10 интересных фактов о нашем мозге
“Нейрохирургия — в мелочах”, — сказал доктор-нейрохирург Алексей Ерошкин в интервью для Doc.ua. Суть этой фразы кроется в том, что на самом деле мелочей нет, ведь их слаженная работа обеспечивает правильное функционирование головного мозга человека.
Мозг — один из самых малоизученных органов человека. Ведь даже для опытного нейрохирурга мозг — загадка. Ниже мы собрали 10 интересных фактов, которые помогут узнать о нем немного больше.
1. Объем памяти мозга неограничен
В мозге, в отличие от компьютеров и телефонов, место никогда не заканчивается. Невозможно узнать настолько много информации, чтобы не было куда ее разместить. Важно только помнить, что мозгу необходимо высыпаться, чтобы лучше запоминать новую информацию.
2. Мозг не устает от интеллектуальной работы
Чувство усталости и апатии появляются только из-за эмоций и переживаний. При умственной работе состав крови, проходящий через мозг, не меняется.
3. Влюбленность можно увидеть на фМРТ
Кто-то считает, что влюбленность — это состояние души человека. Но на самом деле, когда человек влюблен, в мозге происходят изменения. Если сделать фМРТ, то на снимках будет заметно как «загораются» места, в которых присутствует дофамин — нейромедиатор, вызывающий приятные ощущения.
4. Мозг не чувствует боль
В мозге нет болевых рецепторов. Они присутствуют только в мозговых оболочках и кровеносных сосудах. К примеру, когда человек испытывает головную боль, болит вовсе не сам мозг, а окружающие его ткани.
5. Мозг состоит на 60% процентов из жиров
Мозг — орган, в котором содержится больше всего жиров. Поэтому для его здоровья так необходима диета, богатая полезными жирами (омега-3 и омега-6). Они укрепляют стенки мозговых клеток, а также переносят и хранят жирорастворимые витамины.
6. Мозг не может существовать ни без кислорода, ни без глюкозы
Нервным клеткам необходимы эти два вещества для функционирования и выживания.
Если в течение 3–5 минут мозг не получает достаточно кислорода или глюкозы, в нём происходят необратимые нарушения. Доказано, что смерть практически никогда не бывает мгновенной. Пока в клетках мозга еще есть кислород и глюкоза, он не погибает ещё в течение нескольких минут.
7. Мозг генерирует от 25 000 до 50 000 мыслей в день
Подсчитано, что у большинства людей 70% этих мыслей отрицательные. Кроме того, более 100 000 химических реакций происходят в мозгу каждую секунду.
8. Разные части мозга отвечают за разные функции
Задумывались ли вы когда-либо, что произойдет у человека с сознанием, если удалить часть мозга? Резекция тех или иных отделов будет сопровождаться утратой какой-то из функций мозга, ведь разные его части, на самом деле, отвечают за разные функции, начиная от движений в руках, заканчивая речью.
9. У мозга есть немые зоны
Действительно, так называемые “немые” зоны мозга, которые не отвечают за важные функции, существуют. Только на первый взгляд кажется, что после резекции этих зон, мы не увидим утраты функций человека.
На самом деле, свободных зон нет, в разной степени все отделы головного мозга активны. Пример этому наводит врач-нейрохирург в своем интервью для Doc.ua, которое можно посмотреть ниже.
10. Мы используем мозг не на 100%?
Правда ли что мозг человека при всех этих фактах работает всего на 9%? Некоторые люди и ученые, включая даже Альберта Эйнштейна, полагают, что мы используем мозг на 9%. Алексей Ерошкин утверждает, что это миф, потому как мозг работает на все 100% круглосуточно и находится в функциональной активности на протяжении всей жизни, даже когда мы спим. Но, если мы говорим об интеллектуально-мнестических особенностях (мыслительных) — тогда это индивидуально и зависит от развитости полей головного мозга. Чем больше человек работает над развитием своих интеллектуальных способностей, тем больше объем головного мозга он может включать в работу. В этом потенциал не ограничен. Как именно развивать эти способности Алексей Ерошкин поделился в нашем видео.
