Неосяжна біологічна мережа повідомлень

Мозок є органом, який керує всією вольовою поведінкою. Саме він підіймає вас уранці з ліжка. Саме він дозволяє вам дивитись, як сідає сонце, нюхати троянду, смакувати шоколад, буцати футбольний м’яч та розмахувати бойовою сокирою над головою зомбі, що наближається.

По суті, мозок — це не що інше, як сукупність мільярдів крихітних клітин, що називаються нейрони та глія. Нейрони діють як маленькі оператори вводу-виводу, начебто транзистори в комп’ютерах, але трохи складніше. На верхівці в них є гілочки — дендрити, завдяки яким нейрони слухають інші клітини. Потім інформація з цих гілочок подорожує крізь основну частину клітини, яка називається тіло клітини, або сома. Це те, що дає сірій речовині, частині мозку, яка містить ваші нейрони, її назву. Через щільні кліткові тіла вона здається дещо темнішою за тканину, де немає клітинних тіл. Інформація з дендритів інтегрується в кліткове тіло, й ухвалюється рішення «запалити вогник». Це не справжній вогник, але з нього дійсно починається електрохімічний сигнал, який передається далі від клітини крізь довгий вусик, що називається аксон. Іноді аксон називають білою речовиною, бо він насправді здається білим. Передусім аксони можна вважати біологічними дротами комп’ютеру, тобто нашого мозку. У кінці кожний аксон має багато відгалужень, що називаються термінали аксона. Вони поєднуються з дендритами інших клітин. Якщо вважати дендрити гілками дерева, тоді аксон — це стовбур, а термінали аксона — коріння.

Рисунок 1.1. Мозкові клітини поділяються на комунікатори (нейрони) та опору (глія). І ті й ті мають клітинне тіло (сому), що містить структури, які підтримують клітину живою. Нейрони комунікують, надсилаючи електричні імпульси (потенціали дії) по схожій на дротовиння структурі (аксону), яка формує зв’язок (синапс), а той майже торкається гілок (дендритів) наступного нейрона. У цей простір вивільняються комунікативні молекули (нейромедіатори), які зв’язуються з рецепторами дендритів наступної клітини. Глія ізолює аксони за допомогою жировмісного покриття (мієлінової оболонки) та допомагає очистити довколишні молекули та нейромедіатори

Кожен нейрон комунікує з іншими нейронами шляхом створення електричного заряду, який примушує аксон клітини викидати хімічні речовини через невеликий проміжок між собою та дендритами клітини, що розташована нижче. Цей проміжок називається синаптична щілина. Такі хімічні речовини (вони відомі як нейромедіатори та нейромодулятори) змінюють напругу нижньої клітини, збільшуючи ймовірність того, що вона запустить власний потенціал дії. Цей процес передачі є фундаментальним обчисленням мозку: одна клітина вирішує запалити (або ні) імпульс на основі сигналів, які надсилає (або ні) клітина, з якою ця перша пов’язана. Ми обговоримо це детальніше в наступному розділі.

А що стосовно тих інших клітин, про які ми згадували, глії? Ну, більшість нейрологів довгий час уважали, що глія є чимось на кшталт служби підтримки нейронів. Ці клітини прибирають той безлад, який відбувається, коли нейрони повсюди викидають нейромедіатори. До того ж вони допомагають нейронам залишатися здоровими й сприяють комунікації між клітинами. Попри те, що модель «глія — служба підтримки» здається точною, наскільки це можливо, зараз стає дедалі очевиднішим той факт, що насправді вона є чимось набагато більшим. Щороку з’являється все більше досліджень, з яких стає зрозуміло, що глія також виконує деякі обчислення самостійно. Однак що це за обчислення і яке відношення вони мають до поведінки — наразі залишається великою загадкою.

Але ж як усе це змушує мозок працювати?

Уже деякий час нам відомо, що мозок є потужною взаємопов’язаною мережею. Авжеж, перші оцінки ступеня масштабності цієї мережі були дещо перебільшеними. Наприклад, візьмемо заголовок статті, опублікованої в «Нью-Йорк таймз» 25 червня 1933 року: «Телефонні лінії мозку обчислюються в кількості 1 плюс 15 мільйонів нулів: науковці розповіли про такі приголомшливі цифри, що астрономічні кількості нишкнуть порівняно з ними». Якщо припустити, що розмір нейронів та їхніх аксонів нам відомі, то розмір нашого мозку, відповідно до даних у статті, має займати площу завбільшки Сонячної системи. Але хоча це число й було дещо роздутим, нейронів насправді дуже багато: десь між 80 та 100 мільярдами клітин із десь від ста до десятків тисяч з’єднань від кожної. Тож переважно мозок функціонує як широкомасштабно пов’язана комп’ютерна мережа з трильйонами деталей, що взаємодіють.

Щоб уявити це в перспективі, візьмемо за основу звіти компанії комп’ютерних мереж Cisco: станом на 2013 рік в усьому Інтернеті було близько 10 мільярдів активних зв’язків. Увесь Інтернет до 2020 року не налічуватиме навіть і 50 мільярдів зв’язків. Це означає, що наш мозок просто зараз має майже в 100000 разів масштабніші зв’язки, ніж уся мережа.

Однак якщо зробити крок назад і поглянути на мозок без мікроскопа, то перше, що ми помітимо: він дуже зморшкуватий. Тканина утворює складки, немов на голові собаки породи шарпей. Це тому, що в наших черепах ледве вистачає місця, аби розмістити всі ті клітини. Тож тканина укладається якомога компактніше. Пагорби складок називаються звивини (або ж звивина, якщо казати лише про одну), а западини — борозни (або борозна, якщо мається на увазі одна). Наша робота як нейрологів — орієнтуватися в цих пагорбах та западинах, щоб зрозуміти, завдяки яким саме пагорбам ми здатні бачити обличчя, які западини дають нам спроможність рухати руками і який нейронний код дає можливість комунікації між цими звивинами та борознами.