Быть или не быть: как работают базальные ганглии
Базальные ганглии – это отдел в подкорке мозга, который занимается проблемой выбора. В то время как мозжечок разбирается с тем, КАК делать, базальные ганглии, пытаются решить, ЧТО ИМЕННО. Действительно, даже если стремительное движение руки к кнопке лифта получилось верхом изящества (благодаря мозжечку), это не особенно поможет, если палец в итоге устремился к кнопке двенадцатого этажа вместо пятого. Хорошо, если в каком-то случае проблема выбора вообще не стоит, и нам абсолютно ясно, что делать. Гораздо сложнее определяться с выбором, когда есть несколько конфликтующих вариантов. Совсем плохо, если вариантов нет никаких, а что-то делать все равно надо, приходится действовать наугад. В любом из этих вариантов в дело вступают базальные ганглии[34].
Базальные ганглии прячутся в основании переднего мозга, глубоко внутри больших полушарий. Это самые крупные подкорковые ядра в мозге человека: снаружи находится крупное овальное образование с хвостом, которое, как матрешка, прикрывает собой еще два, спрятанные одно под другим. Это полосатое тело, состоящее из скорлупы и хвостатого ядра, под которым прячутся два сегмента бледного шара – внешний и внутренний. Еще сюда относят два небольших ядра: субталамическое, которое получило свое название, потому что расположено в среднем мозге прямо под таламусом, и черная субстанция, расположенная прямо под субталамическим ядром.
Черная субстанция в некотором смысле имеет черную славу: она играет ключевую роль в развитии болезни Паркинсона, второго по распространенности заболевания головного мозга, связанного с нарушением работы базальных ганглиев.
При болезни Паркинсона люди испытывают огромные сложности с движениями – помимо дрожания рук и ног у таких пациентов есть еще ряд довольно характерных симптомов: им сложно начать движение, особенно когда нет какого-то внешнего импульса (скажем, встать по просьбе другого человека им проще, чем по собственному желанию), их движения будто скованны, шаги при ходьбе очень мелкие, а мышцы даже в расслабленном состоянии будто деревянные. Все эти проблемы начинаются с того, что в черной субстанции умирают нейроны, которые производят дофамин для нормальной работы базальных ганглиев[35]. Несмотря на то что в коре головного мозга все в порядке и все двигательные отделы работают нормально, движение не запускается, как надо.
Повреждения субталамического ядра, наоборот, могут приводить к избыточным движениям – это выглядит как повторяющиеся непроизвольные взмахивания руками или ногами, человек не может спокойно сидеть на месте, конечность словно постоянно пляшет, а человек не может ничего с этим сделать. Существует еще несколько состояний с непроизвольными движениями, которые возникают при повреждениях в базальных ганглиях: это хорея – в Средневековье ее называли пляской святого Вита, когда человек словно исполняет какой-то дьявольский танец помимо своей воли, а еще дистония – когда какие-то части тела непроизвольно сокращаются, иногда до спазма, нарушая нормальное положение тела или головы.
При болезни Паркинсона двигательные отделы коры не повреждены, но из-за проблем с работой базальных ганглиев движения не получаются.
В общем, нарушения в базальных ганглиях приводят к двигательным расстройствам, когда контроль движений смещается от нормы к одному из полюсов: либо человек не может сделать то, что хочет, либо, наоборот, неконтролируемо делает то, чего не хочет, и не может остановиться. К нарушениям нормальной работы базальных ганглиев относят и обсессивно-компульсивное расстройство и различные формы аддикций: в этих случаях человек тоже в некотором смысле делает не совсем то, что хочет, и тоже обычно не может остановиться. Почему так происходит?
Как устроены базальные ганглии
Базальные ганглии – это сложная система ядер, сообщающихся между собой целой паутиной прямых и обратных связей. Принципиальная схема, по которой информация идет через базальные ганглии, такова: сначала полосатое тело получает ее практически от всех отделов коры, затем сигналы отправляются циркулировать внутри базальных ганглиев по двум путям – прямому и непрямому, и затем через внутренний сегмент бледного шара некое общее решение отправляется в таламус, а оттуда в кору. Непрямой путь подавляет все лишние действия, а по прямому отбирается единственная подходящая команда. Кроме этого у коры полушарий есть «запасной стоп-кран» – гиперпрямой путь: если что-то поменялось и нужно немедленно остановиться, сигнал отправляется не к большому полосатому телу с довольно обширными путями циркулирования сигналов, а в компактное субталамическое ядро, и текущее поведение немедленно прекращается.
