Мозг: прошлое и будущее. Что делает нас теми, кто мы есть - страница 15

. Отчасти сходство, подтолкнувшее фон Неймана к таким параллелям, очевидно. И мозг, и компьютер, как известно, зависят от электричества. Биоэлектрическую активность нервной системы можно зарегистрировать даже удаленно при помощи электродов, размещенных вне мозговых клеток и даже вне головы, так что биоэлектрическая активность служит особенно наглядным показателем мозговой деятельности. Если вам когда-нибудь делали электроэнцефалографию (ЭЭГ), то вы наблюдали это явление в действии: к коже головы прикрепляли тоненькие проводки (или надевали шапочку с ними), после чего считывали данные об электрической активности мозга. Электроэнцефалограмма позволяет распознать признаки эпилепсии, мигрени и других расстройств.

Электрические сигналы мозга обусловлены крошечными перепадами напряжения на мембранах, окружающих нейроны, – как перепады между клеммами батарейки (см. рис. 2). Но, в отличие от батареек, трансмембранные перепады напряжения (мембранные потенциалы) динамически колеблются в зависимости от времени, поскольку через клеточную мембрану течет поток электрически заряженных молекул – ионов. Если напряжение нейронной мембраны колеблется сильнее 20 милливольт относительно уровня, когда клетка находится в покое, может возникнуть гораздо более сильный всплеск напряжения – так называемый потенциал действия, или спайк. Во время потенциала действия ионы мечутся туда-сюда по крошечным канальцам в мембране, и напряжение нейрона меняется примерно на 100 милливольт и возвращается к исходной величине всего за несколько миллисекунд. Если у нейрона возникают такие всплески электрической энергии, мы говорим, что он «стреляет». Потенциалы действия распространяются по нервным волокнам быстрее мчащегося гепарда – благодаря этому разные участки мозга способны взаимодействовать с достаточной скоростью, чтобы обеспечивать восприятие и когнитивные функции[72]. Большинство нейронов выстреливает потенциалами действия с частотой от нескольких в секунду до около 100 в секунду[73]. В этом отношении нейронные потенциалы действия напоминают электрические импульсы, приводящие в действие наши модемы и роутеры и позволяющие нашим компьютерам и другим цифровым устройствам производить вычисления и налаживать связь друг с другом. Измерения этой электрофизиологической активности – основа экспериментальной нейрофизиологии, а электрические сигналы часто считают языком, на котором клетки мозга разговаривают друг с другом – этакой мозговой lingua franca[74].

Рис. 2. «Электронно-вычислительные» аналогии с функционированием мозга. Вверху: зависимость трансмембранного потенциала от времени при потенциале действия, на врезке показана модельная электрическая схема, которая позволяет рассчитать этот процесс с точки зрения обычной электротехники. На основе работы A. L. Hodgkin, A. F. Huxley; внизу слева: нервная структура гиппокампа, иллюстрация знаменитого нейроанатома Камилло Гольджи; внизу справа: плата памяти современного компьютера (по лицензии Adobe Stock)

Есть в мозгах и электрические нейронные сети, чем-то напоминающие интегральные микросхемы в компьютерах. Нейронные сети – это группы нейронов, соединенных между собой синапсами. Многие нейрофизиологи считают синапсы самыми фундаментальными единицами нейронных связей, поскольку синапсы модулируют нервные сигналы при переходе от клетки к клетке. В этом смысле синапсы напоминают транзисторы – атомарные элементы устройства компьютера, которые то включаются, то выключаются и регулируют поток электрического тока при цифровой обработке сигналов. Человеческий мозг содержит миллиарды нейронов и триллионы синапсов – гораздо больше, чем транзисторов в обычном персональном компьютере в наши дни