Развивающийся разум. Как отношения и мозг создают нас такими, какие мы есть

Всего таких соединений насчитывается около миллиона миллиардов, что делает нейрон «самой сложной структурой на земле».

Нейроны – основной тип клеток нервной системы; каждый из них состоит из тела, отростков, называемых дендритами, и длинных отростков – аксонов, которые тянутся к другим нейронам. Нейрон посылает электрический импульс, называемый «потенциалом действия», по своим длинным аксонам; это высвобождает нейротрансмиттеры на участке отростка, называемом «синапсом», затем происходит возбуждение или подавление нижестоящего нейрона. Этот процесс – пример электрохимического потока энергии. Синапс – это связь, которая функционально связывает нейроны друг с другом. Речь идет об электрических, химических и, возможно, еще каких-то формах влияния энергетического поля на передачу информации между нейронными сетями, называемой «аптической связью».

Эти и другие механизмы распределения потока энергии в мозгу помогают формировать связи, создающие основу для функциональной архитектуры мозга. Эти связи подобны паутине, и активация одного нейрона может влиять в среднем на десять тысяч других. Модель потока энергии в чрезвычайно сложных сетях – коррелят нашей ментальной жизни.

Набор нейронов, которые активируются совместно, можно назвать «профилем нейронной сети». Это паттерн нейронной активности, сгруппированный в функциональное целое. Такой профиль нейронной сети, например, «включается», когда мы вспоминаем о мосте Золотые Ворота или Эйфелевой башне. Каждый раз, когда мы думаем об этом конкретном сооружении, активируется определенный участок нейронной сети. Нейронные сети не статичны; мозг постоянно видоизменяет синаптические связи под влиянием пережитого опыта.

Это означает, что количество схем срабатывания, которые могут возникнуть на протяжении всей жизни, практически бесконечно. Число возможных паттернов возбуждения нейронов («включено-выключено») в отдельно взятый момент огромно – примерно десять в миллионной степени. Очевидно, наш мозг способен к весьма разнообразной деятельности; то, как он организован и функционирует, просто невероятно!

Нейроны и глии организованы и связаны на разных уровнях сложности: от небольших скоплений, называемых «ядрами», до более крупных, называемых «цепочками», «участками» и «полушариями». Эти группы имеют внутренние взаимосвязи, которые позволяют нейронным импульсам группироваться в паттерны, ограниченные конкретной областью; выходные сигналы этих дифференцированных областей соединяются с подобными сигналами других участков посредством межгрупповых волокон. Результатом такой дифференциации и связи внутри мозга является ряд сетей, которые, по-видимому, функционируют посредством волн меняющихся паттернов.

Как предполагают Тоньоли и Келсо

, «комплексное пространственно-временное описание мозга достигается за счет тщательного изучения динамики координации мозга: нейроны и нейронные ансамбли действуют согласованно. Это требует систематического развертывания процесса сближения-отдаления в пространстве и времени для выявления динамических признаков здоровой, адаптивной функции мозга и его менее адаптивных аналогов». Представление о пространственном распределении нейронных комплексов, скоординированных во времени, предполагает, что для понимания мозга и его функционирования нам необходимо начать мыслить «четырехмерно», учитывать и пространственное расположение задействованных нейронов, и временные рамки их активации. Процесс «сближения-отдаления» включает в себя временное слияние нейронных ансамблей – они «сближаются» в определенной конфигурации, а затем отдаляются друг от друга.

В работах по неврологии, как упоминалось во введении, термин «сегрегация» используется так же, как мы используем общий термин «дифференциация» – для обозначения специализации, уникальной функции и структуры определенного набора нейронных ансамблей. В номенклатуре этих исследований также иногда используется термин «интеграция» в том же значении, как мы используем термин «связывание». Откуда эта разница в терминологии? Десятилетия назад эти понятия были «заимствованы» из математики, из описания того, как сложные системы дифференцируют и связывают свои функции, и применение доступных терминов казалось естественным. «Всеобщего» термина для описания баланса дифференциации и связывания не было. Я решил использовать привычный термин «интеграция» для обозначения динамического процесса в сложной системе, в рамках которого дифференциация и связывание постоянно меняются по мере продвижения к новым слоям самоорганизации.