Базальные ганглии обмениваются информацией с отделами коры больших полушарий и ядрами таламуса, формируя петли, по которым информация может циркулировать внутри мозга и влиять на наши решения. Внутри самих базальных ганглиев все ядра связаны в сложную систему, задача которой – отобрать нужную программу действий, запуская их одно за другим в нужное время и в правильном порядке
В целом все три пути внутри базальных ганглиев направлены на то, чтобы не дать коре сделать что-нибудь лишнее, но при этом избирательно пропустить к таламусу и коре именно те команды, которые положат начало нужным действиям [14]. Как и в случае мозжечка, работа базальных ганглиев идет незаметно для человека, ее нельзя сознательно проконтролировать или изменить. Внутри общей системы базальных ганглиев есть отдельные специализированные «департаменты» с обособленными, хоть и частично перекрывающимися потоками информации. Помимо двигательного департамента, отвечающего непосредственно за движения тела, есть исполнительный, который занимается, скорее, стратегическим планированием действий в далекой перспективе; еще есть зрительный департамент, заведующий исключительно движениями глаз, и мотивационный – в некотором роде, он снабжает всю систему принятия решений топливом – энергией эмоций, основанной на ожидании и поиске удовольствий и избегании неприятностей.
Мы не можем контролировать работу базальных ганглиев сознательно, она происходит автономно, без нашего на то желания.
Благодаря такому сложному устройству можно сказать, что базальные ганглии служат арбитром между разумом и чувствами – они соединяют двигательные отделы с рациональной префронтальной корой и эмоциональной лимбической системой, которые вечно конфликтуют за то, кто победит в схватке разума и желаний: съесть пироженку или решительно закрыть холодильник и сделать зарядку? Позависать на развлекательных сайтах или взяться, наконец, за дела, чтобы вечером отдыхать с чистой совестью? Сделать как следует или схалтурить? Это лишь некоторые из экзистенциальных конфликтов, с которыми сталкиваются люди. Пока мы себя контролируем, префронтальная кора берет управление в свои руки и директивным образом выбирает рациональное решение, подавляя сигналы со стороны эмоций. Однако стоит ей утомиться, лимбические отделы берут свое, и мы идем на поводу у желаний.
Базальные ганглии можно назвать главной системой тормозов внутри мозга: основные отделы внутри этой системы тормозят активность друг друга, а вся система целиком тормозит работу таламуса и коры, запускающих те или иные действия.
Фактически внутри нашего мозга есть своя система сдержек и противовесов, задача которой – «придержать коней» в двигательной коре, пока внутри системы не будет принято окончательное решение о том, что сейчас нужно делать, и затем «растормозить», то есть высвободить из-под запретов ту самую команду, которая лучше всего подходит к ситуации. Благодаря этому можно располагать богатым репертуаром решений на все случаи жизни, но не метаться, пытаясь одновременно перепробовать все варианты решений, а выбрать что-то одно и действовать согласно выбранному плану.
Решения, которые принимаются в базальных ганглиях, могут обновляться – благодаря этому они могут обучаться и по мере приобретения нового опыта все эффективнее разрабатывают план действий, учитывая все новые факторы, которые могут повлиять на успех. Вот одна смешная и грустная история, которая иллюстрирует, как меняется поведение в одной и той же ситуации в свете новых данных, и что даже у удачных решений могут быть непредсказуемые последствия. Итак, хозяева одного сообразительного кота приучили его испражняться в унитаз, а не в лоток (это здорово экономит время на уборку). У них было все прекрасно, пока не приключился инцидент, положивший конец идиллии. Однажды, когда кот сидел на стульчаке и никого не трогал, на него сверху предательски прилетела крышка от унитаза. Кот, пораженный такой подлостью до глубины души, поразмыслив, решил все же не изменять своим привычкам и стоически продолжил писать в унитаз, но теперь он стал усаживаться на ободок унитаза исключительно мордой к крышке, чтобы не спускать с врага глаз. Выходит, в глубине души (точнее, в глубине базальных ганглиев) под впечатлением от произошедшего обновилась поведенческая программа. Крышка унитаза была там всегда, но вела себя прилично, усыпляя бдительность, – кот жил, не ощущая затаившейся рядом угрозы. Теперь же, наученный жизнью, он учитывает в своих действиях исходящую от крышки опасность и бдит (и конечно, частенько промахивается). Надо сказать, что не всегда перемены в жизни настолько резкие и трагичные: иногда люди перестают что-то делать, потому что это перестало радовать и надоело – нам просто хочется чего-то новенького, и за такое переключение в поисках новизны тоже отвечают базальные ганглии [15].
