Язык и мозг. Нейробиология раскрывает главную тайну человека
Шрифт:
Рис. 6 Различные виды спайков нейронов. (Автор: А.Петрова)
Сколько нейронов в мозге
Поиск ответа на этот вопрос в учебниках по нейробиологии даёт разные цифры. Обычная цифра – 100 миллиардов нейронов, и в 10 раз больше глиальных клеток – обслуживающего персонала нейронов. 1:10. Бразильская исследовательница Сюзанна Геркулано-Гаузель (Suzana Herculano-Houzel) не поверила и решила узнать точное число. Она перечитала массу учебников, встретилась с известными нейробиологами. Все повторяли как мантру число 100 миллиардов, но никто не мог сказать, откуда взялась эта цифра. Тогда Геркулано-Гаузель решила посчитать нейроны сама. Она разработала новый метод и назвала его brain soup –
В 2009 году Геркулано-Гаузель взяла мозг четырех умерших людей. Она разделила его на части – кора, мозжечок и другие, затем нарезала их кружочками. Потом растёрла их в порошок и развела в специальном растворе, чтобы удалить жиры. В растворе остались только ядра нейронов и глиальных клеток. Затем исследовательница пометила их флуоресцентным протеином. В ультрафиолетовых лучах они светились голубым. Одно ядро – одна клетка. Чтобы определить, сколько из них нейронов, Сюзанна использовала два антитела, которые приклеиваются только к нейронным ядрам и окрашивают их в красный цвет. С помощью микроскопа она посчитала сначала голубые ядра, а затем красные. Результат – в мозге 170 миллиардов клеток, из них 86 миллиардов нейронов и 86 миллиардов глиальных клеток. Соотношение один к одному. Но не для всех частей мозга. В коре – верхнем слое мозга, самом богатом нейронами, – почти 61 миллиард глиальных клеток и 16 миллиардов нейронов – 3,76: 1 [10] .
10
Azevedo F.A.C., Carvalho L.R.B., Grinberg L.T., Farfel J.M., Ferretti R.E.L., Leite R.E.P… Herculano-Houzel S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532–541. https://doi.org/10.1002/cne.21974
Критики упрекали Сюзанну Геркулано-Гаузель в том, что растирание в порошок и растворение разрушило много клеток. Но она использовала раствор, который разрушает жиры и сохраняет протеины, из которых состоят ядра клеток.
Законы мозга
Нейроны, которые расположены рядом, обрабатывают один тип информации – визуальную, слуховую, двигательную. Учёные называют такие зоны соответственно зрительной, слуховой или двигательной корой. Информация из разных типов коры может смешиваться, неважно, находятся они по соседству или далеко друг от друга. Когда мы видим розу и сразу слышим слово роза, в этот момент одновременно загораются нейроны в зрительной и слуховой коре, их отростки притягиваются друг к другу. Чем чаще происходит совместное зажигание, тем сильнее связь между нейронами. Сюда же могут подключиться «нюхающие» нейроны. Это закон Хэбба, который лежит в основе обучения. Fire together, wire together! По этому принципу нейроны объединяются в нейронные ансамбли – большие группы. При виде котика загораются нейроны в вашей зрительной коре, одновременно с ними нейроны, которые кодируют как представление о котиках, так и само слово котик. Если вы любите котиков, то к ним добавляются нейроны из эмоционального центра, а также нейроны запаха и мягкой кошачьей шёрстки. Нейронные ансамбли собираются как конструкторы Лего из жизненного опыта. Люди рождаются с небольшим набором нейронных ансамблей, но все остальные – результат обучения в широком смысле слова. Закон Хэбба работает и в обратном направлении – Use it or lose it! Неиспользуемые ансамбли распадаются. Информация стирается из мозга.
