С этой главы, мы начнем говорить, непосредственно, о механизмах работы мозга. Целый ряд позиций будет отличаться от положений действующей парадигмы.
«Голограмма, которая вначале была использована как метафора, или аналогия, стала точной моделью нормальных форм работы нервной системы». Карл Прибрам “Языки мозга”
В 20-х годах девятнадцатого века французский математик Жан-Батист Жозеф Фурье создал математический аппарат, одинаково точно описывающий и колебания струны, и прыжки кузова автомобиля на рессорах, и перевалку супертанкера в морских волнах. Колебания маятника запишутся на графике в виде плавной кривой – синусоиды. Прихотливое дрожание осинового листа – это сумма множества простых колебаний, сложение массы разных синусоид, отличающихся частотами и амплитудами. Любое колебание, каким бы сложным оно ни было, можно превратить в ряд простых. И, наоборот, из некоторого количества простых колебаний можно сотворить сложное. Это вытекает из формул ряда Фурье. (В.Е.Демидов «Как мы видим то, что видим»).
А, разложение в ряд Фурье, например, световых волн, идущих от объекта, плюс запоминание того, что при разложении получилось, представляет собой голограмму.
Голография в наиболее обычном ее виде – это фотографирование изображений без привычного фотоаппарата. Луч лазера расщепляют с помощью зеркал, линз или других оптических элементов на два потока. Один направляют на фотопластинку, а другой – на голографируемый предмет. Отраженные от объекта волны света приходят к пластинке и там взаимодействуют – интерферируют – с теми волнами, которые пришли туда напрямую от лазера. Если “горб” одной волны совпадет с “горбом” другой, они усилят друг друга. Если “горб” пришелся на “впадину”, они взаимно уничтожатся. Ясно, что эмульсия пластинки в первом случае почернеет, а во втором останется нетронутой. Теперь достаточно посмотреть через фотопластинку на луч лазера, и где-то там, в непонятной глубине, появится объемное изображение – результат взаимодействия волн, исходящих от луча лазера и голографического изображения на фотопластинке.
Как пишет в своей книге «Как мы видим то, что видим» Вячеслав Демидов, каким образом мы сумеем провести Фурье преобразования, такой и будет голография А зафиксировался результат на фотопластинке или в мозге – это уже деталь реализации принципа. И, здесь мы покажем, каким образом мозг может осуществлять Фурье-преобразования.
Для передачи любого сигнала, в том числе и по нейронным сетям, необходим некоторый физический агент, называемый переносчиком и характеризующийся некоторым числом постоянных параметров. Передача сигнала состоит в том, что тот или иной параметр переносчика изменяется во времени в соответствии с передаваемым сигналом – это называется модуляцией.
В простейшем случае в качестве переносчика применяются синусоидальные колебания. Синусоидальное колебание полностью определяется тремя параметрами: частотой, амплитудой и фазой колебаний. Передать сообщение можно меняя во времени любой из этих параметров. Таким образом передается аналоговый сигнал, то есть сигнал, изменяющийся плавно и непрерывно.
Однако, кроме синусоидального колебания, в качестве переносчика может служить и периодическая последовательность импульсов той или иной формы, амплитуда которых постоянна.
Наш мозг – его зрительный, слуховой, тактильный и другие анализаторы – преобразуют аналоговые сигналы от рецепторов в импульсную форму (Мы не будем здесь углубляться в механизм этого процесса).
После того, как физические раздражители – световые или звуковые волны, запахи, тепло, холод, давление и т.д. – были преобразованы сенсорными системами в нервные импульсы, они уже не имеют самостоятельного значения. С этого момента, физическое событие существует только в виде кода нервных импульсов в специфических сенсорных каналах нервной системы.
Итак, и для хранения, и для передачи информации в мозге никаких других физических агентов, кроме импульсов не существует. Повторим еще раз, для самого хранения информации в мозге никаких других физических агентов, кроме импульсов, нет. Об этом мы подробно будем говорить в тринадцатой главе.
Описание механизмов работы мозга начнем с описания передачи нервного импульса по аксону. Эта передача представляет собой последовательное изменение проницаемости смежных участков мембраны аксона для ионов калия и натрия. При этом происходит деполяризация внутренней поверхности мембраны аксона (изначально заряженной отрицательно) от -70 мВ, до -20 мВ, с последующей быстрой реполяризацией, то есть возвращением к потенциалу -70 мВ.
И это изменение проницаемости мембраны распространяется по аксону в виде одиночной волны. В физике такую волну называют солитоном. Если один конец лежащей на земле веревки поднять и резко опустить, то по веревке пойдет одиночная волна – солитон. Другой вид солитона – разрушающая все на своем пути волна цунами.
Особенностью солитонов, отличающих их от обычного волнового процесса, является независимое распространение их друг от друга, что, в применении к нервной системе, и обеспечивает протекание процессов, которые определяют все феномены мозга.
Итак, передача информации по аксону представлена последовательностью солитонов, идущих один за другим через разные промежутки времени. А, поскольку идет перемещение ионов, то это электрический процесс, протекающий с очень высокой частотой. Это может быть и тысяча, и несколько тысяч импульсов в секунду. Современные методики, использующие микроэлектроды с очень большим сопротивлением, порядка от 500 до 1000 мегаОм, обладающие большой инерционностью, не позволяют следить за быстро протекающими процессами.
