Синапсы представляют собой точки переключения между двумя типами быстрой передачи сигналов в мозге: электрическими импульсами и выделением и дальнейшим действием нейромедиаторов. Элементарная единица передачи электрического сигнала в мозге – нервный импульс (или спайк). Нервные импульсы – это короткие и мощные всплески электрической активности длительностью от одной до двух миллисекунд. Они возникают в месте соединения клеточного тела и аксона, в так называемом аксонном холмике. Мозг окружен особым солевым раствором, или спинномозговой жидкостью, с высокой концентрацией натрия и гораздо меньшей концентрацией калия. Атомы натрия и калия находятся в ней в виде положительно заряженных ионов. Концентрация ионов натрия по разные стороны мембраны нейрона значительно разнится: снаружи она почти в 15 раз выше, чем внутри. Концентрация ионов калия, напротив, внутри почти в 15 раз выше, чем снаружи. Это соотношение необходимо для передачи электрических сигналов в мозге. В такой среде образуется потенциальная энергия – подобно той, которая накапливается, когда мы заводим пружину в детской игрушке. При определенных условиях эта энергия может высвобождаться, генерируя электрические сигналы в нейронах. За электрический потенциал нейрона отвечает его внешняя мембрана: внутри клетки отрицательный заряд больше, чем снаружи. При возникновении нервного импульса содержащиеся во внешней мембране специализированные белки тороидальной формы, которые называются натриевыми каналами, открывают свои ранее закрытые отверстия в центре и впускают внутрь ионы натрия. Приблизительно через миллисекунду открываются другие ионные каналы, пропускающие ионы калия, которые устремляются наружу, что приводит к завершению нервного импульса.

Нервные импульсы движутся по аксону до терминалей, где запускают цепочку химических реакций. Эти химические реакции заставляют синаптические везикулы сливаться с внешней мембраной терминали аксона и высвобождать свое содержимое, в том числе молекулы нейромедиатора, в синаптическую щель. Молекулы нейромедиатора распространяются по узкому промежутку синаптической щели и связываются с рецепторами нейромедиатора во внешней мембране следующего нейрона сигнальной цепи. Одна из разновидностей рецепторов нейромедиатора (получившая название ионотропных рецепторов) напоминает бублик с закрытым отверстием, которое открывается только тогда, когда рецептор связывается с нейромедиатором. Когда ионный канал в таком рецепторе позволяет положительно заряженным ионам проникать внутрь клетки, принимающий нейрон возбуждается. И наоборот: если открытый нейромедиатором ионный канал выпускает положительно заряженные ионы наружу (или пропускает внутрь отрицательно заряженные ионы, например хлора), это блокирует возникновение нервного импульса в принимающем нейроне.

Электрические сигналы от активированных рецепторов в синапсах всего дендрита и тела клетки поступают в аксонный холмик. Если от синапсов одновременно приходит достаточное количество возбуждающих электрических сигналов и они не подавляются блокирующими сигналами, то в аксонном холмике возникает новый нервный импульс и сигнал передается далее по аксону принявшего его нейрона. Большинство психоактивных веществ, которые мы употребляем – как для лечения, так и для расслабления, – воздействуют на синапсы. Например, седативный препарат ксанакс и аналогичные химические соединения активизируют ингибиторные синапсы и тем самым снижают общую частоту генерации нервных импульсов в определенных отделах мозга.

По биологическим меркам передачу электрических сигналов в мозге можно назвать быстрой (она занимает миллисекунды), но ее скорость примерно в миллион раз меньше той, с которой передаются электрические сигналы в вашем ноутбуке или смартфоне. Важно понимать, что не все сигналы в синапсах передаются быстро. Кроме ионотропных рецепторов нейромедиаторов, срабатывающих за несколько миллисекунд, у нейрона имеется группа гораздо более медленных рецепторов, которые называются метаботропными. У этих рецепторов нет отверстия ионного канала; они либо запускают, либо блокируют химические реакции в принимающем нейроне, а время их срабатывания исчисляется секундами или даже минутами. Ионотропные рецепторы полезны для быстрой передачи сигналов: например, зрительной информации от сетчатки глаза к мозгу или команды от мозга к мышцам совершить нужное движение. В отличие от них медленные метаботропные рецепторы, которые реагируют на нейромедиаторы, в том числе на серотонин и дофамин, часто участвуют в регулировании общего психического состояния, в частности внимания, настроения или полового возбуждения.

