Что такое мысль, и как она возникает

Что такое мысль, и как она возникает
  • Что такое мысль, и как она возникает

Что такое мысль, и как она возникает? Нейробиология мысли.
(«Познавательная статья из мира науки»)

Мысль, возникающая всякий раз в головном мозге (назовем ее ментальным событием), есть, по сути, мгновенные и существенные изменения как внутри большого числа нейронов, так и снаружи их, в межклеточном пространстве, в синаптических связях между нервными клетками, а также в т.н. глиальных клетках. (К глиальным клеткам головного мозга относятся все другие, кроме самих нейронов, клетки мозговой ткани. Это вспомогательные клетки, создающие микроокружение и выполняющие опорную, питательную и ряд других необходимых для нервных клеток функции. Их число в головном мозге в десятки раз превышает число нейронов.)

Что удивительно, эти молекулярные изменения происходят одновременно и молниеносно во всем головном мозге, в специфических областях и цепях, используя множество различных механизмов.
Каждое отдельное ментальное событие использует одни и те же нейроны, которые могут образовывать свои сети в совершенно разных областях. Сигналы в этих сетях возникают единовременно с другими типами электрического взаимодействия, включая синхронные колебания и изменения электрического потенциала в межклеточном веществе головного мозга. Также с каждым новым усвоенным событием из стволовых предшественников возникают новые клетки и встраиваются в нейронные цепи. И это лишь часть механизма существования мысли в мозге.

Нейроны сами по себе являются чрезвычайно сложными клетками — в сущности отдельной цивилизацией, производящей с участием клеточных ядер свой продукт и массивную систему транзитных микротрубочек и митохондрий со сложным комплексом двигателей для транспортировки материальных данных. Белок актин, составляющий основу трубочек цитоскелета, быстро организовывается, разрушается и перестраивается в чрезвычайно сложные структуры наподобие строительных лесов внутри клетки, чтобы поддерживать новые дендриты (Отростки нервных клеток, воспринимающие сигнал, см. рисунок выше) и синаптические бляшки-бугорки на окончаниях аксонов. (Чтобы нервный импульс передался с отростка одной клетки на тело или отросток другой клетки должен образоваться синапс — терминал — особые утолщения-бугорки, которые связываясь с обоих сторон, формируют синаптическую щель со сложным механизмом регуляции, открытия и закрытия каналов, по которым сигнал, например, в виде деполяризационной волны возбуждения, приобретает свойства нейромедиатора — молекулы, которую захватывают рецепторы постсинаптической мембраны).

Сравнительно крошечные ядра нейронов поддерживают и обеспечивают материалом для транспорта гигантские аксоны, достигающие порой в длину более полуметра (и более в составе волокон спинного мозга до нижних конечностей) и имеющие по своему ходу до сотни тысяч соединений с дендритами других клеток. Эти синапсы постоянно образовываются и распадаются, примерно среди 100 млрд. нейронов, своими отростками формируя сеть, насчитывающую триллионы и более таких узлов. (Существует более 2-х десятков нейромедиаторов, роль которых в синаптической передаче сигнала изучена. Поэтому триллионы (и более) нейронных связей можно возводить в степень еще и количества известных нейромедиаторов. Получается совсем невообразимое количество вариантов.)

Роль таких каскадных структур безмерно велика, однако при этом сами нейроны тем или иным образом также принимают участие в анализе и передаче информации и значений.

Несмотря на то, что каждая деталь этого процесса известна не до конца, последние исследования показывают, что просто мысленное переключение внимания с одного на другой зрительный образ немедленно перестраивает синаптические связи. Изменения возникают путем смены нагрузки на пресинаптические события (цепь внутриклеточных реакций, которые предшествуют выработке нейронами достаточного количества нейромедиатора, чтобы передать сигнал дальше, через синапс на другой нейрон, так что возникнет потенциал действия в другой клетке или нет) — увеличивая или ослабляя чувствительность, для того чтобы распознать значимый для внимания источник сигнала из общего шума, поступающего с других рецепторов чувствительности.

Так выглядит вкратце чрезвычайно плотный ряд масштабных событий, которые случаются в миллисекунды с каждым мысленным событием в мозге.

Именно значения приводят в действие специфические нейроны и влияют на иммунные процессы.

Подобно тому, как мысль представляет собой особые изменения в нейронах головного мозга, некоторые из этих изменений также вызывают очень специфические трансформации во всем остальном теле, а особенно в иммунной системе. Удивительно, именно содержание ментального события, самой мысли, определяет значение и характер множества специфических молекулярных каскадов во всем теле.
Последние исследования показывают, что радость и наслаждение, получаемые в результате раскрытия и обретения смысла или удовольствие от поддержки и одобрения общества сопровождаются существенными изменениями в экспрессии генома (Экспрессия генов — сложный процесс синтеза необходимых белков, закодированных теми генами, к которым обеспечивается доступ целому ряду молекул РНК, участвующих в этом процессе, начиная с ядра клетки). Эти изменения касаются усиления противовирусной защиты и увеличения активности противовоспалительных факторов. Оба этих аспекта фундаментально вовлечены в патогенез многих заболеваний. Что особенно удивительно, наслаждение, получаемое от таких обычных благ, как вкусная еда или обладание каким-либо значимым имуществом не оказывали на организм подобного эффекта. Отсюда следует, что содержание мысли, характер ментального события управляет экспрессией тысячи различных генов, используя тонко слаженный и чрезвычайно сложный комплекс процессов.

