Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

• Название: Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
• Автор: Гэвин Претор-Пинни
• Издательство: Лайвбук
• Жанр: Физика
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-904584-33-7

Приготовьтесь: вас ждет кругосветное путешествие по всевозможным волнам: от серферских океанических до мозговых, радио-, микро-, инфракрасных, акустических, световых и многих прочих.

Претор-Пинни предлагает нам заново взглянуть на наш постоянно взволнованный мир.

---

«Волны наблюдались в ходе реализации почти всех корковых процессов, что было выявлено посредством картирования с использованием потенциалчувствительных меток», — рассказал мне профессор У. Эти волны могут распространяться по поверхности неокортекса самых разных животных: черепах, морских свинок, саламандр, обезьян… Они проявляются у высших животных при воздействии на органы обоняния, слуха, зрения или при соприкосновении с вибриссами.

Кроме того, профессор У обнаружил, что спиральные волны проходят через мозг крысы и тогда, когда она, что называется, клюет носом. «Можно предположить, что эти спиральные волны генерируются в результате импульсации соседних нейронов и позволяют коре больших полушарий головного мозга избежать контроля таламуса». (Таламус — область головного мозга под неокортексом, отвечающая за транспортировку информации от органов чувств, за исключением обоняния, к коре головного мозга. Другими словами, профессор У предполагает, что эти мозговые волны, проходя над неокортексом, препятствуют влиянию зон, задействованных в интеллектуальной деятельности, на таламус — что позволяет крысе задремать.) Он прибавил: «Нам кажется, что благодаря этим волнам становится возможной сложная умственная деятельность, в основе которой лежит функционирование сильно разветвленной сети нейронов, каждый из которых сам по себе довольно прост. Такова наша рабочая гипотеза».

Как и многие из тех, кто изучает колебания загадочных волн нейронного возбуждения, профессор У задается вопросом: что если волны играют решающую роль в разгадке извечной тайны — как миллиарды взаимосвязанных нейронов, каждый из которых по отдельности напоминает простенький «биологический выключатель», могут порождать такие сложные процессы, как способность чувствовать, мыслить? Даже если в случае с крысой все мыслительные процессы сводятся к тому, как бы добраться до съестного в буфете вашей кухни.

* * *

Ну что, вернемся к трем типам волн?

Второй тип — продольные волны. Это тот случай, когда колебания совершаются не из стороны в сторону, а взад- вперед, параллельно направлению распространения волны. Итак, если волны поперечные свойственны змеям, то волны продольные — дождевым червям.

Потому как эти маленькие пахари, без которых ни одному саду не цвести, передвигаются в почве, сокращая и расслабляя мышцы от начала к концу тельца. В том месте, где возникает мышечное напряжение, тельце червя сжимается и уплотняется, цепляясь за почву крошечными щетинками. Уплотнившаяся часть червя волнообразно продвигается по тельцу — и червь движется вперед. Движения сегментов тела червя, прорывающего в земле ход, характеризуются волнообразными колебаниями не из стороны в сторону — «змейкой», а вперед-назад, параллельно направлению движения червя.

Что бы садоводы делали без этих крошечных продольных волн?

Продольные волнообразные сокращения мышц дождевого червя сильно отличаются от поперечных колебаний двигающейся змеи. Но некоторые змеи используют и продольные волны. Происходит это тогда, когда они подкрадываются к добыче, стремясь остаться незамеченными, либо в том случае, когда их вес слишком велик, и они не в состоянии скользить по земле, извиваясь из стороны в сторону.

Одна из таких необычных змей, использующих при передвижении волны дождевого червя, — гигантский шестиметровый иероглифовый питон. Тяжеловесный питон двигается вперед благодаря мельчайшей ряби продольных волн, проходящих по его туловищу от головы до хвоста. Этот способ передвижения характерен и для удавов обыкновенных, которые тоже не из худеньких. Способ передвижения дождевого червя еще называют прямолинейным из-за того, что использующие его крупные змеи медленно продвигаются вперед по прямой линии, сокращая и расслабляя мышцы в змеином «танце живота».

В том месте, где мышцы сокращаются, бугрясь, чешуйки змеиного брюха начинают слега топорщиться. И этими сотнями «коготков» змея цепляется за почву — совсем как дождевой червь щетинками. Волна мышечных сокращений и расслаблений проходит по всей длине брюха — змея медленно двигается вперед, отталкиваясь от почвы чешуйками, которые сцепились с землей.

Некоторые змеи, неспособные скользить, извиваясь из стороны в сторону, проявляют чудеса изобретательности — подбираясь во время охоты поближе к жертве, они всем своим видом как бы говорят: «Не обращай на меня внимания, я всего лишь сухая ветка». Для прямолинейного передвижения неважно, насколько туловище змеи массивно, имеют значение лишь сильная мускулатура и дряблая кожа. Нам, людям, в этом видится противоречие: разве могут руки при накачанных бицепсах быть дряблыми?