Один нейрон сам по себе почти бесполезен, но группы взаимосвязанных нейронов выполняют важные задачи. Медуза обладает простыми сетями взаимосвязанных нейронов, которые позволяют ей совершать плавательные движения, реагируя на прикосновение, наклон тела, запах пищи и другие ощущения. У червей и улиток клеточные тела нейронов объединены в группы, которые называются ганглиями, и эти ганглии связаны между собой нервными волокнами, состоящими из множества аксонов. У омаров, насекомых и осьминогов ганглии соединяются, образуя примитивный мозг. Мозг осьминога состоит примерно из 500 миллионов нейронов – на первый взгляд, это очень много, но все же их в 200 раз меньше, чем в мозге человека. Тем не менее осьминог способен решать сложные когнитивные задачи. Например, он может наблюдать, как его сородич медленно учится открывать особый ящик, внутри которого спрятана еда, а затем применить полученные знания и с первого раза самостоятельно открыть такой же ящик. В процессе эволюции позвоночных животных – от лягушки к мыши, от обезьяны к человеку – мозг увеличивался относительно размеров тела, а нейронных связей в нем становилось все больше; сильнее всего развилась его внешняя часть – новая кора головного мозга, или неокортекс.

Эволюция мозга или любой другой биологической структуры – это сложный процесс. Он происходит неравномерно, и на этом пути неизбежны тупики и ошибки. Но что важнее всего – у эволюции нет возможности начать все с начала и создать нечто совершенно новое. Человеческий мозг не был создан гениальным изобретателем с чистого листа. Он скорее представляет собой компиляцию из временных решений, которые накапливались и трансформировались с момента появления самого первого нейрона. И все же этот импровизированный винегрет способен творить настоящие чудеса.

Тезис о том, что человеческий мозг несовершенен, – не просто расхожая фраза; далекое от оптимального строение мозга серьезно влияет на саму основу человеческого опыта. Строение нейронов почти не изменилось с момента их возникновения, и у них есть серьезные недостатки. Они медленные, ненадежные и незащищенные. Для того чтобы из таких несовершенных деталей сложился человеческий интеллект, требуется огромный мозг с внутренними связями и с 500 триллионами синапсов. Он занимает много места – примерно 1200 см3. Такая большая голова не может пройти через родовые пути – а изменение тазовых костей ради более широких родовых путей негативно повлияло бы на способность к прямохождению. Эволюция сделала непростой выбор: человеческие детеныши рождаются с мозгом объемом 400 см3 (что сравнимо с объемом мозга взрослого шимпанзе). Но даже такие размеры мозга представляют проблему – голова ребенка с трудом проходит через родовые пути. (Смерть во время родов была довольно частым явлением на протяжении почти всей человеческой истории, но это редкость для других млекопитающих.) После рождения человека ждет необычайно долгое детство, в течение которого его мозг растет и развивается; этот процесс завершается только к 20 годам. На земле нет другого вида животных, чей восьмилетний детеныш не мог бы жить без родителей. Такое долгое детство накладывает отпечаток на многие аспекты социального поведения, в том числе на преобладающую систему брачных отношений с долговременным союзом, что очень редко встречается у млекопитающих. Иными словами, если бы в процессе эволюции строение нейронов изменилось на оптимальное, у нас, скорее всего, не существовало бы такого распространенного во всех культурах явления, как брак.

Каждый отдел мозга выполняет свои функции. Некоторые отделы отвечают за наши чувства, такие как зрение, вкус или осязание. Когда сенсорная информация поступает в мозг, она зачастую представляется в нем в виде карты: в зрительных зонах мозга имеется карта поля зрения, а в тех отделах, которые обрабатывают сигналы осязания, есть карта поверхности тела. Многие области мозга не выполняют какую-то одну функцию, например обработку зрительной информации. Они объединяют данные от разных органов чувств, отвечают за принятие решений и планирование действий. В конечном счете мозг предназначен для управления действиями, а для этого он посылает сигналы, которые вызывают сокращение или расслабление мышц или заставляют железы вырабатывать гормоны. Важно, что бо́льшую часть работы мозг выполняет автоматически: например, повышает кровяное давление, чтобы вы не упали в обморок, когда встаете со стула, или понижает температуру тела, когда вы спите. Эту непроизвольную регуляцию, как правило, осуществляют древние в эволюционном смысле структуры, расположенные в глубине мозга.