Более детально об этом вопросе, а также о других вы узнаете из специального интервью для Doc.
ua.
Справка DOC.ua: Записаться на прием к врачу-нейрохирургу можно на сайте.
Мозг человека под ЛСД впервые рассмотрели в МРТ
Британские нейрофизиологи провели первые в истории исследования активности мозга человека, находящегося под действием ЛСД, с помощью МРТ. Эта активность резко вырастает и становится менее упорядоченной; связно работают области мозга, в норме действующие по отдельности. Результаты работы публикует журнал Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), также о них рассказывает пресс-релиз Имперского колледжа Лондона.
С тех пор как ЛСД был включен в список запрещенных наркотических средств, исследований этого препарата практически не проводилось. Поэтому недавняя работа группы ученых во главе с известным нейрофизиологом, исследователем и сторонником декриминализации некоторых наркотиков Дэвидом Наттом (David Nutt), стала первой попыткой «увидеть» происходящее в мозге человека под действием ЛСД.
«Диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД) – классический психоделический наркотик, – пишут авторы, – однако его воздействие на человеческий мозг еще ни разу не исследовалось с помощью современных методов нейровизуализации». Поэтому, отобрав 20 добровольцев, ученые воспользовались сразу тремя методами наблюдения за работой мозга, недоступными исследователям до запрета работ с ЛСД более 40 лет назад.
Магнитно-резонансная томография с мечением артериального спина (ASL) позволила изучить мозговой кровоток. Функциональная МРТ с BOLD-контрастом помогла наблюдать содержание окисленного и восстановленного гемоглобина, следя за потреблением кислорода – а значит, и активностью отдельных областей мозга.
Наконец, с помощью магнитэнцефалографии (МЭГ) отслеживалась электрическая активность нейронов. Измерения проводились после приема 75 мкг наркотика, а также плацебо.
Существенные изменения под влиянием ЛСД наблюдались в работе сети пассивного режима работы мозга (Default Mode Network, DMN) – обширной нейронной сети, которая связывает ряд анатомически разделенных областей, не связана с решением какой-либо определенной задачи и остается активной в состоянии покоя. Функции DMN остаются неясными, но некоторые специалисты подозревают, что в ее работе может крыться главная загадка нашего мозга – возникновение феномена сознания. Эти предположения получили некоторое подтверждение в новой работе: рассинхронизация работы нейронов DMN коррелировала с субъективными оценками подопытных, сообщавших о «растворении личности», «потере «я»» (Self Dissolution). Параллельно этому МЭГ обнаружил и ослабление волновых альфа-ритмов мозга, которые проявляются у взрослых в спокойном бодрствующем состоянии.
Однако в целом активность нейронов под действием ЛСД резко возрастала и становилась более однородной по всему мозгу, усиливались связи между областями, которые обычно работают более или менее независимо. Один из авторов работы Робин Кэрхарт–Харрис (Robin Carhart-Harris) пояснил: «В норме мозг работает как набор независимых нейронных сетей, выполняющих различные специализированные функции, такие как зрение, движение или слух – или более сложные, такие как внимание. Однако под ЛСД разделение этих сетей исчезает, и мы видим более связный, более унифицированный мозг».
Усложнение нейронных сетей головного мозга, усиление специализации его областей и укрепление связей между ними происходят по мере взросления и созревания. Поэтому активность мозга человека под ЛСД авторы сравнивают с работой мозга младенца.
Усиление связей между областями мозга, которые обычно работают независимо, видимо, лежит и в основе ярких галлюцинаций, сопровождающих прием ЛСД. В самом деле, исследование показало, что первичная зрительная кора (V1), которая в норме связана, прежде всего, с регионами, занятыми обработкой визуальных стимулов, начинает активно коммуницировать и с другими областями, обычно этой работой не занятыми.
Степень этой активности также коррелировала с сообщениями подопытных о переживании галлюцинаций.
