Как работает мозг. Для чего нужен сон?
Как работает мозг. Для чего нужен сон?
Ещё со времён изучения анатомии в средней школе большинство из нас знает, что наш мозг состоит из нейронов, а основная мыслительная деятельность происходит в коре головного мозга. При этом нам что-то рассказывали про большие полушария, мозжечок и прочие составляющие. Но, что интересно, нам при этом не рассказывали весьма важных вещей о тех процессах, на самом деле происходящих в головном мозге и нервной системе человека, которые весьма важны для понимания того, что и зачем мы делаем, в том числе в процессе обучения и различных тренировок.
Надеюсь, что если вы найдёте немного времени на то, чтобы изучить данную статью, это поможет вам более рационально и эффективно построить свою жизнь и использовать с пользой для себя возможности вашего организма.
В организме человека выделяют центральную и периферическую нервные системы. В центральную нервную систему входит головной и спиной мозг. К периферической нервной системе относят остальные нейроны, которые пронизывают все ткани человека, собирая информацию о состоянии этих тканей и передавая им управляющие сигналы от центральной нервной системы. Именно за счёт нейронов периферической нервной системы мы чувствуем боль, которая сообщает нам о том, что с теми или иными органами что-то не в порядке.
На элементарном уровне нервная система человека состоит из нейронов (нервных клеток) и вспомогательных нейроглиальных клеток, которые помогают нейронам в выполнении их функций.
Нейрон состоит из тела клетки (2), или сомы, одного длинного мало ветвящегося отростка, называемого аксоном (4), а также множества (от 1 до 1000) коротких сильно ветвящихся отростков — дендритов (1). Также на схеме обозначены ядро клетки (3), ветви аксона (6), миелиновое волокно (5), перехват (7) и неврилемма (8).
Длина аксона достигает метра и более, его диаметр колеблется от сотых долей микрона до 10 мкм. Длина дендрита может достигать 300 мкм, а его диаметр 5 мкм.
Нейроны соединяются между собой, образуя так называемые нейронные сети. При этом дендриты нейронов, являющиеся входными линиями сигналов, присоединяются к аксонам других нейронов, по которым от нейрона передаются так называемые «нервные импульсы». Место соединения одного нейрона с другим получило название «синапса» (от греческого слова «синапта» - контактировать). Количество синаптических контактов неодинаково на теле и отростках нейрона и весьма отличается в различных частях нервной системы. Тело нейрона на 38% покрыто синапсами и их насчитывают до 1200-1800 на одном нейроне. Все нейроны центральной нервной системы соединяются между собой в основном в одном направлении: разветвления аксона одного нейрона контактируют с телом или дендритами других нейронов.
У нейронов из периферической нервной системы аксоны контактируют с тканями управляемых ими органов или клеткам мышечной ткани. То есть, импульс, передаваемый по аксону, воздействует не на другие нейроны, а заставляет, например, сокращаться клетки мышечной ткани.
При этом хочу особо обратить ваше внимание на тот факт, что на самом деле то, что во многих источниках называют «нервные импульсы», на самом деле является импульсами электрического тока, что очень хорошо демонстрируется на старом школьном опыте, когда мышцы на лягушачьей лапке начинают сокращаться под действием электрического тока. То есть в основе деятельности головного мозга лежат электромагнитные импульсы, которые распространяются по нейронной сети, образованной связями между нейронами.
Изначально нейрон находится в так называемом невозбуждённом состоянии. Через синапсы к нему поступают электрические импульсы от других нейронов, и когда общее количество этих импульсов достигает некоего порогового значения, нейрон переходит в возбуждённое состояние и по его аксону пробегает импульс электрического тока, передавая сигнал другим нейронам или заставляя мышечную ткань сокращаться.
Таким образом управление различными физиологическими процессами и наше мышление происходят за счёт распространения электрических импульсов в нейронной сети центральной и периферической нервных систем.
Распространяются эти импульсы не так уж быстро. Скорость распространения импульса через один синапс измерена и составляет порядка 3 миллисекунд. Это означает, что максимальная частота сигнала, которую вы сможете передать через такой контакт, составляет всего около 333 Гц. Нам, привыкшим к частотам процессоров в несколько гигагерц, скорость работы нервных клеток может показаться слишком низкой, но на самом деле это представление сильно ошибочно, поскольку нейронная сеть нашего головного мозга на самом деле обладает просто огромной вычислительной мощностью.
Летом 2013 года японские учёные провели моделирование работы нейронной сети, которая состояла из 1.73 млрд. нейронов, между которыми было установлено 10.4 трлн. синапсов (соединений). Для моделирования использовался суперкомпьютер Fujitsu K computer, который в ноябре 2013 года занимал 4-ое место в мире про общей производительности
Так вот на моделирование одной секунды работы данной нейронной сети у суперкомпьютера имеющего 705 024 ядер и потребляющего 12.6 КВт электроэнергии ушло целых 40 минут!