Кстати, сосредоточенное размышление над смыслом только что прочитанного также вызвало активность экспрессии генов, ответственных за синтез противовоспалительных и противовирусных факторов иммунной системы.

@sci

Мы думаем, что видим мир четко и в реальном времени, но зрение устроено иначе

Мы думаем, что видим мир четко и в реальном времени, но зрение устроено иначе

Мы думаем, что видим мир четко и в реальном времени, но зрение устроено иначе…
(«Познавательная статья из мира науки»)

Зафиксируйте взгляд на строчке текста и не двигайте глазами. При этом попытайтесь переключить внимание на строчку ниже. Потом еще на одну. И еще. Через полминуты вы почувствуете, что в глазах как будто помутнело: четко видно только несколько слов, на которых сфокусированы ваши глаза, а все остальное размыто. На самом деле именно так мы видим мир. Всегда. И при этом думаем, что видим все кристально четко.

У нас на сетчатке есть маленькая-маленькая точка, в которой чувствительных клеток — палочек и колбочек — достаточно, чтобы все было нормально видно. Эта точка называется «центральной ямкой». Центральная ямка обеспечивает угол обзора примерно в три градуса — на практике это соответствует величине ногтя большого пальца на вытянутой руке.

На всей остальной поверхности сетчатки чувствительных клеток гораздо меньше — достаточно, чтобы различить смутные очертания предметов, но не более. Есть в сетчатке дырка, которая не видит вообще ничего, — «слепое пятно», точка, где к глазу подсоединяется нерв. Ее вы, само собой, не замечаете. Если этого мало, то напомню, что вы еще и моргаете, то есть отключаете зрение раз в несколько секунд. На что тоже не обращаете внимания. Хотя теперь обращаете. И вам это мешает.

Как мы вообще что-то видим? Ответ вроде как очевидный: мы очень быстро двигаем глазами, в среднем от трёх до четырёх раз в секунду. Эти резкие синхронные движения глаз называются «саккадами». Их мы тоже, кстати, обычно не замечаем, и это хорошо: как вы уже догадались, во время саккады зрение не работает. Зато с помощью саккад мы постоянно меняем картинку в центральной ямке — и в итоге покрываем все поле зрения.

✏ Мир через соломинку

Но если задуматься, то объяснение это никуда не годится. Возьмите в кулак коктейльную соломинку, приставьте к глазу и попробуйте так посмотреть фильм — я уж не говорю о том, чтобы выйти погулять. Как, нормально видно? Вот это и есть ваши три градуса обзора. Шевелите соломинкой сколько угодно — нормального зрения не получится.

В общем, вопрос нетривиальный. Как получается, что мы всё видим, если мы ничего не видим? Вариантов несколько. Первый: мы-таки ничего не видим — у нас просто есть ощущение, что мы все видим. Чтобы проверить, не обманчиво ли это впечатление, мы сдвигаем глаза так, что центральная ямка оказывается направлена ровно на ту точку, которую мы проверяем. И думаем: ну вот, все же видно! И слева (вжик глазами влево), и справа (вжик вправо). Это как с холодильником: если исходить из наших собственных ощущений, то там всегда горит свет.

Второй вариант: мы видим не поступающее с сетчатки изображение, а совсем другое — то, которое выстраивает за нас мозг. То есть мозг елозит соломинкой туда-сюда, прилежно составляет из этого единую картинку — и вот ее мы уже воспринимаем как окружающую реальность. Иными словами, мы видим не глазами, а корой головного мозга.

Оба варианта сходятся в одном: единственный способ что-то увидеть — сдвинуть глаза. Но есть одна проблема. Эксперименты показывают, что мы различаем объекты с феноменальной скоростью — быстрее, чем успевают среагировать глазодвигательные мышцы. Причем сами мы этого не понимаем. Нам кажется, что мы уже сдвинули глаза и увидели объект четко, — хотя на самом деле мы только собираемся это сделать. Выходит, мозг не просто анализирует картинку, принятую с помощью зрения, — он ее еще и предсказывает.

✏ Невыносимо тёмные полоски

Немецкие психологи Арвид Хервиг и Вернер Шнайдер провели эксперимент: добровольцам фиксировали голову и специальными камерами записывали движения их глаз. Подопытные смотрели в пустой центр экрана. Сбоку — в боковом поле зрения — на экран выводился полосатый кружок, на который добровольцы тут же переводили взгляд.