Эксперименты команды Дэвида Натта – видимо, после его знаменитых и скандальных исследований эффектов другого наркотического средства, псилоцибина, – не получили финансирования от официальных организаций. Поддержку им оказали обычные люди: британский Фонд Бекли организовал общественную кампанию по сбору средств и набрал необходимую сумму (порядка 25 тыс. фунтов стерлингов) с помощью краудфандинговой платформы Walacea.com. Глава фонда Аманда Филдинг (Amanda Feilding) сказала: «Наконец, мы начинаем раскрывать механизмы, лежащие в основе действия ЛСД – не только в плане лечения, но и углубляя наше понимание самого феномена сознания».
Роман Фишман
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Почему человеческий мозг настолько эффективен?
Мозг сложен; у людей он состоит примерно из 100 миллиардов нейронов, образующих порядка 100 триллионов соединений.
Его часто сравнивают с другой сложной системой, обладающей огромной способностью решать проблемы: цифровым компьютером. И мозг, и компьютер содержат большое количество элементарных единиц — соответственно нейронов и транзисторов, — которые соединены в сложные цепи для обработки информации, передаваемой электрическими сигналами. На глобальном уровне архитектуры мозга и компьютера похожи друг на друга, состоящие в основном из отдельных цепей для ввода, вывода, центральной обработки и памяти. 1
У кого больше возможностей для решения проблем — у мозга или компьютера? Учитывая стремительное развитие компьютерных технологий в последние десятилетия, можно подумать, что у компьютера есть преимущество. Действительно, компьютеры были построены и запрограммированы, чтобы побеждать мастеров-людей в сложных играх, таких как шахматы в 1990-х годах и недавно Го, а также в конкурсах энциклопедических знаний, таких как телешоу Jeopardy! Однако на момент написания этой книги люди побеждают компьютеры в выполнении многочисленных задач реального мира — от идентификации велосипеда или конкретного пешехода на многолюдной городской улице до попытки взять чашку чая и плавно поднести ее к губам, не говоря уже о концептуализация и творчество.
Так почему компьютер хорошо справляется с одними задачами, а мозг лучше справляется с другими? Сравнение компьютера и мозга было поучительным как для компьютерных инженеров, так и для нейробиологов. Это сравнение началось на заре современной компьютерной эры в небольшой, но глубокой книге под названием «Компьютер и мозг » Джона фон Неймана, эрудита, который в 1940-х годах первым разработал компьютерную архитектуру, которая до сих пор является основой большинства современных компьютеров сегодня. 2 Давайте посмотрим на некоторые из этих сравнений в цифрах (Таблица 1).
Компьютер имеет огромные преимущества перед мозгом в скорости выполнения основных операций. 3 В настоящее время персональные компьютеры могут выполнять элементарные арифметические операции, такие как сложение, со скоростью 10 миллиардов операций в секунду. Мы можем оценить скорость элементарных операций в мозгу по элементарным процессам, посредством которых нейроны передают информацию и общаются друг с другом.
Например, нейроны «запускают» потенциалы действия — всплески электрических сигналов, которые инициируются вблизи тел нейронов и передаются по их длинным отросткам, называемым аксонами, которые соединяются с нижестоящими нейронами-партнерами. Информация закодирована в частоте и времени этих всплесков. Самая высокая частота возбуждения нейронов составляет около 1000 импульсов в секунду. В качестве другого примера, нейроны передают информацию своим нейронам-партнерам, в основном, высвобождая химические нейротрансмиттеры в специализированных структурах на окончаниях аксонов, называемых синапсами, а их нейроны-партнеры преобразуют связывание нейротрансмиттеров обратно в электрические сигналы в процессе, называемом синаптической передачей. Самая быстрая синаптическая передача занимает около 1 миллисекунды. Таким образом, с точки зрения спайков и синаптической передачи мозг может выполнять не более тысячи основных операций в секунду, или в 10 миллионов раз медленнее, чем компьютер. 4
Компьютер также имеет огромные преимущества перед мозгом в точности основных операций.
