно квадриллион синапсов. Квадриллион связей между нейронами.

Чтобы дать вам некоторое представление: количество звезд в Млечном Пути, количество звезд, которые можно увидеть в нашей галактике, составляет около 300 миллиардов. У вас в мозге находится квадриллион синапсов, что уже более чем в 1000 раз превышает количество звезд в галактике Млечный Путь.

Строение и работа нейрона

У нейрона есть разные части.

• Дендриты — они получают информацию в нейроне. Они получают информацию от предыдущей клетки и передают ее в клетку.
• Сома, или тело клетки нейрона. Важно, что есть ядро, как и в любой другой клетке, в котором находится вся ДНК.
• Аксонный холмик — специализированная часть клетки. Вы получаете весь этот входной сигнал от дендритов, от клеток, передающих вам информацию на дендриты. Это идет в клетку, и каким-то образом клетка должна решить, передавать эту информацию следующей клетке или нет. Это происходит в аксонном холмике.
• Аксон — его можно рассматривать как провод, передающий информацию дальше. Это то место, где клетка будет передавать информацию следующему нейрону.

Информация обычно течет от дендритов к телу клетки, суммируется в аксонном холмике. Клетка решает, возбуждаться или нет, и отправляет это дальше к терминали.

Потенциал покоя и возбуждение

Если подумать о нейроне, находящемся в середине мозга, там много электрической активности, много всего происходит. Каким-то образом нейрон, если он посылает сигнал, должен быть услышан поверх всего этого шума. Способ, которым нейрон решает эту проблему, заключается в том, что он либо включен, либо полностью выключен, полностью спокоен. Это не система, где есть непрерывный спектр, где клетка частично включена, немного более включена, а затем полностью включена. Это не так. Потому что это не было бы услышано поверх всего шума. У вас есть клетка, которая либо включена, либо выключена. Нейрон действительно хочет убедиться, что он остается выключенным, пока не будет готов послать сигнал.

Вот как нейрон остается спокойным. Когда мы говорим об этом в биологии, мы говорим, что нейрон поддерживает потенциал покоя, спокойный уровень активности.

Способ, которым нейроны общаются и посылают электрические сигналы, — это движение химических веществ, называемых ионами. Для тех из вас, кто не является специалистом в науке, просто думайте о них как о заряженных химических веществах. Сегодня мы будем говорить об общих ионах, которые представляют собой заряженные атомы, поэтому они могут иметь положительный или отрицательный заряд, и сегодня мы будем говорить в основном о положительных зарядах.

Нейрон должен оставаться спокойным. Он делает это, удерживая положительные заряды, положительные ионы, снаружи нейрона. Все эти положительные ионы находятся снаружи нейрона. Именно так он остается спокойным, потому что поток этих ионов будет тем, что передает сигнал. Как он это делает? Он удерживает эти ионы вне клетки, используя насосы. У него есть насосы, которые выкачивают положительные заряды изнутри клетки наружу. Используя эти насосы, нейрон удерживает все положительные заряды, все положительные ионы, в основном снаружи, а не внутри. Это означает, что чистый заряд внутри будет отрицательным. У вас есть этот дисбаланс, и именно так нейрон остается спокойным. Так он гарантирует, что не возбуждается.

Передача сигнала

У вас есть эта клетка, которая пытается решить, будет ли она возбуждаться или нет. Сейчас она спокойна. Как начинается весь процесс, чтобы заставить ее возбуждаться?

Если у вас есть другой нейрон здесь, и вы услышите гораздо больше об этом от Энтони, посылающий химический сигнал, этот химический сигнал будет получен на дендритах. Когда это химическое вещество, называемое нейромедиатором, попадает на определенный рецептор на дендрите, этот рецептор открывает канал, и этот канал пропускает некоторые из этих положительных ионов внутрь, как при получении электронного письма. Он получает сигнал.

Эти положительные ионы попадают в дендрит, и происходит изменение заряда. Нейрон теперь становится более положительным внутри. Раньше он был очень отрицательным. Теперь он становится немного менее отрицательным. Другой способ сказать это: он был сильно поляризован. У него был большой отрицательный заряд внутри, а теперь он немного деполяризуется. В него поступает некоторый положительный заряд.

У вас есть небольшой заряд, поступающий внутрь. У вас есть небольшой сигнал, но каким-то образом нейрон должен решить: буду я возбуждаться или нет? Это «все или ничего», одно или другое. Вы получаете этот сигнал от этого дендрита, и вы получите некоторое количество положительного заряда. Вы получите немного в теле клетки, но от одного сигнала вы можете не получить много. Но скажем, вы получаете очень, очень частые химические сообщения отсюда, получая много положительного заряда в клетку, или вы получаете несколько разных сообщений одновременно, получая много положительных зарядов в клетку. Тогда вы можете в конечном итоге получить достаточно положительного заряда здесь, в аксонном холмике, чтобы заставить нейрон решиться на возбуждение.

Что же заставляет его решиться? Здесь есть больше каналов, которые могут открыться, чтобы пропустить больше положительных ионов. Способ, которым они принимают это решение, зависит от того, достаточно ли положительного заряда. Если есть положительный заряд, они открываются и позволяют гораздо большему количеству этих положительных ионов войти. Как только это происходит, это будет самоподдерживающийся процесс. Вы получите больше положительных ионов, входящих внутрь. Вы получите больше этих каналов, открывающихся, потому что положительные ионы входят, и это будет продолжаться, самоподдерживаясь, и вы получите нейрон, посылающий сигнал. Он делает это, продолжая пропускать положительные ионы внутрь по всему аксону, вплоть до терминали. А затем, когда положительные ионы попадают в терминаль, это дает команду отправить химическое сообщение следующей клетке и начать весь процесс заново.

Главный вывод из всего этого заключается в том, что это решение, принимаемое здесь, — «все или ничего».