Помоги проекту - поделись книгой:
Инсульт возникает при закупорке или разрыве кровеносных сосудов мозга. Симптомы болезни часто указывают на то, какая сторона мозга повреждена. Если пациент отчаянно пытается контролировать одну сторону тела (как часто бывает при инсульте), это означает, что затронута другая сторона мозга, так как каждая половина мозга управляет мышцами противоположной стороны тела. Неврологи могут иногда и более точно указать, какой участок мозга пострадал. Чтобы описать местонахождения кортикального повреждения, специалист точно укажет долю, а если нужна более высокая точность, то и определенную складку доли. Складки носят причудливые имена – к примеру, «верхняя височная извилина»: это самая верхняя складка височной доли. Кортикальный участок, напротив, обозначают обычно цифрой, а не словами. При этом используют карту, опубликованную в 1909 году немецким нейроанатомом Корбинианом Бродманом (рис. 11). Далее я буду использовать термин
Причиной деградации памяти после инсульта может служить повреждение полей 4 и 6. Поле 4 – самая задняя полоска лобной доли, оно расположено перед центральной бороздой. Поле 6 находится перед полем 4. Оба, как выяснили ученые, играют важную роль в контроле движений. Инсульт часто разрушает и речевые навыки, что служит признаком повреждения центра Брока (поля 44 и 45) или центра Вернике (задняя часть поля 22), оба центра находятся в левом полушарии.
Друзья и близкие больных мучительно хотят узнать, насколько возможно какое-то восстановление после инсульта. Будет ли дедушка снова ходить? А разговаривать? Двигательные функции жертв инсульта имеют тенденцию улучшаться со временем, но после трех месяцев это улучшение практически прекращается. Речевые навыки также восстанавливаются быстрее всего именно в ходе этих первых трех месяцев, хотя процесс может продолжаться еще месяцами или даже годами. Неврологам известно о важности этого трехмесячного периода, однако они толком не знают, почему в эти три месяца происходят столь интенсивные процессы. Но главное – они понятия не имеют, какие изменения происходят в мозгу пациента во время послеинсультной реабилитации.
Очевидно, при этом восстанавливаются функции пораженного участка мозга, целиком или частично. Однако при инсульте некоторые клетки мозга, расположенные близ поврежденного кровеносного сосуда, попросту отмирают, тем самым нанося непоправимый и необратимый ущерб организму. Могут ли уцелевшие участки мозга взять на себя задачу дефектного участка? Представим себе, что во время футбольного матча один из игроков получил мучительную травму, и его унесли с поля. На скамейке не осталось запасных, так что команда, которой теперь не хватает рабочих рук (вернее, ног), будет действовать хуже. Однако по ходу дальнейшего матча оставшиеся футболисты могут адаптироваться к возникшей ситуации. Если до травмы их товарищ занимал атакующую позицию, защитники могут компенсировать утрату, начав выступать и как нападающие.
Таким образом, возникает чрезвычайно важный вопрос: может ли какая-то кортикальная область взять на себя новые функции после повреждения мозга? Есть некоторые свидетельства, подтверждающие, что такое возможно после инсульта. Более веские доказательства дают случаи детских черепно-мозговых травм и заболеваний. Так, эпилепсия характеризуется постоянными спонтанными припадками – эпизодами избыточной нейронной активности. Детей, страдающих особенно частыми и изнурительными припадками, иногда пытаются лечить, целиком удаляя одно полушарие головного мозга. Это едва ли не самая радикальная процедура в нейрохирургии, и поразительно уже то, что большинство детей после нее отлично восстанавливается: они ходят и даже бегают, хотя рука с противоположной удаленному полушарию стороны двигается у них плохо. Умственные способности при этом остаются не затронутыми и могут даже улучшиться после такой операции – если от припадков удалось избавиться.
Кое-кто может заметить, что успешное восстановление после удаления одного полушария – не самая удивительная вещь. Возможно, это как утрата одной почки. Оставшейся почке нет нужды заниматься чем-то новым для себя, она в общем-то действует, как раньше. Но вспомните, что некоторые из умственных функций латерализованы (привязаны к конкретному полушарию мозга), так что левая и правая стороны мозга не эквивалентны. Поскольку левое полушарие специализируется на речевых навыках, его удаление почти наверняка вызовет у взрослого человека афазию. Но для ребенка это не так: лингвистические функции переместятся в правое полушарие, тем самым демонстрируя, что области коры головного мозга действительно способны менять свои функции.