Понятия «критичность» в математике и «метастабильность» в нейробиологии иногда используются для обозначения процессов, связанных с балансом, который мы называем «интеграцией». Здесь мы можем увидеть, как описываются метастабильные состояния. Как пишут Хеллиер и его коллеги

, «здравая нейронная динамика работает в “метастабильном” режиме, области мозга взаимодействуют, чтобы одновременно увеличить интеграцию и сегрегацию». Это понятие будет сформулировано в терминологии/словаре МЛНБ как «увеличение связи и дифференциации». Другими словами, интеграция создает метастабильность. Далее авторы заявляют:

Метастабильность может создавать важные поведенческие свойства, такие как когнитивная гибкость. Все чаще звучит вывод, что нейронная динамика ограничивается лежащими в основе структурными связями между областями мозга. Таким образом, важной задачей является установление связи между структурной связностью, нейронной динамикой и поведением. Снижение метастабильности связано со снижением когнитивной гибкости и обработки информации. Вычислительная модель, определяемая эмпирически полученными данными о связности, демонстрирует: изменения в нейронной динамике, релевантные для поведения, являются результатом структурного разъединения. Наши исследования показывают, что метастабильная динамика важна для нормальной работы мозга и зависит от структуры коннектома человека.

Мы бы назвали такие процессы «интегративными» в том смысле, что они создают метастабильную динамику, уравновешивая дифференциацию и связывание аспектов коннектома. Такие состояния можно назвать выявлением «взаимосвязи коннектома».

Дальнейшее подтверждение важности этого баланса связи и дифференциации содержится в исследованиях исполнительных функций, проведенных Джейсоном Номи и его коллегами:

Метастабильные состояния мозга позволяют гибко реконфигурировать нейронные сети, избегая при этом экстремальных интегративных или сегрегативных конфигураций. Текущее исследование поддерживает идею о том, что метастабильность и когнитивная гибкость могут возникать из-за сходных конфигураций мозга. Мы видим взаимосвязь между способностями к исполнительным функциям и склонностью мозга занимать определенную конфигурацию или состояние функциональной связи. Таким образом, выполнение когнитивной задачи может быть основано не только на изменениях, происходящих во время самой конкретной задачи, или на динамической функциональной связи какой-то отдельной области мозга. Оно также может зависеть от внутренней организации динамических изменений между целыми состояниями мозга или системы.

Здесь «крайности» связывания и дифференциации будут обозначены в терминологии МЛНБ как «компромисс интеграции». Слишком много связывания или слишком большая дифференциация, нарушение баланса двух предельных показателей «интегративного спектра» ведут к хаосу и/или ригидности.

Термин, описывающий все взаимосвязи мозга, – «коннектом». Ученые исследуют как структурные, так и функциональные взаимосвязи коннектома. Например, мы уже упоминали, что Смит и его коллеги обнаружили: функциональная взаимосвязь коннектома была лучшим предиктором благополучия по широкому спектру оценок, которые коррелировали с рядом нейронных показателей.

Есть много способов изучить, как возникает функциональная связь дифференцированных участков коннектома. В дальнейших исследованиях был предложен термин «хронэктомические системы» для творческого включения времени (хроно) в коннектом; при изучении колебательных волн, связывающих различные участки коннектома, также применялся термин «гармоники коннектома».

Другие термины, с которыми вы можете столкнуться в ходе изучения функций нейронных сетей, – это «коннектомика» и «динамика коннектома».

Термин «критичность», который пришел из области математики сложных систем, имеет некоторые интересные концептуальные и эмпирические совпадения с термином «метастабильность». В личных беседах с исследователем Мортеном Крингельбахом на эту тему мы рассмотрели, как изучение динамики метастабильности и взгляд теории сложности на самоорганизацию и связанное с ней состояние критичности могут накладываться друг на друга.

Пожалуйста, имейте в виду, что в дальнейших обсуждениях мы продолжим использовать устоявшиеся термины «связывания» (нейробиологи используют термин «связь» или «интеграция») и «дифференциации» (в нейробиологии – «специализация» или «сегрегация»). Мы также будем использовать термин «интеграция» для обозначения баланса связывания и дифференциации, лежащего в основе метастабильного состояния мозга и состояния критичности в любой сложной системе.

