Как работает мозг?

Мозг по своей сути является электрической системой, в некотором роде схожей с компьютером. Различные зоны мозга отвечают за разные функции. Например, поверхность мозга, находящаяся ближе к затылку, называется затылочная кора. Это зона, ответственная за зрение. Если она будет поражена инсультом, то зрение пострадает. С левой стороны мозга расположен небольшой участок поверхности, который называется область Брока. Эта часть мозга позволяет вам разговаривать с другими людьми. Если она окажется поражена инсультом, вы будете испытывать трудности с речью. Вы сможете мысленно представить, что хотите сказать, но обнаружите, что забыли, как выразить это словами. Существует и более примитивная зона мозга, которая носит название лимбическая система. Считается, что она участвует в контроле над эмоциями, такими как радость, печаль, страх или гнев. Как бы то ни было, наши знания о том, где и как именно мозг создает положительные и отрицательные эмоции, по-прежнему весьма ограниченны.

Мы знаем, что нервы — это «провода», которые образуют электрические цепи в мозге. Длинный тонкий отросток нерва называется аксон. Когда через нейрон проходит электрический импульс, он отправляет сигнал вдоль аксона к окончанию нейрона. Однако нейрон устроен сложнее, чем провод. Например, он может получать входящий сигнал от десятков тысяч других нейронов. Когда нейрон активен, его аксон, в свою очередь, также посылает сигналы десяткам тысяч других нейронов.

Это возможно благодаря тому, что аксон ветвится, образуя множество отростков. Каждый из них также разделяется на еще большее количество отростков, подобно тому как ствол дерева разветвляется на все большее количество ветвей. Благодаря этому один-единственный нейрон внутри мозга может сообщать сигнал до 25 000 других нейронов, расположенных по всему объему мозга.

Как одни нейроны мозга посылают электрический импульс другим? Чтобы это понять, взгляните на рисунок 17.1 с упрощенным изображением взаимодействия двух нейронов. Область между ними называется синапсом, или синаптической щелью. Возможно, вы не знакомы с этим термином, но пусть он вас не пугает. Он лишь обозначает пространство между двумя нейронами. Участок нейрона слева называется пресинаптическим окончанием, а участок справа — постсинаптическим окончанием. Эти термины также довольно просты: они всего лишь обозначают участки, где нейрон заканчивается (пресинаптическое окончание) или начинается (постсинаптическое окончание), на рисунке они расположены слева и справа от синапса соответственно.

Чтобы понимать, как работает мозг в целом, важно иметь представление о том, как происходит передача электрического сигнала через синапс. Синаптическая щель, расположенная между пресинаптическим окончанием слева и постсинаптическим окончанием справа, заполнена жидкостью. Это открытие стало величайшим прорывом в истории нейронауки. Если задуматься, оно не так уж удивительно, учитывая, что наши тела состоят преимущественно из воды. Тем не менее ученые были озадачены, зная, что электрические импульсы, проходящие через нейроны, слишком слабы, чтобы преодолеть синаптическую жидкость. Каким же образом пресинаптическому окончанию, изображенному слева на рисунке 17.1, удается сообщить электрический импульс постсинаптическому окончанию через заполненную жидкостью синаптическую щель?

Представьте, что вы отправились в поход и подошли к реке. Вам очень нужно перебраться на другую сторону, но река слишком глубока. Более того, вы не видите моста, а перепрыгнуть реку вы не можете, она слишком широка. Как же перебраться на другую сторону? Возможно, вам понадобится лодка, или вы решите эту реку переплыть.

Нейроны также сталкиваются с подобной проблемой. Из-за того, что электрические импульсы слишком слабы, чтобы перепрыгнуть через синаптическую щель, нейроны посылают маленьких пловцов, которые доставляют сообщение. Эти маленькие пловцы — химические вещества под названием нейротрансмиттеры. Нейрон на рисунке 17.1 использует нейротрансмиттер серотонин.

На рисунке 17.1 вы можете увидеть, что, когда пресинаптическое окончание посылает импульс, вместе с этим происходит выброс нескольких небольших групп молекул серотонина в синаптическую щель. После выброса эти химические посланники перемещаются, или «переплывают», через синапс, заполненный жидкостью. Этот процесс называется диффузией. По другую сторону синаптической щели молекулы серотонина прикрепляются к рецепторам, расположенным на поверхности постсинаптических окончаний. Переданный сигнал активирует постсинаптическое окончание, как показано на рисунке 17.2.