Считается, что в среднем в мозгу человека содержится порядка 86 млрд. нейронов. Это примерно в 50 раз больше, чем смоделированная нейронная сеть. При этом разница во времени составила 2400 раз (столько секунд в 40 минутах). Итого общая разница в скорости составляет порядка 120 000 раз. Добавьте к этому также тот объём, который занимает данный суперкомпьютер, а также то количество энергии, которое было на данные вычисления потрачены.
Другими словами, нашим ЭВМ пока ещё очень далеко до той эффективности и быстродействия, которые реализованы Природой в нашем головном мозге!
Но вернёмся к рассмотрению того, какие процессы происходят в нашем мозгу и всей нервной системе в целом. Есть три важных составляющих, которые обеспечивают её функционирование. Первый, о котором я уже говорил, это распространение электрических импульсов по нейронной сети. Это, если так можно выразиться, главный вычислительный процесс, который происходит постоянно. И именно он определяет нашу мыслительную деятельность и двигательную активность. Второй процесс основан на действии так называемых нейромедиаторов, которые формируют химический уровень регулирования нервной деятельности. В зависимости от того, какие нейромедиаторы выделяются организмом, скорость работы нейронов и всей нервной сети может либо повышаться, особенно в критических ситуациях, либо, наоборот, понижаться, когда состояние перевозбуждения требуется погасить и успокоиться, поскольку работа нейронов в ускоренном перевозбуждённом состоянии приводит к их преждевременному разрушению и отмиранию. А вот про третью важную составляющую в медицинской литературе вы не найдёте практически ничего! При том, что данная третья составляющая как раз и является одной из важнейших, поскольку именно она определяет качество работы всей нейронной сети, её функциональные возможности. Этой важнейшей составляющей является та структура связей, которая сформирована между нейронами, поскольку именно она определяет то, как и какие процессы происходят в этой нейронной сети во время её работы.
Нейронная сеть
Главной особенностью нейронной сети, которую образуют наши нейроны, состоит в том, что она не является постоянной. Нейроны обладают способностью перестраивать связи между собой, меняя структуру нейронной сети. И в этом одно из её принципиальных отличий от наших современных компьютеров, которые в основном имеют фиксированную структуру вычислительных модулей.
Уникальность нашей нервной системы состоит в том, что она постоянно меняет свою структуру, оптимизируя её под решение тех или иных задач. При этом формирование связей между нейронами, в том числе и в головном мозге, начинается задолго до рождения ребёнка. Детерминация клеток плода, при которой уже можно выделить те клетки, из которых будут в дальнейшем сформированы лобные доли головного мозга, наблюдается уже на 25 день после зачатия. На сроке 100 дней уже сформированы основные отделы мозга и начинает формироваться его структура.
Формирование мозга
Это означает, что уже с этого момента всё, что происходит вокруг ребёнка, находящегося в утробе матери, будет оказывать влияние на ту структуру нейронной сети, которая в конечном итоге будет сформирована! Другими словами, способности и возможности будущего ребёнка начинают закладываться задолго до его рождения. Именно поэтому беременным девушкам и женщинам необходимо создавать более комфортные условия практически сразу после зачатия, а не на 6-7 месяце. Причём комфортные не столько в физическом смысле, сколько в психологическом, поскольку все эмоциональные переживания матери в конечном итоге передаются и будущему ребёнку.
Активный процесс формирования связей между нейронами, то есть программирование нейронной сети, продолжается и после рождения. На самом деле именно в формировании нужных связей и оптимизации их структуры и состоит смысл обучения. Только что родившийся ребёнок толком не умеет управлять своим телом. И не только потому, что у него ещё не окрепли кости и мышцы, но и потому, что в нервной системе не сформированы связи необходимые для управления движениями. Встроенные программы имеются только для обеспечения деятельности главных органов и систем, таких как сердце, лёгкие, печень, почки и т. п. Это формируется ещё на этапе развития плода в утробе матери по тем программам, которые прописаны в ДНК. А вот всё то, что связано с двигательной активностью, приобретается уже после рождения в процессе обучения.
Первые движения, например когда ребёнок учится ходить, делаются под полным контролем головного мозга, а потому происходят они медленно. В том числе и потому, что импульсы через синапсы распространяются достаточно медленно, как уже было сказано выше, около 3 мс на одно соединение. Если в этот процесс включён головной мозг, то количество соединений, которые участвуют в обработке информации, принятии решения и передачи управляющего сигнала мышцам, будет исчисляться десятками и сотнями. Но когда ребёнок многократно повторяет те или иные движения, в его нервной системе нейроны постепенно будут образовывать новые связи, за счёт которых время выполнения часто повторяющихся задач будет существенно сокращаться. И в какой-то момент головной мозг будет исключён из процесса обработки данного движения и оно начинает происходить рефлекторно, то есть только за счёт тех импульсов, которые проходят по периферической нервной системе. С этого момента человеку достаточно только подумать, что он хочет сделать, а как это сделать организм, точнее периферическая нервная система уже знает сама. В ней уже прошита соответствующая программа, которая и реализует требуемое движение, зачастую достаточно сложное.
