Крыса побежала бы в караоке: почему мозг любит и лень, и движение

Алгоритмы сохранения энергии и радости движения тесно вплетены в работу всего организма, а особенно мозга. Какие сети выстраивает он, чтобы мы не перенапрягались, но при этом учились, рассказывает в книге «Мозг и его потребности 2.0» доктор биологических наук, профессор Вячеслав Дубынин.

В списке жизненно важных витальных установок, помимо тех, что связаны с едой, безопасностью и гомеостазом, присутствуют программы экономии сил, которые порой называют алгоритмами лени. Их реализация тесно переплетается, с одной стороны, с состоянием утомления (запредельного торможения, по И. П. Павлову), с другой — с основополагающим принципом экономии ресурсов и энергии всяким живым организмом, начиная с бактерии. Принцип экономии вплетен в деятельность клеток организма человека (на химическом, молекулярном уровне), в работу всех систем нашего тела и, конечно, в функционирование мозга. Мы предполагаем, что в нервной системе в ходе реализации того или иного поведения импульсы, сигналы распространяются по нейронным цепям и сетям самым оптимальным, минимизирующим затраты энергии образом.

Как в известном принципе: «Кратчайшее расстояние между точками на плоскости — прямая». Такая оптимизация — результат эволюционного процесса, если речь идет о врожденных программах, либо итог дополнительной настройки и пластических изменений синапсов, если мы имеем дело с обучением. Как пример — процесс перехода от генерализации к специализации условного рефлекса,
описанный еще в работах Павлова. На электрофизиологическом уровне (корреляционный анализ ЭЭГ человека в ходе выработки сенсомоторного навыка) эти данные были получены во второй половине прошлого века академиком М. Н. Ливановым. Оптимизацию проведения сигналов, подавление активности лишних нейронов — участников этого процесса — можно наблюдать, анализируя алгоритм латерального торможения, на структурном и функциональном уровне присущий многим нейросетям, входящим в состав сенсорных и двигательных систем мозга. В синаптологии экономия ресурсов проявляется в форме так называемого прунинга — непрерывно идущего, прежде всего в коре больших полушарий, процесса разрушения малоактивных синапсов (от pruning — «обрезка»,
например, ветвей деревьев).

[…]

Сложновато? Ну, смотрите. Можно научить обезьяну, скажем, небольшую мартышку, дергать за рычаг и получать кусочек банана. Если в ее распоряжении будут два рычага, один из которых нажимать легко, а другой — тяжело, даже не надейтесь, что она примется заниматься фитнесом. Мартышка станет использовать тот рычаг, который легче повернуть. Мы постоянно поступаем аналогичным образом, начиная с того, что срезаем путь по газону, и кончая надеждой, что можно отложить и не делать какую-то работу именно сегодня (прокрастинация).

Это действительно порой именуется ленью и в тяжелом случае может нарушать все поведение и жизнь человека. Недаром великий Данте Алигьери поместил ленивых в пятый круг ада, то есть — достаточно глубоко.

Карта местности и траектория перемещений в пространстве

Программы экономии сил в яркой форме проявляют себя при сокращении пути. Напомню, что один из важнейших способов сбора новой информации — исследование доступной территории. Главная роль при этом принадлежит гиппокампу и окружающим его структурам, которые в числе прочих функций запоминают и эксплуатируют «карты местности». Норвежские нейрофизиологи Мэй-Бритт и Эдвард Мозеры и их американский коллега Джон О’Киф в 2014 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследования именно этой функции мозга у лабораторных крыс.

В их работе можно выделить несколько этапов. Еще в 1970-е годы выяснилось, что в тот момент, когда животное проходит предложенный учеными лабиринт, в его гиппокампе обучаются «нейроны места», которые формируют когнитивную карту экспериментальной камеры. Параллельно другие нейроны (не обязательно в гиппокампе) работают с информацией от систем мышечной и вестибулярной чувствительности, запоминая что-то вроде: «От входа в лабиринт мы прошли сначала полметра прямо, потом метр налево и дальше еще метр направо». Апофеозом работы этой системы является наложение друг на друга когнитивной и мышечной карт, а также учет глобальных ориентиров: положение Солнца и/или магнитного поля Земли, яркие метки на стенах экспериментальной комнаты. В природе это крупные камни, здания, деревья, берега водоемов и прочие значимые объекты. Таким образом, в мозге взаимодействуют текущая траектория движения и карта местности с привязанной к чему-то основополагающему системой координат. Точнее, даже несколько карт с разной степенью детализации. И когда нервная система проводит сопоставление таких «страниц атласа», появляется возможность сократить путь: уже не углами идти туда или обратно, а бежать по прямой, потому что нейросети все просчитали. А это явная экономия сил!

