Как работает ваш мозг. Внутри самого сложного объекта во Вселенной

Исследования конкретных участков мозга и их деятельности дали очень много, но в последние годы нейроученые все чаще отказываются от описания мозга как совокупности участков, строго разделенных по функциям. Все чаще мозг понимают как нейронную сеть, которая связывает различные участки, давая в результате больше, чем просто сумму их частей. Зародился новый тип нейронауки – математика разума, способная раскрыть природу человеческого опыта.

Маленький мир, большие связи

Если выпрямить все нервные волокна мозга, они четыре раза обернутся вокруг земного шара. Внутри черепа они похожи на беспорядочный клубок проводов, но математики хорошо знают такую структуру – это один из видов сетей «тесного мира».

Характерная особенность сетей «тесного мира» – относительно короткий путь между двумя узлами. Яркий пример такой сети – «теория шести рукопожатий» между вами и любым человеком в мире. Между любыми двумя участками мозга среднее число ступеней столь же мало, а незначительные вариации объясняют уровнем интеллекта.

Похоже, структуры «тесного мира» делают коммуникацию между участками сети быстрее и эффективнее. В них относительно немного протяженных связей – всего одно из 25 нервных волокон соединяет отдаленные участки мозга, остальные связаны с близлежащими нейронами. Мартейн ван ден Хёвель из Университетского медицинского центра в Утрехте, Нидерланды, говорит, что длинные нервные волокна дорого выстраивать и содержать, поэтому организация по принципу сетей «тесного мира» может быть лучшим компромиссом между расходом ресурса и эффективностью передачи сигнала.

Однако протяженные соединения распределяются по мозгу неравномерно. Ван ден Хёвель и Олаф Спорнс из Индианского университета в Блумингтоне недавно открыли, что скопления таких соединений формируют прочный «каркас», по которому осуществляется коммуникация между дюжиной основных участков мозга (см. рис. 1.5). Каркас и эти участки мозга вместе называют «элитарным клубом», подчеркивая обилие связей.

Как говорит ван ден Хёвель, никто не знает, зачем мозгу «элитарный клуб», но, очевидно, он очень важен, раз проводит такой большой трафик. Поэтому нарушения в его работе грозят серьезными последствиями. «Развивается теория, что причиной шизофрении может быть проблема с интеграцией информации внутри узлов "клуба"», – говорит он. Улучшение трафика «элитарного клуба» может оказаться лучшим лечением, хотя сложно сказать, как этого добиться.

Схема соединений мозга позволяет быстро передавать информацию через несколько особенно хорошо связанных узлов (т. н. «элитарный клуб»), распределяя значительную часть трафика между участками

Возможно, эти участки очень важны для объединения всех мыслей и чувств в наш сознательный опыт

Рис. 1.5. 12 узлов «элитарного клуба» мозга

Сегодня совершенно понятно, что эта плотно переплетенная сеть – идеальная платформа для нашей умственной гимнастики, и она формирует фон для многих других математических принципов, стоящих за нашими мыслями и поведением.

Грань хаоса

Высокая степень соединений в мозге полезна, но есть и потенциально слабые стороны. Так как каждый нейрон связан с сетью «тесного мира», электрические сигналы могут быстро и широко распространяться, запуская каскад реакций других клеток. Теоретически такие реакции способны породить хаотичную лавину, вызвать приступ и временно вывести мозг из строя.

К счастью, вероятность этого невелика – за всю жизнь подобный приступ переживает лишь около 1 % населения. Мозг поддерживает здоровое равновесие – притормаживает сигналы нейронов, чтобы не допустить хаотичного переполнения, но при этом не останавливает весь поток.

Понимание того, как мозг достигает золотой середины, пришло в 1970-е годы, когда Джек Коуэн из Чикагского университета предположил, что равновесие представляет собой состояние, хорошо известное физикам-теоретикам как критическая точка или «грань хаоса». Он считает, что каскады разряжающихся нейронов, или «нейронные лавины» – это моменты, когда клетки мозга временно проходят критическую точку и затем возвращаются в состояние покоя.

Лавины, лесные пожары и землетрясения также подчиняются правилам систем, оказавшихся в критической точке, и все они имеют некоторые общие математические характеристики. Главная из них – степенной закон распределения, согласно которому серьезные землетрясения или лесные пожары происходят реже, чем мелкие, в соответствии со строгим математическим соотношением; например, вероятность землетрясения, которое в 10 раз сильнее, обратная – одна десятая.