Вспомните, как вы когда-то учились каким нибудь новым сложным движениям, например езде на велосипеде, катании на лыжах или катании, или тому же плаванию. В начале у вас ничего толком не получалось. Вам приходилось с помощью своего сознания контролировать все свои движения, куда повернуть руль велосипеда или как поставить ноги, чтобы затормозить на лыжах. Но если вы были настойчивы, то через некоторое время у вас начинало получаться всё лучше и лучше, и в какой-то момент вы вдруг начинали просто ехать на велосипеде не думая о том, куда крутить руль, чтобы не упасть или начинали гонятся с клюшкой за шайбой, не думая как правильно ставить коньки, чтобы повернуть и не упасть. В вашей нервной системе сформировались необходимы нервные связи, которые разгрузили ваш мозг, а ваше тело приобрело соответствующие навыки.
На самом деле один из смыслов тренировок при занятии каким-либо спортом состоит как раз в формировании необходимых навыков, то бишь в создании и последующей оптимизации связей между нейронами, которые обеспечивают наиболее оптимальные движения для данного вида спорта. То, что обычно называется спортивной техникой. При этом чем раньше человек начинает заниматься тем или иным видом спорта, тем легче его нервной системе сформировать необходимые связи, поскольку она ещё не наполнена программами, как у взрослого человека. Именно поэтому сейчас наблюдается тенденция, что чем раньше ребёнок начинает заниматься тем или иным видом спорта, тем больше у него шансов добиться выдающихся результатов. К этому нужно также добавить, что при занятиях той или иной деятельностью нервная система будет не только перестраивать свои нервные связи, но также будет запускать процессы адаптации всего организма к данным условиям.
Процесс формирования связей и оптимизации структуры нейронной сети происходит не только для выполнения движений, но и вообще для любой деятельности, которую осуществляет нервная система и наш мозг. Если вы занимаетесь математикой и решаете много задач, то у вас также будет вырабатываться соответствующие навыки, ваша нейронная сеть перестроится и с какого-то времени вы будете решать задачи быстрее других. Часто вы даже будете знать ответ только посмотрев на условие задачи, ещё толком не успев его аналитически обосновать (это проверено мной на личном опыте). Аналогично формирование навыков, то есть необходимых связей в нейронной сети, происходит и при занятии музыкой, и при обучении рисованию, и вообще при любой деятельности. Обучаясь чему либо, мы постоянно программируем сами себя, меняя связи между нейронами.
Если проводить аналогию с современными компьютерами, то в начале мы решаем какую-либо задачу программно, используя ресурсы головного мозга, а если та или иная задача повторяется достаточно часто, то соответствующая программа переносится на аппаратный уровень, что резко сокращает время её выполнения.
При этом перестройка связей между нейронами происходит не в любой момент времени. Поскольку процесс этот весьма не быстрый, для того, чтобы перестраивать связи между нейронами, нам необходим регулярный сон. И именно в этом и состоит главная функция сна, о которой вы не прочитаете ни в одном учебнике или книге по медицине!
Та информация, которую наш мозг воспринимает во время бодрствования, принимается и сохраняется в виде набора электрических импульсов, которые распространяются в среде нейронов головного мозга. Это, если там можно выразиться, наша оперативная память. И хотя количество нейронов в головном мозге очень большое, наша оперативная память всё равно оказывается достаточно ограниченной и её необходимо периодически очищать. Именно этот процесс на самом деле и происходит во время сна. Бытует ошибочное мнение, что есть две фазы сна, медленная и быстрая. Это не совсем так. Согласно последним исследованиям различают четыре фазы медленного сна и одну фазу так называемого быстрого сна. Названия «медленная» и «быстрая» данные фазы получили из-за частоты основных мозговых волн, которые фиксируются у коры головного мозга во время той или иной фазы сна.
Общая суть происходящих во время сна процессов следующая. После засыпания происходит первичный анализ накопленной за день информации, во время которого принимается решение, какую информацию нужно сохранить надолго, какую нужно оставить на некоторое время, а какую можно забыть, как несущественную. Та информация, которую мы решили сохранить на некоторое время, так и останется в «оперативной памяти», то бишь в виде набора импульсов, которые распространяются между нейронами. Информация, которую решено забыть, просто стирается, а соответствующие нейроны освобождаются и переходят в режим ожидания. А с той информацией, которую было решено сохранить в долговременную память как важную, начинается дальнейшая работа.
На следующей фазе происходит составление плана перестройки связей между нейронами для того, чтобы запомнить необходимую информацию или навыки. При этом если информация запоминается в коре головного мозга, то навыки переносятся на уровень спинного мозга или даже периферической нервной системы, где и будут формироваться новые связи между нейронами. Когда программа перестройки готова, то наступает так называемая «четвёртая фаза» или глубокий медленный дельта-сон. Именно в этот момент одни связи между нейронами разрушаются, а другие формируются. То есть, ставшие ненужными или содержащие ошибки программы могут быть стёрты или скорректированы, а необходимые 