Различные типы нейронов используют различные виды нейротрансмиттеров. В мозге используется множество таких нейротрансмиттеров. С химической точки зрения многие из них относятся к биогенным аминам, потому что являются производными аминокислот, которые мы получаем из еды. Такие аминные трансмиттеры играют роль биохимических посланников в нейронных процессах мозга.

В лимбических (эмоциональных) зонах мозга главным образом задействованы три аминных трансмиттера: серотонин, норэпинефрин и дофамин. Как говорит наука, эти три трансмиттера играют важную роль во многих психиатрических расстройствах и активно изучаются в психиатрических исследованиях. Поскольку эти химические передатчики называются биогенными аминами, теории, которые связывают их с возникновением депрессии или мании, называются теориями биогенных аминов. Но не будем забегать вперед.

Каким образом химический передатчик активизирует нейрон, когда достигает его? Давайте представим, что химическим передатчиком со стороны пресинаптического окончания является серотонин. (Я мог выбрать для примера любой из них, поскольку все они действуют похожим образом.) На поверхности постсинаптического окончания расположены небольшие участки — рецепторы серотонина. Можно представить их как своеобразные замки, потому что их нельзя открыть без нужного ключа. Эти рецепторы расположены на мембране, которая образует внешнюю поверхность нейрона. Нейронные мембраны подобны коже, покрывающей ваше тело.

Теперь представим, что серотонин является ключом от замка, расположенного на постсинаптическом окончании. Как и обычный ключ, серотонин срабатывает только потому, что имеет особую форму. Существует множество других химических веществ, присутствующих в синаптической области, но они не смогут открыть серотониновый замок, потому что не обладают нужной молекулярной структурой. Когда ключ подошел к замку, замок открывается. Это запускает дополнительные химические реакции, которые и порождают электрический импульс в постсинаптическом окончании. После активации нейрона серотонин (ключ) выбрасывается рецептором (замком), расположенным на постсинаптическом окончании, обратно в синаптическую жидкость. В конце концов он снова достигает пресинаптического окончания (также путем диффузии), как показано на рисунке 17.3.

Серотонин выполнил свою работу, и пресинаптическое окончание должно избавиться от него. Иначе он будет болтаться в области синапса и может снова достигнуть постсинаптического окончания. Из-за этого возможна путаница, потому что постсинаптическое окончание может расценить его как еще один стимулирующий сигнал и сформировать новый электрический импульс.

Чтобы избежать этой проблемы, на поверхности пресинаптического окончания работают специальные молекулы-транспортеры. Когда серотонин достигает пресинаптического окончания, он соединяется с рецептором (другим замком) на его поверхности и захватывается обратно внутрь нейрона так называемым «мембранным транспортером», или «транспортером обратного захвата», как можно увидеть на рисунке 17.3.

После того, как серотонин снова оказался внутри, пресинаптическое окончание может использовать его снова или уничтожить избыток серотонина, если его запасов достаточно для передачи следующего электрического импульса. Оно уничтожает избыток серотонина посредством процесса, называемого «метаболизм», что означает превращение одного химического вещества в другое. В данном случае серотонин превращается в химическое вещество, которое может быть выделено в кровь. Фермент нейрона, который выполняет эту задачу, называется моноаминоксидаза, или сокращенно МАО. Фермент МАО превращает серотонин в новое химическое вещество под названием 5-гидроксииндолуксусная кислота. Это еще одно сложное название, но вы можете представлять 5-гидроксииндолуксусную кислоту просто как побочный продукт серотонина. Она покидает мозг, попадает в кровоток и транспортируется к почкам. Почки забирают 5-гидроксииндолуксусную кислоту из крови и направляют ее в мочевой пузырь. Вы окончательно избавляетесь от нее при мочеиспускании.

Так завершается серотониновый цикл. Конечно, пресинаптическое окончание должно постоянно вырабатывать очередную порцию серотонина для передачи электрических сигналов, чтобы общее его количество не снижалось.