Учитывая акцент на нейронные сети внутри коннектома, который делает современная наука, есть ли необходимость знакомиться с индивидуальными, конкретными областями мозга? Не так давно ученые часто задавали вопрос: «Где в мозгу находится та или иная психическая функция?» Раньше казалось, что знание того, где эти функции находятся, имеет определяющее значение. Однако в последнее время мы стали задавать вопрос не столько где, сколько как функции мозга коррелируют с психическими состояниями. Мозг, по-видимому, функционирует, когда глобальные состояния распространяются колебательными волнами по всей его площади. Эти колебания связывают между собой сильно дифференцированные области – фактически часто это целые сети.

Тем не менее знание основ о конкретных участках мозга может быть весьма полезным. Когда некоторые области повреждены или недоразвиты, возникают препятствия для нормального его функционирования. Эти данные полезны для понимания того, как в целом «работает» человек.

Блокировка связей может привести к затруднениям в аспекте связывания в сети, а значит, влияет и на функции сети. Кроме того, можно планировать вмешательства, нацеленные на развитие недостаточно дифференцированных областей, чтобы побудить их к росту и создать условия для интеграции в более крупное «целое». Другими словами, мы можем сосредоточиться на дифференциации, когда она затруднена, или на связывании, когда оно «не работает», и намеренно создать более интегрированное состояние мозга. Это состояние является основой для оптимальной самоорганизации, поскольку способно создавать критичность и метастабильность – основу адаптивного функционирования.

Как далее заявляют Тоньоли и Келсо,

нейронные ансамбли колеблются в широком диапазоне частот и бывают временно сгруппированы, когда люди обращают внимание на стимул, воспринимают что-то, думают и действуют. Это динамичный и самоорганизующийся процесс, в котором участки мозга включаются и отключаются в определенных временных рамках. Но как это происходит? Теория координационной динамики предлагает механизм, называемый метастабильностью, – тонкое сочетание интеграции и сегрегации. Склонность областей мозга к выражению индивидуальной автономии и специализированных функций (сегрегация, модульность) сосуществуют со склонностью к объединению и координации в глобальном масштабе для выполнения множества функций (интеграция). Мы обсуждаем теорию и эксперименты на нескольких уровнях, предполагая, что метастабильная динамика лежит в основе координации, необходимой для динамических когнитивных, поведенческих и социальных функций мозга.

Исследования «нейронных коррелятов» сознания, паттернов возбуждения нейронов, связанных с сознанием, показывают, что понимание этой нейронной динамики необходимо для более широкого понимания мозга и разума. Как предполагают Атасой, Деку, Крингельбах и Пирсон, «динамические системы, такие как мозг, расширяют репертуар состояний, когда приближаются к критичности; то есть мы видим переход между порядком и хаосом, нейронный механизм, лежащий также в основе сознательного бодрствования».

Далее исследователи отмечают, что эти состояния метастабильности возникают в результате гармонических колебаний внутри коннектома в целом:

Структура элементарных гармонических режимов мозга предлагает объединяющую перспективу и структуру, раскрывающую взаимодействие между различными, казалось бы, не связанными открытиями о нейронных коррелятах сознания. Предлагаемая структура связывает пространственные паттерны нейронной активности не только с временными колебаниями, характерными для активности мозга млекопитающих, но также с анатомией и нейрофизиологией. Таким образом, эта структура выходит за рамки разложения сложных паттернов нейронной активности на элементарные «строительные блоки». Она предлагает фундаментальный принцип, связывающий пространство и время в нейронной динамике через гармонические волны – явление, повсеместно распространенное в природе.

