Границы понятий "мозг", "нервная система" и "нейрон" размываются всё больше и больше. А если размываются они, то размывается и научное понимание таких концепций, как "сознание", "память" и даже, думаю, "я".
Что вообще такое мозг? Я с определением этого понятия всегда поступал просто: мозг — это система нейронов. То есть понятие мозга для меня всегда было основано на особых свойствах нервных клеток.
У нейронов есть два особых свойства: возбудимость и синапсы. Возбудимость — это способность клетки передавать по мембране взрывообразные электрические волны. Электричество движется гораздо быстрее, чем плывёт по раствору молекула, поэтому такие волны представляют собой быстрый способ передачи сигнала. Синапсы — это точечные сочленения между нейронами, посредством которых возбуждение одного нейрона может вызвать возбуждение в другом нейроне. Для этого первому, возбуждённому нейрону нужно выбросить в синапс химическое вещество под названием нейромедиатор, а второму нейрону нужно это вещество уловить и от этого возбудиться. У типичного нейрона могут быть тысячи "входящих" синапсов и тысячи "исходящих".
Что такого особенного в возбудимости и синапсах? Возбудимость — значит скорость. Синапсы — значит специфичность. Другие клетки организма общаются друг с другом химическими веществами, выделяя или улавливая те или иные сигналы, как радиотрансляцию (так работают гормоны). Особенность нейронов состоит в том, что они эти сигналы транслируют не всему организму сразу, а отправляют их конкретным адресатам. Каждый нейрон получает тысячи сигналов с разных сторон и отправляет их тысячам адресатов, а благодаря синапсам все эти сигналы не сливаются в единую какофонию, а движутся по сети нейронов, следуя чётким законам. Возбудимость же, хоть и не является уникальным свойством нейронов, прекрасно дополняет их способность образовывать синапсы, во много раз ускоряя движение сигнала по сети. Представить мозг без электричества теоретически можно, но на практике его быстро съедят носители турбо-мозга с электричеством, поэтому в эволюции таких казусов не наблюдается (хотя "химическим мозгом" можно при желании считать, например, многие аспекты растительного метаболизма и иммунитета).
Мышление, память, в принципе работа мозга основана на «взрывах» возбуждения — потенциалах действия — разбегающихся, как точки и тире азбуки Морзе, с разными частотами по сетям нейронов. Каждый нейрон, получая сигналы с разных сторон, анализирует, обобщает и реагирует на них, одновременно настраивая силу каждого из соединений на основании своего анализа и обобщения. Благодаря электрическим свойствам нейронов, всё это происходит с огромной скоростью: одни соединения ослабляются, другие усиливаются, каналы, по которым течёт возбуждение, постоянно меняют русло. В этих изменениях состоит память, а в законах, по которым нейроны настраивают силу своих соединений, заключены механизмы запоминания.
Эти законы различаются в зависимости от животного, участка его мозга, типа нейронов, участвующих в процессе, и многих других факторов. Некоторые синапсы усиливаются от активной работы и ослабляются во время сна, другие усиливаются при выделении дофамина или норадреналина, третьи меняют свою силу при совпадении времени своих входящих сигналов с исходящим сигналом всего нейрона, а большинство делают всё это одновременно с многочисленными вариациями. В большей или меньшей степени все синапсы постоянно меняются под воздействием опыта, так что человеческая память заключена во всей совокупности и последовательности из триллионов таких изменений.
Но есть отделы мозга и конкретные семейства синапсов, которые особо важны для сохранения информации, среди которых — гиппокамп и соединения нейронов между разными его участками. Гиппокамп связывает между собой воедино сложные паттерны возбуждения коры, которые транслируются туда кодом из потенциалов действия, «взрывов возбуждения» нервных клеток. Эти сложные паттерны откладываются в гиппокампе в виде уникальной синаптической конфигурации, единой конструкции из связанных между собой нейронов, которые возбуждают друг друга, а вдобавок возбуждают кору, воспроизводя в ней исходный сложный паттерн. То есть состояние коры продалбливает себе собственное «русло» в нейронной сети гиппокампа и из этого русла самовоспроизводится в будущем.