Тут психологи проделывали хитрый трюк. Во время саккады зрение не работает — человек на несколько миллисекунд становится слепым. Камеры улавливали, что подопытный начал сдвигать глаза в сторону круга, и в этот момент компьютер подменял полосатый кружок другим, который отличался от первого количеством полосок. Участники эксперимента подмены не замечали.

Получалось следующее: в боковом зрении добровольцам показывали круг с тремя полосками, а в сфокусированном или центральном полосок оказывалось, например, четыре.

Таким образом добровольцев обучали ассоциировать смутный (боковой) образ одной фигуры с четким (центральным) образом другой фигуры. Операцию повторяли 240 раз в течение получаса.

После обучения начинался экзамен. Голову и взгляд снова фиксировали, в боковом поле зрения снова выводили полосатый кружок. Но теперь, как только доброволец начинал двигать глазами, кружок исчезал. Через секунду на экране появлялся новый кружок со случайным количеством полосок.

Участников эксперимента просили клавишами отрегулировать количество полосок так, чтобы получилась та фигура, которую они только что видели боковым зрением.

Добровольцы из контрольной группы, которым на стадии обучения показывали одни и те же фигуры в боковом и центральном зрении, определяли «степень полосатости» довольно точно. Но те, которых обучили неправильной ассоциации, видели фигуру иначе. Если при обучении количество полосок увеличивали, то на стадии экзамена подопытные распознавали трехполосные круги как четырехполосные. Если уменьшали — то круги им казались двухполосными.

Иллюзия зрения и иллюзия мира

Что это означает? Наш мозг, как выясняется, постоянно учится ассоциировать внешний вид объекта в боковом зрении с тем, как этот объект выглядит, когда мы переводим на него взгляд. И в дальнейшем использует эти ассоциации для предсказаний. Этим и объясняется феномен нашего зрительного восприятия: мы узнаем предметы еще до того, как, строго говоря, их разглядим, поскольку наш мозг анализирует размытую картинку и вспоминает на основании предыдущего опыта, как эта картинка выглядит после фокусировки. Делает он это настолько быстро, что у нас создается впечатление четкого зрения. Это ощущение — иллюзия.

Удивительно еще и то, насколько эффективно мозг учится делать такие предсказания: всего получаса рассогласованных картинок в боковом и центральном зрении хватило, чтобы добровольцы стали неправильно видеть. Учитывая, что в реальной жизни мы двигаем глазами сотни тысяч раз в день, представьте, какие терабайты видео с сетчатки мозг перелопачивает каждый раз, когда вы идете по улице или смотрите кино.

Дело даже не в зрении как таковом — просто это самая яркая иллюстрация того, как мы воспринимаем мир.

Нам кажется, что мы сидим в прозрачном скафандре и всасываем в себя окружающую реальность. На самом деле мы с ней вообще не взаимодействуем напрямую. То, что нам кажется отпечатком окружающего мира, на самом деле выстроенная мозгом виртуальная реальность, которая выдается сознанию за чистую монету.

На то, чтобы обработать информацию и выстроить из обработанного материала более-менее целостную картину, мозгу требуется около 80 миллисекунд. Эти 80 миллисекунд — задержка между реальностью и нашим восприятием этой реальности.

Мы всегда живём в прошлом — точнее в сказке о прошлом, рассказанной нам нервными клетками. Мы все уверены в правдивости этой сказки — это тоже свойство нашего мозга, и от него никуда не деться. Но если бы каждый из нас хотя бы изредка вспоминал об этих 80 миллисекундах самообмана, то мир был бы чуть-чуть добрее.

Автор неизвестен.

@sci

Что такое спин элементарных частиц

Что такое спин элементарных частиц
  • Что такое спин элементарных частиц

Что такое спин элементарных частиц?
(«Познавательная статья из мира науки»)

Все, что есть во Вселенной, в том числе свет и гравитацию, можно описывать исходя из представления о частицах, имеющих некую вращательную характеристику — спин (spin — вращаться, крутиться).

Представим себе частицы в виде маленьких волчков, вращающихся вокруг своей оси. Правда, такая картина может ввести в заблуждение, потому что в квантовой механике частицы не имеют вполне определенной оси вращения. На самом деле спин частицы дает нам сведения о том, как выглядит эта частица, если смотреть на нее с разных сторон. Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить с тузом: с разных сторон он выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360 град. Частицу со спином 2 можно сравнить со всеми остальными картами (кроме джокера) одинаковыми с обеих сторон: любое положение повторяется после полуоборота (180 град.). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое — существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2.

Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином 1/2, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества.

Источник: «Стивен Хокинг: Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр.» с небольшими правками.

@sci

Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры

Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры

Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры?
(«Познавательная статья из мира науки»)

Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно — хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез.

Долгая история неверия

В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко — он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно — так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла — по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.

А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет — это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.

Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).

Загробная жизнь звезды

Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий — она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься — в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.

Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.

Выхода нет

Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).

Так же можно представить и рождение черной дыры — шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых — у звезды, а «подошва» — это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что, начиная с этого момента, ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры — так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.

На самом деле все не так

Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр — Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.

@sci