Когда мы продвигаемся от одиночных нейронов к кластерам нейронов, а затем и к взаимосвязанным сетям, нужно постоянно помнить: поток энергии и информации проходит через головной мозг и связан со всей нервной системой. Этот телесно воплощенный поток принимает различные формы и колеблется на разных частотах и в определенные моменты создает новые состояния в разных частях тела. В то же время этот поток может включать обмен энергетическими паттернами вне тела, когда они поступают к нам от других людей и окружающей среды (природы, планеты). Мы связаны с людьми и планетой, не можем существовать отдельно от этих источников энергии и информации. Этот поток энергии не является «метафизическим» в том смысле, что находится за пределами (мета) физического мира. Энергия является фундаментальным аспектом нашей обычной реальности. Поток энергии не ограничен телом. Как вы сейчас читаете этот текст? Световой поток позволяет видеть. Звуковые волны позволяют слышать. Давайте помнить об энергии во всех ее многообразных формах. Энергия является частью нашей Вселенной (существенной частью), это научно установленный аспект реальности, и мы предполагаем, что разум глубоко и фундаментально связан с энергетическим потоком. Этот поток присутствует между нашим телесным «я» и окружающим миром, и он же присутствует внутри тела. Черепная коробка не является непроницаемым барьером для потока энергии. Когда мы рассмотрим, где можно наблюдать этот поток, мы, возможно, сможем начать «видеть» разум более ясно.

Начнем с головы. Мозг – это телесный, физический механизм, через который течет энергия, в том числе называемая «информацией». «Поток» в нашем понимании означает изменение. Энергия в мозге в основном представлена как электрохимический процесс, когда ионы входят и выходят из мембран нейронов во время возбуждения (потенциала действия). Химические вещества – нейрогормоны и нейротрансмиттеры – влияют на функционирование клеток головного мозга. Когда поток электрического заряда потенциала действия достигает конца нейрона, высвобождается химическое вещество, а нейротрансмиттер увеличивает или уменьшает вероятность срабатывания синаптически связанного нижестоящего нейрона. Высвобожденная молекула взаимодействует с рецептором постсинаптического нейрона через химическую энергию, протекающую на этом уровне активации нейрона. Другие химические вещества, омывающие нейрон, также могут влиять на его функционирование. Эта последовательность иллюстрирует, как поток заряда (электрический) и взаимодействие рецептора с нейротрансмиттером (химическое) приводят к потоку электрохимической энергии. Ничего фантастического. Да нет: просто фантастика. Поток энергии.

Когда мы рассматриваем «мозг» и его функции, мы на самом деле имеем в виду «телесно воплощенный мозг» в том смысле, что на энергоинформационный поток, протекающий через коннектом в голове человека, влияют потоки энергии по всему телу, а также информация, которую несут эти потоки. Этот термин, «телесно воплощенный мозг», также напоминает нам о том, что конфигурация взаимосвязанных нейронов, которая перерабатывает энергетический поток в информацию, существует не только в головном мозге. Она связана еще с внутрисердечной и кишечной нервной системой. Такие исследователи, как Антонио Дамасио, предполагают, что кишечник на самом деле является «первым мозгом», а головной мозг появился намного позже в ходе эволюции.

Мы также можем использовать термин «социальный мозг», чтобы описать, что электрохимические паттерны в головном мозге в значительной степени формируются нашими межличностными отношениями и сами формируют эти отношения.

Давайте просто помнить, что головной мозг воплощен телесно и глубоко связан с отношениями. Его функции формируются энергетическими паттернами, исходящими из отделов нервной системы, расположенных в сердце и кишечнике, из тела в целом и из окружающей среды – от других людей и из природного мира. Именно поэтому мы можем ощущать, что разум – то, чем мы являемся – нечто телесное и тесно связанное с отношениями. Да, в некоторых случаях может иметь место чрезмерная дифференциация, и определенный индивидуум может научиться отключаться и от тела, и от мира отношений (примеры нарушенной интеграции). Однако в целом «неголовные» источники энергоинформационного потока являются фундаментальными для мозга и влияют на то, как работает разум.

Рис. 1.1. Схема правого полушария головного мозга человека. Задняя часть – мозжечок и мозговой ствол; средняя – лимбические области (миндалевидное тело, гиппокамп) и таламус; передняя – корковые области. Островковая доля находится под этой медиальной поверхностью. Авторское право © 2012 Mind Your Brain, Inc.

Разберемся, – что это за дифференцированные области мозга, что за взаимосвязанные наборы нейронов в нашей голове? Нейронные кластеры можно классифицировать по-разному, в том числе по их анатомическому расположению – в нижних, центральных и верхних областях мозга. Рисунок 1.1 представляет собой схему базовой структуры мозга.