Так вот, чтобы это русло в синаптической конфигурации продолбить, нужно уметь конвертировать код потенциалов действия в биохимическую активность. Клетка должна уметь улавливать частоту сигнала и на основании этого принимать молекулярные решения: запускать производство того или иного белка, включать или выключать тот или иной ген, физически увеличивать или уменьшать синапсы, и так далее. Нужна способность регистрировать электрические частоты, и нужен переходник с электричества на биохимию.
Главный переходник с электричества на биохимию и обратно — это кальций. Кальций, с одной стороны — ион, заряженный атом, несущий два «плюса». Поэтому движением кальция можно вызвать электрическое возбуждение, и наоборот, возбуждением можно вызвать движение кальция. Но одновременно с этим кальций работает как ключ в зажигании огромного количества биологических машин, в том числе ферментов, которые своей работой могут контролировать в клетке любые процессы. Поэтому кальций в мозге — посредник между электрическими и биологическими процессами. Возбуждение нервной клетки вызывает в ней всплеск кальция, а это запускает в ней биохимические и структурные перестройки. В свою очередь, всплеск кальция в окончаниях возбуждённого нейрона вызывает выброс пузырьков с нейромедиатором, что вызывает электрический импульс в принимающим эти нейромедиаторы соседнем нейроне.
Среди машин, включаемых кальцием, особо выделяется кальмодулин-зависимая киназа II (я писал про неё здесь: https://vk.com/wall5695154_22702). Та не просто реагирует на кальциевые всплески, а на их частоту. Если частота высокая (200 импульсов в секунду), то киназа набирает мощность и потом ещё долго остаётся во включённом состоянии, что приводит к перестройке синапса в сторону его усиления. Но если частота низкая (раз в секунду), то киназа наоборот, зажимается и некоторое время реагировать на кальций перестаёт.
Это считалось одним из классических примеров механизма, по которому нейроны «читают» электрические частоты. Когда кора транслирует свою активность в гиппокамп, там усиливаются синапсы, получающие высокочастотные сигналы, и ослабляется «шум» из редких, сторонних, случайных сигналов. В реальной жизни у любого нейрона в гиппокампе часть синапсов ослабляется, а часть усиливается. Но усиление или ослабление всех синапсов одновременно можно осуществить искусственно, если взять срез гиппокампа, бить его током с одной стороны и одновременно замерять, сколько тока пришло с другой стороны. Если бить с частотой 200 Гц — то ток будет усиливаться. Если бить с частотой 1 Гц — то ток будет ослабляться.
Ни у кого никогда и сомнений не возникало, что интерпретируют это различие частот исключительно нейроны. В этом, можно сказать, состоит весь их смысл, вся уникальность и привилегированность нервной клетки. Только они оперируют на таких скоростях и с такой пространственной специфичностью, что могут независимо видоизменять каждый из тысяч своих синапсов под воздействием частоты электрического сигнала. Но в последние годы пошатнулась уникальность и этого, казалось бы, уникального умения.
Клетки нервной ткани, не являющиеся нейронами, называются глия, то есть "клей". Из названия всё понятно: нейроны делом занимаются, а эти им помогают своими вспомогательными клейкими функциями, на которые всем плевать. Над этим словом, конечно, все уже лет двадцать смеются, потому что только и продолжают находить что-нибудь новое и суперважное, что глия делает. Ну то есть давно известно, например, что это буфер энергии, регулирующий энергоснабжение нейронов, что глия обеспечивает мозгу иммунную защиту, и, разумеется, что глия контролирует гематоэнцефалический барьер — пограничный контроль между кровеносными сосудами и мозгом. И всё-таки в «логических» операциях мозга глия участвовать, согласно традиционным представлениям, не должна.