У животных из-за работы базальных ганглиев тоже могут меняться поведенческие программы.
Как же происходит обновление программ, благодаря которым мы можем перестраивать поведение? По большому счету, этим вопросом занимаются целые исследовательские лаборатории, и на эту тему можно написать отдельную книгу. Если коротко, то внутри системы базальных ганглиев встроено что-то вроде шкатулки с предсказаниями: когда мы решаем выбрать определенный вариант поведения, внутрь этого варианта уже вшит прогноз – то, что мы ожидаем получить в результате своих действий. Этот прогноз затем можно сравнить с тем, что вышло на самом деле, и по итогам этого сравнения дофаминовая система выступает чем-то вроде жюри, выставляя оценку тому, что получено, по сравнению с тем, что ожидали получить. Если получилось лучше, чем ожидалось, дофамина выделится много: скорее всего, мы возьмем удачное решение на заметку и попробуем использовать его чаще. Если получилось хуже, чем хотелось, появится дофаминовый провал: тогда мы будем пробовать другие варианты действий или вообще постараемся избегать ситуаций, которые оборачиваются неприятностями [16]. Таким образом, успешные действия постепенно закрепляются, а неудачные варианты отбрасываются – этот процесс на языке алгоритмов называется обучением с подкреплением [13]. При этом базальные ганглии обновляют не только программы действий, но и прогнозы, чтобы они лучше соответствовали действительности. В злополучной истории с котом обстановка в туалете осталась прежней, изменился только прогноз, а вместе с ним и программа действий, которая представляется коту оптимальной: теперь он учитывает существование крышки, которая нависает над ним и в любой момент может прилететь на голову, если он потеряет бдительность.
Мозг постоянно строит прогнозы и, в зависимости от того, оказались они удачными или нет, корректирует действия.
Система базальных ганглиев постоянно оценивает последствия тех или иных действий, чтобы мы могли скорректировать поведение. Скажем, кто-то останавливает закрывающийся лифт, потому что видит, как к нему бежит человек, а потом оказывается, что это потенциальный начальник, который проводит собеседование и заранее проникается к нему симпатией. Дофаминовая система выдает удивление и радость – человек не ожидал, что его формальная вежливость обернется такой удачей. Скорее всего, в будущем он будет стараться дожидаться других людей. А кто-то другой точно так же дождался бегущего к лифту человека, а спустя пять минут обнаружил, что у него из пиджака пропал бумажник: вероятно, ему встретился вор-карманник. В этом случае дофаминовая система «обваливает акции» такого невинного действия, как дождаться попутчика в лифте. Результат оказался настолько хуже прогноза, что теперь любые незнакомые люди поблизости долгое время будут вызывать подозрения. Пробуя разные варианты и оценивая их последствия, базальные ганглии обучаются выбирать оптимальные стратегии действий, которые с наибольшей вероятностью приведут нас к цели. Так жизненный опыт постепенно выстраивается в довольно стройную систему жизненных стратегий на любой случай – конечно, если новые ситуации напоминают те, с которыми мы сталкивались в прошлом.
Прелесть этой системы в том, что она не только постоянно мониторит наши действия и их последствия, но еще и умеет оптимизировать свою работу.
Действия, используемые нами в стандартных ситуациях и всегда приводящие к стандартному результату, автоматизируются: когда прогноз в шкатулке с предсказаниями постоянно совпадает с нужным результатом, программа действий не нуждается в обновлениях – очевидно, она уже достаточно хорошо настроена.