Структуры заднего мозга

Задний мозг включает в себя контуры, расположенные глубоко внутри черепа, которые отвечают за передачу основных элементов энергетического потока, таких как состояния возбуждения и бдительности, а также физиологические состояние тела (температура, дыхание, частота сердцебиения). Скопления нейронов в этой области также отвечают за реакции выживания «бей, беги, замри» и лежат в основе «поливагальной теории» саморегуляции.

Эта теория предполагает, что наше взаимодействие с другими людьми напрямую влияет на реакции глубинных структур мозга – чувство безопасности и чувство угрозы. В верхней части мозгового ствола находится таламус – область, которая служит воротами для поступающей сенсорной информации. Он имеет обширные связи с другими областями мозга, включая кору, расположенную прямо над ним. Как мы увидим, одна из теорий сознания рассматривает активность таламокортикальной цепочки как центральный процесс опосредования сознательного опыта.

Другие гипотезы предполагают, что свой вклад в сознание и самоощущения вносят разные области мозга.

В задних отделах мозга также находятся гипоталамус и гипофиз, которые отвечают за физиологический гомеостаз, или телесное равновесие, устанавливаемое посредством нейроэндокринной активности (возбуждение нейронов и высвобождение гормонов).

Само тело тесно связано с нервной тканью мозга посредством гормональных и других регулирующих процессов, таких как иммунная и скелетно-мышечная системы. Как мы видим, говоря «мозг», нам не следует отделять эту структуру от тела в целом. Отсюда и происхождение термина «телесно воплощенный мозг». Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось (ГГН) реагирует на стресс и может пострадать в результате травмы. Исследования показывают, что стресс в раннем детстве может повлиять на регуляцию экспрессии генов в этих важных областях системы. Такие изменения в регуляции, возникающие как реакция на опыт, являются частью процесса, называемого «эпигенезом».

Нейроэндокринная ось ГГН вместе с вегетативной нервной системой (регулирующей частоту сердечных сокращений и дыхание) и нейроиммунной системой (регулирующей иммунные реакции) – это области, в которых функции мозга и тела сложно переплетаются.

Когда мы видим, что социальные взаимодействия непосредственно влияют на работу этих областей, мы можем констатировать, что отношения и телесно воплощенный мозг действительно являются частью одной большей системы. Субъективные состояния, переживаемые осознанно, в противоположность реактивным состояниям «бей, беги, замри», могут иметь прямое влияние на общее физическое здоровье и отношения с людьми.

Структуры среднего мозга

Считается, что лимбическая система, включая гиппокамп и миндалевидное тело, играет важную роль в опосредовании эмоций, мотивации и целенаправленном поведении. Также она отвечает за память и систему привязанности, которая позволяет молодым млекопитающим полагаться на своих родителей. Лимбические структуры определяют широкий спектр основных психических процессов, таких как оценка смысла, обработка социальных сигналов и активация эмоций. Медиальная височная доля включает в себя гиппокамп, который отвечает за память (например, воспроизведение фактов, в том числе автобиографических деталей) и выявление контекста текущего опыта.

Структуры переднего мозга

Передний мозг расположен ближе к верхней части, «неокортексу». Структуры переднего мозга отвечают за сложные функции обработки информации, восприятие, мышление и рассуждение. Мы можем использовать термин «опосредующий», чтобы показать, что эти области играют решающую роль в этом процессе. Однако важно помнить, что сети мозга функционируют как единое целое, – речь идет о коннектомной гармонике колебаний. То есть мы можем утверждать, что корковые структуры опосредуют определенные состояния мозга, но это, конечно, не означает, что они выполняют эту функцию изолированно.

Существует множество взаимосвязей между корой и другими областями мозга. Важны также данные, получаемые извне – от других людей и из окружающей среды.

«Внешняя кора» мозга состоит из складчатых слоев (обычно говорят о шести слоях нервных клеток), которые заполнены «корковыми столбцами» сильно связанных между собой кластеров нейронов. Сгруппированные столбцы обрабатывают информацию, а их связь с другими областями позволяет выполнять сложные функции. Кора головного мозга созревает постепенно, в направлении «сзади вперед». Лобные области продолжают активный рост вплоть до юношеского возраста. Лобные области считаются наиболее эволюционно «продвинутыми»; они опосредуют сложные перцептивные и абстрактные представления, от которых зависят наши ассоциативные мыслительные процессы.