Нейроны в гиппокампе существуют в тесном сотрудничестве с клетками глии, называемыми астроцитами или коллективно — астроглией. Это астроциты выступают в качестве буфера энергии (что, вообще, отдельный разговор, там всё очень круто). Астроциты налеплены на нейроны и их отростки со всех сторон. Так вот, в последние годы про них выясняются любопытнейшие вещи. Судите сами:
1) Как и нейроны, астроциты реагируют на частоту электрической стимуляции гиппокампа кальциевыми волнами у себя внутри. Разница в механизме. Нейрон впускает кальций внутрь снаружи, когда по нему пробегает электрический разряд. Астроцит, во-первых, не впускает кальций снаружи, а извергает его из внутренних запасов (клетки обычно отсасывают весь кальций из цитоплазмы и закачивают его в митохондрии и эндоплазматический ретикулум, откуда его можно выпрыснуть обратно в цитоплазму при поступлении подходящего сигнала). Во-вторых, он реагирует не на собственный электрический разряд (сам астроцит не обладает возбудимостью), а на нейромедиатор, расплескавшийся из окружающих синапсов между нейронами. То есть астроцит как бы подслушивает синаптические сообщения и превращает их в собственные кальциевые волны.
2) Как и в нейроне, кальциевые волны в астроците вызывают в нём выброс нейромедиатора. Ну то есть это уже не нейромедиатор, потому что его выбрасывает не нейрон, а астроцит. Его иногда называют глиомедиатор. Но это то же самое вещество — глутамат — которое выбрасывается точно таким же способом: кальциевым сигналом. Отличие выброса глиомедиатора от нейромедиатора только в том, что нейроны стреляют часто, из тысяч окончаний, но маленькими пузырьками, а астроглия лупит реже, но целыми вёдрами глутамата.
3) Глутамат, который извергают астроциты в ответ на искусственную низкочастотную стимуляцию гиппокампа, улавливается теми же сами рецепторами нейронов, которыми те улавливают сигналы друг от друга. Если этот канал связи обрубить (либо путём воздействия на астроглию, либо путём воздействия на нейроны), то нейроны перестают регистрировать низкие частоты стимуляции. Если же астроциты искусственно стимулировать кальцием, как будто они нейроны, то те начинают поливать нейроны глутаматом и безо всяких внешних сигналов со стороны других нейронов гиппокампа или коры. В нейроне-мишени, получающем вёдра глутамата, это вызывает реакцию, аналогичную снижению «шума» при низкочастотной электрической стимуляции. То есть раньше считалось, что это нейрон читает низкие частоты, а тут оказалось, что он их не чувствует, если ему отключить сигналы от глии.
4) Астроцит называется «астроцит», потому что он выглядит как «звезда», а если по чесноку, то выглядит он как типичный нейрон: маленькое тело и длинные разветвлённые отростки. Благодаря этому разные участки астроцита могут опутывать разные синапсы и потенциально регулировать их независимо друг от друга, то есть обладать пространственной специфичностью. Такое наблюдается, например, в мозжечке. Насколько конкретно влияние астроцитов на те или иные синапсы, пока неизвестно, но уже понятно, что эти клетки совсем не обязательно делают одинаковые вещи в каждом из своих отростков.
В общем, выходит так, что подсчёт частот в гиппокампе при низкочастотной стимуляции по крайней мере отчасти производится не нейронами, а глией. А это — последний бастион уникальных свойств нервных клеток. Если ни синапсы, ни частотный код не могут считаться строго уникальными для нейронов, значит, нейронные сети не описывают всех степеней свободы человеческого мозга. Значит, мышление не ограничивается электрическими сигналами, а плавно перетекает из электричества в биохимию и генетику. Значит, память хранится не только в синапсах и нейронах, а точно так же ещё и в глии, а значит, видимо, во всём состоянии всех клеток мозга, а значит — и всего тела. Значит, воспроизвести сознание человека в виртуальной реальности ещё труднее, чем казалось раньше. Ну и много ещё разных «значит», если пофантазировать.