Исследователи, которые занимаются насекомыми, обнаруживают аналогичные поведенческие и нейрофизиологические феномены. Скажем, маленький пустынный муравей держит «в уме» карту радиусом 25 м от входа в гнездо и, найдя зернышко, бежит прямо домой, делая поправку на движение Солнца по небосводу. Уровень миниатюризации нервных процессов при этом потрясающий.

[…]

Радость движений

Еще одна важнейшая группа потребностей связана с нашими движениями. Хорошо выполненное движение — это ценно. Моторные навыки вплетаются во множество программ: исследования местности, защиты территории, состязания за лидерство или полового партнера. Быстро, четко, скоординированно двигаться — существенный компонент успешного поведения.

Чтобы описать роль удовольствия от движений в полной мере, надо кратко охарактеризовать базовый набор моторных актов, которые мы реализуем. Проще говоря, описать основные принципы наших телодвижений.

Выделяют четыре основных типа совершаемых нами движений:

1. Движения рефлекторные, возникающие в ответ на определенный стимул (стимулы); нервный сигнал идет по «открытой» рефлекторной дуге, имеющей начало и конец. Задели горячую сковородку — отдернули руку.

2. Движения локомоторные, связанные с перемещением в пространстве: шаг, бег, плавание. Сигнал в ЦНС циркулирует по замкнутому контуру нейронов, и этот процесс может повторяться очень долго. Например, у пловца, который бросил себе вызов и решил переплыть Ла-Манш.

3. Произвольные, к которым относятся новые движения в новых же условиях. Как правило, сопровождаются мощным потоком неизвестной ранее информации, поступающей в кору больших полушарий. В этом случае мотивирует не столько удовольствие от движений, сколько любопытство. Жил-жил человек 40 лет и вдруг решил научиться вязать крючком. Вот и новизна.

4. Автоматизированные движения, которыми управляет мозжечок и базальные ганглии. Являются результатом особого двигательного обучения, которое происходит, если мы многократно повторяем рефлекторные, локомоторные и произвольные моторные акты. Они позволяют нам двигаться все лучше и эффективнее, служат мощным источником положительных эмоций. Здорово же прокатиться на велосипеде, правда?

Мозжечок и базальные ганглии совместно с выделяющей дофамин черной субстанцией среднего мозга подталкивают нас тренироваться, по крайней мере до тех пор, пока наш организм еще не очень хорошо владеет моторными навыками. Поэтому дети (и детеныши высокоразвитых животных) двигаются гораздо охотнее, чем взрослые, получают от этого большее удовольствие и заодно учатся сокращать мышцы в правильном порядке с верной скоростью и необходимой силой. Правда, они об этом не знают, но их врожденная потребность совершать движения ими настойчиво руководит (кстати, напомню, что эту группу программ П. В. Симонов отнес к потребностям саморазвития). Трехлетке научиться кататься на коньках гораздо проще и быстрее, чем взрослому.

Рассмотрим для примера локомоцию. В основе локомоторных движений — врожденно существующие замкнутые контуры нервных клеток, облегчающие нам первые стадии обучения перемещениям в пространстве. Эти контуры работают, когда детеныш начинает ползать, ходить, бегать. Проходят дни и недели, и котенок или ребенок двигается все увереннее, все точнее и быстрее. Исходная моторная программа совершенствуется, и мы все эффективнее достигаем цели. Иными словами, по ходу накопления опыта реализации локомоции мозжечок и базальные ганглии формируют на базе врожденных программ гораздо более совершенные и порой фантастически разнообразные навыки: спортивные, танцевально-балетные.

Как я уже говорил, произвольные движения доставляют удовольствие в значительной степени благодаря новизне. При этом даже простое произвольное движение, как правило, является  комплексом последовательных и параллельных действий. Например, чтобы всего лишь дотянуться до журнала, лежащего на столе, мы должны одновременно управлять мышцами плечевого и локтевого суставов, туловища, кисти плюс осуществлять визуальный и тактильный контроль результата движения: в правильном ли направлении перемещается рука, удалось ли прикоснуться к журналу. Это довольно сложные программы, и если они реализуются впервые, то требуют от нейросетей коры больших полушарий (прежде всего от лобной доли) мощной и генерализованной активации, серьезной вовлеченности в процесс (на субъективном уровне — мощной концентрации внимания). Вспомните, как сосредоточенно младенец пытается дотянуться до погремушки или же вы сами стараетесь попасть ниткой в игольное ушко. Видимо, для того, чтобы разгрузить кору больших полушарий от реализации столь сложных задач, в ходе эволюции возникли механизмы автоматизации произвольных (а заодно и рефлекторных, и локомоторных) движений.