Компьютер может представлять количества (числа) с любой желаемой точностью в соответствии с битами (двоичными цифрами или 0 и 1), присвоенными каждому числу. Например, 32-битное число имеет точность 1 из 232 или 4,2 миллиарда. Эмпирические данные свидетельствуют о том, что большинство величин в нервной системе (например, частота возбуждения нейронов, которая часто используется для представления интенсивности стимулов) имеют изменчивость в несколько процентов из-за биологического шума или точность 1 к 100 при лучшее, что в миллионы раз хуже компьютера. 5
Профессиональный теннисист может отслеживать траекторию мяча, подаваемого на скорости до 160 миль в час.
Однако расчеты, выполняемые мозгом, не являются ни медленными, ни неточными. Например, профессиональный теннисист может проследить траекторию движения теннисного мяча после того, как мяч будет подан со скоростью 160 миль в час, переместиться в оптимальное место на корте, расположить руку и взмахнуть ракеткой в нужное положение.
вернуть мяч на площадку соперника за несколько сотен миллисекунд. Более того, мозг может выполнять все эти задачи (с помощью управляемого им тела) с энергопотреблением примерно в десять раз меньшим, чем персональный компьютер. Как мозг достигает этого? Важным различием между компьютером и мозгом является способ обработки информации в каждой системе. Компьютерные задачи выполняются в основном последовательно. Это видно по тому, как инженеры программируют компьютеры, создавая последовательный поток инструкций. Для этого последовательного каскада операций необходима высокая точность на каждом этапе, поскольку ошибки накапливаются и усиливаются на последовательных этапах. Мозг также использует последовательные шаги для обработки информации. В примере с возвращением в теннис информация поступает от глаза в головной мозг, а затем в спинной мозг, чтобы контролировать сокращение мышц ног, туловища, рук и запястий.
Но мозг также использует массовую параллельную обработку, используя преимущества большого количества нейронов и большого количества связей, которые создает каждый нейрон.
Например, движущийся теннисный мяч активирует многие клетки сетчатки, называемые фоторецепторами, задачей которых является преобразование света в электрические сигналы. Затем эти сигналы передаются на множество различных типов нейронов сетчатки параллельно. К тому времени, когда сигналы, исходящие от фоторецепторных клеток, проходят через два-три синаптических соединения в сетчатке, информация о местонахождении, направлении и скорости мяча извлекается параллельными нейронными цепями и передается параллельно в мозг. Точно так же моторная кора (часть коры головного мозга, отвечающая за произвольный двигательный контроль) параллельно посылает команды для управления сокращением мышц ног, туловища, рук и запястий, так что тело и руки одновременно хорошо расположен для приема входящего мяча.
Эта массово-параллельная стратегия возможна, потому что каждый нейрон собирает входные данные и посылает выходные данные многим другим нейронам — в среднем порядка 1000 для входных и выходных данных для нейрона млекопитающего.
(Напротив, каждый транзистор имеет только три узла для ввода и вывода вместе взятых.) Информация от одного нейрона может быть доставлена по многим параллельным нисходящим путям. В то же время многие нейроны, обрабатывающие одну и ту же информацию, могут объединять свои входные данные с одним и тем же нижестоящим нейроном. Это последнее свойство особенно полезно для повышения точности обработки информации. Например, информация, представленная отдельным нейроном, может быть зашумлена (скажем, с точностью 1 к 100). Взяв среднее значение входных данных от 100 нейронов, несущих одинаковую информацию, общий нейрон-партнер ниже по течению может представлять информацию с гораздо большей точностью (в данном случае примерно 1 из 1000). 6
Компьютер и мозг также имеют сходства и различия в режиме передачи сигналов их элементарных единиц. Транзистор использует цифровую сигнализацию, которая использует дискретные значения (0 и 1) для представления информации. Спайк в аксонах нейронов также является цифровым сигналом, поскольку нейрон либо запускает, либо не запускает спайк в любой момент времени, и когда он срабатывает, все спайки имеют примерно одинаковый размер и форму; это свойство способствует надежному распространению шипа на большие расстояния.