Если исходные данные не меняются, можно просто подготовить стандартный шаблон действий и всегда использовать его в нужной ситуации, не заморачиваясь проблемами выбора. Благодаря этому мы можем машинально отправиться знакомой дорогой домой или на работу, «не приходя в сознание». Система базальных ганглиев подключает автопилот, в котором необходимые пересадки и повороты уже собраны в нужный маршрут: он доведет куда нужно, даже если мы плохо соображаем из-за усталости или недосыпания. Эта же система формирует наши привычки – наборы стандартных действий, к которым мы прибегаем на автомате в типовых ситуациях. Такая автоматизация здорово экономит время и ресурсы и позволяет нам ежедневно выполнять множество стандартных вещей, освобождая внимание, чтобы можно было подумать о чем-нибудь постороннем [17].
То, что нормальная работа мозга нужна для движения, вполне предсказуемо. А вот то, что жизнь в движении нужна для нормальной работы мозга, уже не так очевидно. Легко объяснить, каким образом занятия спортом улучшают физическое здоровье, а вот связь между спортом и ментальным здоровьем выглядит более запутанно. Однако научное знание не стоит на месте: сегодня мы намного лучше понимаем, как все это работает [18, 19].
Прежде всего регулярные физические упражнения, как аэробные, так и силовые, улучшают работу мозга по целому ряду параметров. Физкультура благотворно влияет на способность сосредотачиваться, рабочую и долговременную память, способность справляться с умственными нагрузками и быстро и эффективно обучаться новому.
Кроме того, физические нагрузки снижают риски многих проблем со здоровьем. Регулярно занимающиеся спортом люди реже страдают от депрессивных и тревожных расстройств, обладают более крепким иммунитетом против воспалительных и инфекционных заболеваний. (Правда, тут нужно знать меру: регулярные занятия спортом умеренной интенсивности полезны для здоровья, а вот редкие и чрезмерно интенсивные нагрузки могут, наоборот, обернуться травмами и воспалением.)
Люди, которые в зрелом возрасте ведут здоровый образ жизни и регулярно занимаются спортом, могут избежать многих проблем в старости – бег и физкультура откладывают наступление когнитивных ухудшений, деменции и проблем с памятью. Спортивные люди в старости легче сосредотачиваются и быстрее справляются с задачами, где надо напрячь мозги, а объем серого вещества в их мозге достоверно выше, чем у тех, кто вел малоподвижный образ жизни. Занятия спортом могут снижать риск нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона, а также, по-видимому, способны замедлить прогрессирование этих заболеваний и улучшать качество жизни пациентов [20].
Физическая активность перестраивает не только наши мышцы, в мозге тоже происходят структурные изменения. Спортивные нагрузки приводят к тому, что мозг лучше кровоснабжается, в нем образуется в два-три раза больше нервных клеток (да-да, нервные клетки в мозге все-таки восстанавливаются – точнее, образуются новые нервные клетки из особых клеток-предшественников, правда, только в нескольких специально отведенных местах и в очень небольших количествах) [18].
Главный посредник между физическими нагрузками и благополучием мозга – это нейротрофический фактор роста (BDNF, от англ. brain-derived neurotrophic factor). Нейротрофины, к которым относится BDNF, это что-то вроде удобрений для нервных клеток: эти вещества стимулируют развивающиеся нейроны, помогая им созревать и образовывать связи с другими нейронами. Кроме того, если в среде достаточно BDNF, нейроны лучше выживают после воздействия неблагоприятных факторов. После физических нагрузок уровень BDNF в плазме крови и мозге повышается, причем чем выше потребление кислорода во время нагрузки, тем больше растет после нее BDNF [19].
А еще физическая активность может улучшать настроение: нагрузки помогают справляться с чувством тревоги и дают общее ощущение благополучия. Во время физических упражнений растет уровень дофамина, особенно в базальных ганглиях, которые играют активную роль в движениях и контроле над ними. Похоже, что в этом случае между физической активностью и дофамином наблюдается замкнутый круг с положительной обратной связью: чем больше дофамина, тем легче начать активно двигаться, но чем больше хочется двигаться, тем сильнее растет дофамин. А еще во время нагрузок растет уровень эндорфинов и эндоканнабиноидов – это вещества, которые ослабляют восприятие боли, а еще могут дарить внезапное переживание счастья посреди долгой стайерской дистанции – для этого феномена есть даже специальный термин – эйфория бегунов (англ. runner’s high) [19].
В общем, если хочется прожить насыщенную жизнь, не впадая в уныние и депрессию, и заодно избежать проблем с головой в старости, для начала стоит подружить голову с телом, начать больше двигаться и полюбить физкультуру, а тренированное тело в ответ позаботится о голове.