Собака Павлова, слыша звонок, понимает, что скоро обед, и выделяет слюну. Так работает ассоциативное обучение или условный рефлекс. Считается, что язык дети выучивают таким же образом. Но тут есть одна проблема. Допустим, малыш слышит слово мяч и видит сам мяч. Зрительные нейроны связались со слуховыми. Но в жизни часто бывает так, что со словом мяч в речи одновременно может появиться ещё много слов. Например: «Посмотри, какой чудесный мяч несёт этот мальчик!». Добавим сюда ещё жест рукой, мимику и так далее. По закону Хэбба всё это должно связаться в один крепкий ансамбль. Ну и как ребёнок должен из всего этого понять, к чему относится слово мяч? Профессор Ф. Пульвермюллер, руководитель лаборатории в Свободном университете Берлина, объясняет это законом анти-Хэбба, который развязывает ненужные связи [11] . Укрепляются только постоянно повторяющиеся связи. Ребёнок должен несколько раз в разном контексте услышать слово мяч, чтобы выучить его.
11
Pulverm"uler F. (2018). Neural reuse of action perception circuits for language, concepts and communication. Progress in Neurobiology. Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2017.07.001
Фридеман
12
https://loop.frontiersin.org/people/931/bio
Нейронные ансамбли или нейроны-одиночки
Восьми страдающим эпилепсией пациентам для лечения имплантировали электроды в мозг. Чтобы проверить, как их мозг обрабатывает зрительные сигналы, им показывали фотографии известных людей, животных, предметов и зданий. Когда одному из них показали фото Дженнифер Энистон, внезапно загорелся один нейрон в средней части височной доли. И только в том случае, если она была на фото одна! Если, например, вместе с Брэдом Питтом – никакой реакции. В другом похожем эксперименте уже другому пациенту показывали фотографии Холли Берри. Нейрон загорался, даже когда она была в образе женщины-кошки и даже просто при виде надписи Halle Berry (Холли Берри). Другие женщины-кошки не возбуждали этот нейрон.
Всего учёные проверили 132 нейрона, из которых 51 реагировал только на определённый стимул – человека, животное, предмет. Это исследование интерпретировали так, что специфическая информация может кодироваться малым числом нейронов. Вероятность случайно встретить такие нейроны в мозге ничтожно мала.
Неужели нейроны работают поодиночке, а не в ансамблях? Если это предположение верно, тогда нам нужно в коре больше нейронов, чем 16 миллиардов – чтобы закодировать для всех возможные предметы в разных вариантах.
Учёные продолжили свои исследования и обнаружили, что один нейрон реагировал на двух разных баскетболистов, один нейрон – на изображения как Люка Скайуокера, так и Йоды. Возможно, нейрон реагирует на нечто общее между изображениями. Например, на баскетбол или на «Звёздные войны». Другой вопрос, который задали себе учёные: сколько нейронов реагирует на один стимул, и наоборот, на сколько стимулов реагирует один нейрон? Ответ: на стимул реагирует менее нескольких миллионов нейронов, и каждый из них может выстрелить на несколько десятков картинок [13] . Один нейрон в разное время играет в разных ансамблях.
13
Quian Quiroga R. & Kreiman G. (2010). Postscript: About Grandmother Cells and Jennifer Aniston Neurons. Psychological Review, 117(1), 297–299. https://doi.org/10.1037/0033-295X.117.1.297
Зоны мозга, необходимые для речи
В конце XIX века немецкого нейроанатома и психиатра Корбиниана Бродмана заинтересовала структура мозга, а точнее коры. С воодушевлением он принялся за составление карты головного мозга человека. Он заметил, что в одних зонах слоистая структура коры более явно выражена, чем в других. Почти 10 лет он нарезал мозги людей, собак, кошек, тюленей и других животных на тончайшие – не больше 10 микрометров – срезы (иначе не разглядеть нейроны!), стабилизировал и химически их окрашивал. Затем фотографировал под микроскопом и анализировал. Какой титанический труд!
Бродман выделил в мозге человека 52 зоны, которые различаются размером нейронов, их формой и плотностью укладки в коре. А описал 43 из них. Научное сообщество настолько поразили точность, аккуратность и обстоятельность работы, что зоны получили его имя – поля Бродмана.
Рис. 7 Цитоархитектонические поля Бродмана. (Автор: Henry Vandyke Carter – Henry Gray (1918) Anatomy of the Human Body (See "Книга" section below) Bartleby.com: Gray's Anatomy, Plate 726, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=620390)