Однако нейроны также используют аналоговую сигнализацию, которая использует непрерывные значения для представления информации. Некоторые нейроны (как и большинство нейронов нашей сетчатки) не имеют спайков, и их выход передается градуированными электрическими сигналами (которые, в отличие от спайков, могут непрерывно изменяться по размеру), которые могут передавать больше информации, чем спайки. Приемный конец нейронов (прием обычно происходит в дендритах) также использует аналоговую передачу сигналов для интеграции до тысяч входных данных, что позволяет дендритам выполнять сложные вычисления. 7
Ваш мозг в 10 миллионов раз медленнее компьютера.
Еще одно характерное свойство мозга, которое явно проявляется в примере с возвратом услуг из тенниса, заключается в том, что сила связи между нейронами может изменяться в ответ на активность и опыт — процесс, который, по широко распространенному мнению нейробиологов, быть основой для обучения и памяти.
Повторяющееся обучение позволяет нейронным цепям лучше конфигурироваться для выполняемых задач, что приводит к значительному повышению скорости и точности.
За последние десятилетия инженеры черпали вдохновение в мозге, чтобы улучшить дизайн компьютеров. Принципы параллельной обработки и изменения силы соединения в зависимости от использования были включены в современные компьютеры. Например, повышенный параллелизм, такой как использование нескольких процессоров (ядер) в одном компьютере, является современной тенденцией в разработке компьютеров. В качестве другого примера, «глубокое обучение» в области машинного обучения и искусственного интеллекта, которое в последние годы добилось большого успеха и объясняет быстрый прогресс в распознавании объектов и речи на компьютерах и мобильных устройствах, было вдохновлено открытиями зрительных органов млекопитающих. система. 8 Как и в зрительной системе млекопитающих, глубокое обучение использует несколько уровней для представления все более абстрактных функций (например, визуального объекта или речи), а веса связей между различными слоями регулируются путем обучения, а не проектируются инженерами.
Эти недавние достижения расширили репертуар задач, которые способен выполнять компьютер. Тем не менее, мозг обладает большей гибкостью, обобщаемостью и способностью к обучению, чем современный компьютер. По мере того как нейробиологи раскрывают все больше секретов мозга (чему все больше помогает использование компьютеров), инженеры могут черпать больше вдохновения из работы мозга для дальнейшего улучшения архитектуры и производительности компьютеров. Кто бы ни оказался победителем в конкретных задачах, эти междисциплинарные взаимообогащения, несомненно, будут способствовать развитию как нейронауки, так и компьютерной инженерии.
Лицюнь Луо — профессор Школы гуманитарных и естественных наук, а также профессор нейробиологии в Стэнфордском университете.
Автор выражает благодарность Итану Ричману и Цзин Сюн за критику и Дэвиду Линдену за квалифицированное редактирование.
Ликун Луо, опубликовано в журнале Think Tank: Forty Scientists Explore the Biological Roots of Human Experience, под редакцией Дэвида Дж.
Линдена и опубликовано издательством Yale University Press.
Сноски
1. Это эссе было адаптировано из раздела вводной главы Luo, L. Principles of Neurobiology (Garland Science, New York, NY, 2015) с разрешения.
2. фон Нейман, Дж. Компьютер и мозг (Издательство Йельского университета, Нью-Хейвен, Коннектикут, 2012), 3-е изд.
3. Паттерсон, Д.А. & Hennessy, JL Computer Organization and Design (Elsevier, Amsterdam, 2012), 4-е изд.
4. Здесь предполагается, что арифметические операции должны преобразовывать входные данные в выходные, поэтому скорость ограничена базовыми операциями нейронной коммуникации, такими как потенциалы действия и синаптическая передача. Есть исключения из этих ограничений. Например, нейроны без спайков с электрическими синапсами (соединения между нейронами без использования химических нейротрансмиттеров) в принципе могут передавать информацию быстрее, чем ограничение примерно в одну миллисекунду; то же самое можно сказать и о событиях, происходящих локально в дендритах.