Кажется, будто работа брюшных мышц, сокращения и расслабления которых образуют продольную волну, требует невероятных усилий, особенно если змея весит прилично. Однако на деле прямолинейное передвижение крайне экономично — мышцы напрягаются едва заметно. Гигантский иероглифовый питон при этом расходует всего двадцать калорий в день — это калорийность одного сырого перепелиного яйца.[9] Стыд и срам — такому толстяку не мешало бы больше двигаться!

* * *

Думаю, вам интересно будет узнать, что кора больших полушарий головного мозга у вас и у крысы не слишком различается по своей структуре. И раз крошечные спиральные волны скользят по поверхности мозга засыпающего грызуна, вполне возможно, что такие же микроскопические завихрения формируются и в вашей коре, когда вы лежите в кровати. Однако вы чувствуете: сон никак не идет — в голове крутится навязчивый мотивчик, скажем, «Ты прекрасна» Джеймса Бланта. В таком случае вам всего-то и надо, что привести в действие крошечные волны деполяризации. Если удастся хотя бы немного их расшевелить, заставить покружиться над волнообразными складками серого вещества, они выведут неокортекс из-под стимулирующего контроля таламуса и тем самым избавят вас от этой дурацкой песенки.

Вы скажете: такой уровень контроля над собой невозможен. Однако современный метод нейробиологической обратной связи позволяет не только наблюдать электрическую активность мозга, но и управлять ею. Хотите — верьте, хотите — нет, но сделать это можно, сидя за компьютерной игрой и используя одну лишь силу мысли. Представьте управление событиями на экране без джойстика, кнопок и прочих штуковин — всего-навсего парой прикрепленных к голове маленьких позолоченных электродов, которые улавливают электрические сигналы мозга, двигающие человечков на экране. При наличии соответствующей аппаратуры вы контролируете процесс, учась изменять ритм импульсации нейронов.

Впрочем, едва ли стоит мечтать о таком подарке под новогодней елкой. Компьютерные игры на аппарате довольно примитивные, они придуманы не для развлечения, а для выявления или, вернее, установления обратной связи с ритмичными электрическими импульсами, обычно скрытыми в вашей голове. Как только вы увидите их, научитесь ими управлять.

Но к чему вам все это? А вот к чему: если вы, не дай бог, страдаете эпилепсией или, что тоже неприятно, синдромом дефицита внимания, если разучиваете особенно трудное произведение для выступления в консерватории, ну или, скажем, вознамерились поймать пенальти в футбольном матче на чемпионате мира.

В 1924 году немецкий ученый Ганс Бергер открыл электроэнцефалографический (ЭЭГ) метод регистрации мозговой активности, обнаружив регулярную ритмичную пульсацию мозга. Он прикрепил посеребренные электроды к голове своего пятнадцатилетнего сына Клауса и измерил электрические сигналы, испускаемые нейронами головного мозга.

Когда один нейрон передает другому электрический за ряд, между ветвлениями одного нейрона и телом другого возникает синапсическая связь. И хотя прикладываемые к голове электроды, представлявшие собой металлические диски, были слишком грубы, чтобы уловить единичный импульс нейрона, первые нейробиологи, в том числе и Бергер, обнаружили, что они все же отмечают электрические импульсы в несколько тысячных вольт, возникающие в результате общей активности тысяч нейронов, или мозговых клеток, находящихся прямо под электродами в коре больших полушарий головного мозга.

Наблюдая за ритмами мозговых волн сына, Бергер обнаружил, что нейроны, пусть даже их и тысячи, пульсируют вовсе не беспорядочно, а в определенной последовательности. Пока сидевший во время эксперимента Клаус находился в спокойном, но собранном состоянии, показатели напряжения варьировались, однако сам ритм оставался постоянным — около 10 «циклов» (от отрицательного заряда к положительному) в секунду.{22}

Но поскольку у Бергера была еще и дочь четырнадцати лет, Илзе, он задействовал в эксперименте и ее. Ученый прикрепил электроды к голове дочери и дал ей задание: разделить число 196 на 7. Пока она в уме производила вычисления, интервалы между ритмичными сигналами сократились. Уж не знаю, что у них там в итоге произошло — может, отец окончательно достал подростков своими экспериментами, — только вскоре он занялся исследованием новорожденных и детей от года до трех у самых маленьких ритм не обнаружился, из чего Бергер сделал вывод: на стадии формирования (первые два месяца жизни) мозг младенца не испускает сколько-нибудь различимых импульсов. Очевидно, исследования настолько увлекли Бергера, что он взялся измерять пульсацию головного мозга у всех и вся. Прикрепив электроды к голове издыхающего пса, Бергер выяснил: по мере того, как жизнь одряхлевшей дворняги угасала, зубчатая линия, обозначавшая пульсацию ее мозга, постепенно вытягивалась в прямую.