Произвольное движение разворачивается в лобной доле в два этапа. Этап номер один — превращение общей двигательной программы в последовательность действий. Например, ставится задача: «Хочу взять лежащий на столе карандаш». Какие маневры будут входить в ее состав? Наклониться вперед, разогнуть плечо и локоть, разогнуть пальцы. Затем, после прикосновения к карандашу, согнуть пальцы и руку. Информация о составляющих программу действиях не только широко распространяется (иррадиирует) по лобной доле, но и передается к двигательным областям базальных ганглиев: полосатое тело, бледный шар.

Дальше происходит второй этап запуска программы: каждое действие превращается в набор конкретных движений и мышечных сокращений. Ведь даже разогнуть локоть — это на самом деле не очень-то простая задача. Нужно, чтобы нейроны моторной коры по пирамидному тракту отдали команды десяткам и сотням мотонейронов спинного мозга — прежде всего, чтобы наш трицепс с правильной силой и скоростью сократился. Информацию о том, как превратить общую программу некоторого действия в очень конкретные сокращения определенных мышц, фиксирует мозжечок: точнее, его новая часть. По мере того как мы повторяем произвольные движения, базальные ганглии и мозжечок запоминают, как это делать хорошо, эффективно и четко. В итоге весь процесс автоматизируется.

Если мы много раз повторили какое-то движение, коре больших полушарий достаточно сказать: «Хочу сделать это! Но как?» — мозжечок и базальные ганглии уже знают ответ. При этом успешное выполнение движений сопровождается выделением дофамина — нейромедиатора, который, как вы помните, связан с появлением различных положительных эмоций.

Напомню, что в случае новизны дофамин вырабатывают нейроны, находящиеся в вентральной покрышке среднего мозга. При удовольствии от движения дофамин синтезируется клетками черной субстанции среднего мозга. Аксоны клеток черной субстанции (точнее, ее дофаминергической компактной части) идут в базальные ганглии — скорлупу и хвостатое ядро, входящие в состав полосатого тела (стриатума). Можно предположить, что человек, у которого черная субстанция вырабатывает много дофамина, не только активен и энергичен, но ему еще и нравится это все. Танцевать, заниматься спортом, идти вприпрыжку. Или подражать кому-то — и тоже радоваться. Введение молекул — психомоторных стимуляторов, активирующих эту систему, — усиливает двигательную активность и радость движений. Но, как легко догадаться, такие соединения (амфетамины, например) являются одновременно и весьма серьезными наркотиками. Белые крысы при введении умеренных доз амфетаминов тоже начинают много и «радостно» двигаться как заведенные.

Как радуются крысы, спросите вы? В качестве таких проявлений специалисты рассматривают короткие, быстрые перемещения в пространстве, внезапные прыжки, вполне характерные для игр детенышей — но не для взрослого и солидного грызуна. Что-то подобное наблюдается также у крыс и человека при действии малых доз алкоголя, которые с высокой вероятностью способны вызывать психомоторную стимуляцию через активацию дофаминергической системы мозга. В общем, если бы умела, крыса наверняка отправилась бы петь в караоке.

Если компактная часть черной субстанции повреждается (к сожалению, это довольно распространенная проблема), возникает заболевание, носящее название паркинсонизм. При этом у человека постепенно развиваются двигательные нарушения. При болезни Паркинсона в качестве лекарственных препаратов используют молекулы, похожие на дофамин (агонисты рецепторов дофамина), либо, чаще, молекулы, превращающиеся в мозге в дофамин («предшественники дофамина», это прежде всего L-дофа).

Радость движения — дофаминовая радость. Гулять, бегать, танцевать или, как в Китае, заниматься ушу — это все стимуляция выделения дофамина, способ получать положительные эмоции и противостоять депрессии.

Осваивая новые движения, мы в любом возрасте способны мощно активизировать нейросети, что приносит им огромную пользу, улучшает внимание, память и даже позволяет противостоять нейродегенерациям. Так что двигайтесь, сколько бы вам ни было лет, — это продлевает жизнь!

Подробнее о книге «Мозг и его потребности 2.0» читайте в базе «Идеономики».