5. Шум может отражать тот факт, что многие нейробиологические процессы, такие как высвобождение нейромедиаторов, носят вероятностный характер. Например, один и тот же нейрон может не давать идентичных паттернов спайков в ответ на одинаковые стимулы в повторных испытаниях.
6. Предположим, что стандартное отклонение среднего значения (σmean) для каждого входа приблизительно равно шуму (оно отражает ширину распределения в тех же единицах, что и среднее значение). Для среднего значения n независимых входных данных ожидаемое стандартное отклонение средних равно σmean = σ / √• n . В нашем примере σ = 0,01, а n = 100; таким образом, σmean = 0,001.
7. Например, дендриты могут действовать как детекторы совпадений для суммирования почти синхронных возбуждающих входных сигналов от многих различных вышестоящих нейронов. Они также могут вычитать тормозной вход из возбуждающего. Присутствие потенциалзависимых ионных каналов в некоторых дендритах позволяет им проявлять «нелинейные» свойства, такие как усиление электрических сигналов помимо простого сложения.
8. ЛеКун Ю. Бенжио Ю. и Хинтон Г. Глубокое обучение. Природа 521 , 436–444 (2015).
Lead Art Кредиты: Фото 12 / Участник / Getty Images; Википедия
Получайте информационный бюллетень Nautilus
Самые новые и самые популярные статьи доставляются прямо на ваш почтовый ящик!
Забавные факты
Мозг взрослого человека весит около 3 фунтов (1300-1400 г).Мозг взрослого человека составляет около 2% от общей массы тела.
Мозг слона весит около 6000 г.
Мозг кошки весит около 30 г.
Средний человеческий мозг имеет ширину 140 мм.
Средняя длина человеческого мозга составляет 167 мм.
Средний человеческий мозг имеет высоту 93 мм.
Человеческий мозг насчитывает около 86 000 000 000 (86 миллиардов) нейронов.
Нервная система осьминога насчитывает около 500 000 000 нейронов, из которых две трети из этих нейронов расположены в руках осьминога.
Общая площадь поверхности коры головного мозга составляет около 2500 кв.
см (~2,5
футов 2 )
Мировой рекорд по времени без сна — 264 часа (11 дней) Рэнди. Гарднер в 19 лет65. Примечание: В
Потеря сознания наступит через 8-10 секунд после потери кровоснабжения к мозгу.
Нейроны размножаются со скоростью 250 000 нейронов в минуту в начале беременность.
Масса мозжечка взрослого человека составляет 150 г.
Общий объем спинномозговой жидкости (ЦСЖ) 125-150 мл.
Всего за один раз вырабатывается 400-500 мл спинномозговой жидкости (ЦСЖ). день.
Спинномозговая жидкость в норме прозрачная и бесцветная.
Различают 12 пар черепных нервов.
Различают 31 пару спинномозговых нервов.
Спинной мозг человека имеет длину 45 см у мужчин и 43 см у мужчин. женщины.
Человек может слышать в диапазоне от 20 Гц до 20 000 Гц.
Крысы слышат в диапазоне от 1000 до 50 000 Гц.
Наиболее чувствительный диапазон человеческого слуха находится между 1000-4000 Гц.
Боль возникает при звуках выше 130 дБ.
Повреждение слуха может произойти, если люди подвергаются воздействию звуков выше 90 дБ в течение длительный период времени.
Общее количество вкусовых рецепторов человека (язык, нёбо, щеки) составляет около 10 000.
Общее количество обонятельных рецепторных клеток человека составляет около 40 миллионов.
Глазное яблоко человека имеет длину около 24,5 мм.
У осьминога нет слепого пятна.
Общий вес кожи у среднего взрослого человека составляет 6 фунтов (2,7 кг).
На «типичный» нейрон приходится от 1000 до 10000 синапсов.
Клеточные тела нейронов различаются по диаметру от 4 микрон (зернистая клетка)
до 100 мкм (мотонейрон в спинном мозге).