Можно показать, что при такой характеристике микроэлектрода, мы не можем следить за сигналами с частотой выше 100 Гц. (Подробнее об этом – в главе 24 “Нейроны, которых нет”). То есть, на предлагаемых ниже рисунках импульсации нейронов, мы видим, в лучшем случае, каждый десятый импульс.
Каждый такой импульс доходит до контакта аксона с другим нейроном. Через этот контакт, который называется синапс, электрический импульс пройти не может, и здесь имеет место химическая передача нервного импульса. В 1921 г. австрийский фармаколог Отто Лёви (впоследствии – лауреат Нобелевской премии) в своем замечательном по простоте и красоте опыте с раздражением блуждающего нерва, иннервирующего сердце лягушки, открыл первый медиатор – ацетилхолин.
При стимуляции указанного нерва электрическим током наблюдается значительное снижение амплитуды биений сердца. Собрав перфузирующий питательный раствор (омывающий работающее сердце) и подействовав им на контрольное нормально работающее сердце лягушки ( без стимуляции блуждающего нерва), Лёви получил такой же результат ( идея постановки этого эксперимента и пришла к О.Леви во сне).
Спустя год, Лёви в аналогичной серии экспериментов при раздражении симпатического ( вагусного ) нерва лягушки открыл другой медиатор из группы катехоламинов – адреналин. Только в этом случае адреналин стимулировал работу сердца, учащая его биения. Казалось бы, чего больше? Найден медиатор, стимулирующий клетку-мишень, и другой – тормозящий ее реакцию. Иных – не надо.
Лауреат Нобелевской премии Эрик Кэндел, получивший ее за открытия в области синаптической передачи, вообще, сформулировал вопрос следующим образом: “Почему имеются разные нейротрансмиттеры, если лишь одного достаточно для того, чтобы опосредовать передачу всех электрических сигналов?”
Однако, на сегодняшний день известно несколько сотен медиаторов и медиаторных комплексов. Но, полагают, что их многократно больше, поскольку их очень трудно выделять и идентифицировать. А, если медиаторы и их спутники (различные пептиды, например) синтезируются по механизму синтеза антител иммунной системы, то число их может быть, вообще, бесконечным. Зачем их столько?
Химическая передача – это сложный многоступенчатый процесс, перемещения более или менее крупных молекул медиаторов и их спутников через синаптическую щель к постсинаптической мембране, а затем их утилизация. Протекает этот процесс на порядок медленней, чем передача импульсов по аксону.
Время восстановления синапса и его способности к проведению следующего импульса-солитона зависит от бесконечного числа факторов. Прежде всего, от структуры медиатора и структуры, воспринимающих этот медиатор рецепторов, от структуры белков, транспортирующих медиатор и от структуры спутников медиатора, от природы эстераз – ферментов, дезактивирующих медиатор и от природы ферментов, разрушающих эстеразы, от структуры ферментов, фосфорилирующих белок и от структуры ферментов, дефосфорилирующих его в постсинаптической клетке… и так далее.
Структура, отвечающего за одни и те же процессы, или несущего одни и те же функции белка, может быть различной не только у разных видов, но и у различных особей одного вида. Каждый элементарный акт перемещения и утилизации медиатора осуществляется за какое-то время: микро-, нано-, пикосекунды. И это обусловливает вполне определенное время восстановления синапса. Иначе, появление в синаптической щели вновь синтезированного белка и даже малейшее изменение в структуре одного из множества белков, участвующих в процессе передачи нервного импульса, приводит к изменению рефрактерной фазы, то есть времени восстановления у синапса способности к проведению следующего импульса.
Все это бесконечное число уровней регуляции синаптического процесса призвано обеспечить уникальность синапсов каждого нейрона. Уникальность эта состоит в том, что время полного восстановления синапса для возможности передачи следующего нервного импульса индивидуально для каждого нейрона или группы нейронов и строго определено. Другими словами, какой бы характер не имела последовательность импульсов – солитонов проходящая (передаваемая) по аксону, синапс того же нейрона пропустит импульсы только строго определенной частоты, не выше той, которая обусловлена природой этого синапса, или величиной его рефрактерного периода.
Итак, некий специализированный нейрон, на котором конвергируют множество других нейронов, передающих ему сигналы, суммирует эти сигналы и посылает по своему аксону хаотичную последовательность импульсов-солитонов. Предварительно отметим, что этот нейрон имеет высокочастотные синапсы. То есть, в качестве медиатора он должен использовать очень простую молекулу, например, ацетилхолин, которая обеспечит короткий рефрактерный период, то есть, быстрое восстановление синапса. (Рисунок 1).
Этот нейрон связан, в свою очередь, с множеством других нейронов, каждому из которых передает свою частотную картинку. Эти нейроны имеют синапсы другой природы, с гораздо большим рефрактерным периодом, и каждый из них выберет (пропустит) из общей частотной картинки импульсы только своей частоты.
Характер импульсации идентифицированных нейронов (R 10, R 3, R 15) в абдоминальном ганглии аплизии. Э.Кэндел “Малые системы нейронов”.
Таким образом, и химическая передача, и огромное количество медиаторов Эволюции понадобились для разложения поступающих от рецепторов сигналов в ряд Фурье, то есть на гармонические частоты.
Остается ответить на вопрос – а зачем мозг это делает?
В следующей главе будет показана несостоятельность сегодняшних представлений о механизмах организации памяти.
* * *
Все главы рубрики «Введение в теорию мозга» можно читать вне общего контекста. Но, для лучшего понимания организации мозга, желательно читать их в пронумерованной номерами глав последовательности.
