Нейроны находятся очень близко друг к другу. Это зрелище напоминает дремучий лес, где ветки и корни каждого дерева касаются корней и веток соседних деревьев (такие соединения называются «синапсы»), и по этим ветками и корням передаются импульсы. Нейроны, которые можно назвать вышестоящими, передают электрическое возбуждение соседним, или нижестоящим. Обычно каждому нижестоящему нейрону нужно несколько вышестоящих раздражителей, чтобы достичь некоторого уровня собственного возбуждения, превышающего критический предел, или пороговую величину. Когда нейрон получает раздражение, цепочка импульсов сначала проходит вдоль его собственного аксона, а затем – в дендриты, откуда заряд передается в соседние клетки и участвует в их возбуждении. Ни один импульс не может возбудить нижестоящую клетку сам по себе, каждый импульс участвует в создании общей напряженности, благодаря которому клетка сможет в той или иной степени возбудиться в ответ на другие импульсы.

Развитие теории, объясняющей, как зарождаются нейронные электрические импульсы, как они передаются вдоль аксона и как активируют другой нейрон, – одно из самых больших достижений науки ХХ века. Эту теорию подробно пересказывали уже много раз. Если коротко, то каждый нейрон покрыт полупроницаемой мембраной, которая удерживает внутри клетки одни химические элементы и не пропускает в нее другие. Химические частицы – они называются ионами – несут в себе небольшой электрический заряд – положительный либо отрицательный. И мембрана, в ее обычном состоянии, выборочно пропускает ионы, причем таким образом, чтобы поддерживать электрохимический градиент – разность потенциалов между внутренним пространством клетки и жидкостью, которая ее окружает. Однако под влиянием других химических веществ – нейромедиаторов, которые могут высвобождаться в синаптическую жидкость вокруг клетки, – пропускная способность мембраны меняется, и заряженные ионы могут свободно проходить сквозь нее. Этот процесс инициирует цепь биохимических реакций, благодаря чему возникает электрический разряд, или потенциал действия, который проходит от одного конца нейрона до другого.

Потенциалы действия происходят спонтанно с более или менее регулярными интервалами: нервные клетки никогда не бывают в состоянии покоя. Они активны, даже когда мы спим. Но схема и частота разрядов существенно зависит от реакций в синапсах. Электрический сигнал, который приходит в синапс от вышестоящей клетки, высвобождает нейромедиаторы в пространство между этой клеткой и нижестоящей. Молекулы медиаторов свободно перемещаются в данном пространстве и связываются с рецепторами на выпускающей стороне мембраны, заставляя ее, в свою очередь, позволить потоку заряженных ионов проникнуть в клетку и спровоцировать еще один потенциал действия. Раздражение, которое один нейрон передает другому, может быть тормозным, то есть предотвращать потенциал действия в соседней клетке, или возбуждающим.

Каждая клетка может получить раздражение из многочисленных источников, число которых достигает 20 000, поэтому нейронный лес очень напоминает непроходимые джунгли. По приблизительным оценкам, только во внешней мантии головного мозга, или в коре, возможно образование порядка 1 000 000 000 связей. Если бы мы могли аккуратно разложить все содержимое мозга, мы бы увидели, что на одну сторону приходят все «входящие звонки» внутренних и внешних ощущений, а с другой выходят сигналы и команды мускулам и железам организма. В середине находится клубок живых проводков, погруженный в сложный и постоянно меняющийся раствор химических веществ. Он объединяет и распределяет все сообщения, которые идут от одной стороны нейронной сети к другой, проходя путь по множеству извилистых каналов с ответвлениями в разные стороны.

Электрические связи между нейронами постоянно изменяются вследствие приобретения жизненного опыта. Клетки, которые изначально были «чужими» и практически «не слышали» друг друга, могут наладить очень тесное общение, и если раньше им приходилось «кричать», чтобы привлечь внимание соседней клетки, то теперь достаточно «сказать шепотом». Один из способов увидеть, как приобретенный опыт влияет на постоянный поток нейронной информации, – посмотреть, как физически растут дендриты. Было отмечено, что у животных, жизнь которых разнообразна и полна внешних раздражителей, нейроны гораздо более «кустистые», чем у тех, кто живет скучно и однообразно. Общее количество синапсов может увеличиваться. А еще может усиливаться синаптическая передача между нейронами, но это уже совсем другой процесс, который называется «долговременная потенциация» (LTP)[23]. Когда нейромедиаторы высвобождаются в синаптический канал между вышестоящим (активным) и нижестоящим (временно неактивным) нейронами, в мембране нижестоящей клетки открываются поры, чтобы впустить заряженные ионы. Однако другие участки, так называемые НМДА-рецепторы, сначала сжаты плотнее и открываются только в том случае, если будут подвергнуты довольно сильной и продолжительной стимуляции. Но если они однажды открываются, то дальше их уже не придется столь долго «убеждать». Некоторое время после того, как поры НДМА были подвергнуты сильной стимуляции, они смогут ответить и на более слабый сигнал. Это один из основных механизмов мозга, благодаря которому возможно обучение{129}.

Рис. 8. Традиционное изображение нейрона (публикуется с разрешения журнала Scientific American)

Одним из первых исследователей мозга был Дональд Хебб. В своей основной книге «Организация поведения», изданной в 1949 году, он писал: «Если аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбудить клетку B, и неоднократно или постоянно принимает участие в ее возбуждении, то наблюдается некоторый процесс роста или метаболических изменений в одной или обеих клетках, ведущий к увеличению эффективности А как одной из клеток, возбуждающих В»{130}. Или, если говорить о таких клетках менее формально, они «вместе поют, вместе растут».

Очень важной особенностью долговременной потенциации является специфичность, или избирательность. Каждый нейрон получает импульс от огромного количества других клеток. Однако если благодаря LTP он начинает легче реагировать на определенную соседнюю клетку, он не становится ближе и более связанным с другими. Получается, существуют механизмы, которые обеспечивают развитие определенных путей между группами нейронов. У новорожденного младенца уже существуют определенные генетически рамки, которые задают общую структуру мозга. Однако многие связи остаются неустойчивыми. Мозг напоминает огромный лекционный зал в начале учебного года – там много студентов, они еще не знают друг друга, но предвкушают новые знакомства. Через несколько недель студенты становятся членами разных небольших групп: это спортивные секции, клубы по интересам, учебные группы и т. п. Точно так же каждый нейрон мозга принадлежит разным группам – кластерам, каждый из которых связан с другими так, что, если начать раздражение или стимуляцию одного нейрона или небольшого кластера, это воздействует на всех остальных. И одна из главных причин, почему они стараются объединиться в группы, состоит в том, что только так они могут действовать одновременно. Связи становятся более избирательными, и информация начинает поступать по более устоявшимся каналам через всю нейронную сеть.