С учетом того, что нам известно о локализации, не стоит удивляться тому, что неврологи умеют догадываться о мес то нахождении поврежденного участка мозга по симптомам. Впрочем, тут есть важное «да, но», которое вас, возможно, удивит. Да, можно построить карту, делящую кору на области с определенными функциями, но эта карта не будет постоянной. Пораженный мозг способен вычертить эту карту заново.
Такое перекраивание карты коры головного мозга после инсульта или операции, осуществляемое самим же мозгом, оказывается куда радикальнее, чем просто утолщение коры, о котором сообщают неофренологи. Может ли перестраивание коры происходить и в здоровом мозгу? Опять-таки, ответ на этот вопрос помогает получить изучение серьезных повреждений – но тела, а не мозга. Вот что пишет в одной из своих статей нейробиолог Мигель Николелис:
Как-то утром, когда я был на четвертом курсе медицинского колледжа, хирург из Университетской больницы бразильского Сан-Паулу, специализировавшийся по сосудистым заболеваниям, пригласил меня посетить ортопедическую палату. «Сегодня будем общаться с призраком, – пообещал врач. – Но не бойтесь. Постарайтесь сохранять спокойствие. Пациент еще не сумел принять то, что с ним случилось, и сильно потрясен».
В этой палате я увидел мальчика двенадцати лет, у него были мутно-голубые глаза и курчавые светлые волосы. Он сидел передо мной. Капли пота усеивали его лицо, искаженное гримасой ужаса. Он весь корчился от боли неизвестного происхождения. «Ужасно больно, доктор. Жжет. Мне как будто ногу дробят», – пожаловался мальчик. Горло у меня стиснуло от жалости. «Где болит?» – спросил я. Он ответил: «Левая ступня, левая лодыжка, вся нога ниже колена!»
Подняв простыни, которые прикрывали его тело, я с ошеломлением увидел, что ноги ниже колена у него вообще нет: оказывается, ее ампутировали, после того как он попал под машину. Я понял, что это фантомная боль – от части тела, которой больше не существует. Когда мы вышли из палаты, хирург заметил: «С нами говорил не он, а его призрачная конечность».
Методы ампутации, применяемые и по сей день, изобрел еще в XVII веке Амбруаз Паре, усовершенствовавшийся в своем искусстве во время службы хирургом при французской армии. Паре родился во времена, когда операции делали брадобреи, поскольку эти процедуры казались грубой мясницкой работой, недостойной врача. Работая на поле битвы, Паре научился перехватывать крупные артерии, чтобы пациент не истек кровью. В дальнейшем Паре стал придворным хирургом при французских королях (он пережил их несколько). Учебники истории называют его «отцом современной хирургии».
Паре первым сообщил о пациентах, подвергшихся ампутации и жалующихся на то, что по-прежнему ощущают боли в воображаемой конечности, причем на том месте, где когда-то болела настоящая. Несколько столетий спустя американский врач Сайлас Вейр Митчелл ввел термин «фантомная конечность», описывая такое же явление у ветеранов Первой мировой войны. Он разбирает множество характерных случаев, показывавших, что фантомные конечности у инвалидов – скорее правило, чем исключение. Почему же этот феномен так долго не замечали? Дело в том, что до хирургических новшеств, внедренных Амбруазом Паре, после ампутации выживали весьма немногие, а жалобы тех немногих, кто все-таки выжил после такой операции, по-видимому, считали всего лишь результатом какой-то галлюцинации, поэтому врачи пренебрегали такими рассказами. Однако в этом явлении нет ничего иррационального: инвалид отлично понимает, что фантомное – это не реальное, однако фантомная конечность обычно причиняет сильную боль, вот пациент и умоляет докторов избавить его от страданий.
Митчелл не только дал явлению название, он еще и выдвинул теорию, которая пыталась это явление объяснить. Врач предположил, что раздраженные нервные окончания культи посылают сигналы в мозг, который интерпретирует их как сигналы, поступающие от утраченной конечности. Под влиянием этой теории некоторые хирурги начали ампутировать и культю, но это не помогло. В наши дни многие нейрофизиологи придерживаются иной теории: фантомные боли вызваны перестраиванием коры головного мозга – меняется ее карта.
Такая реорганизация не затрагивает всю кору: полагают, что процесс сосредоточен в какой-то определенной области. Мы уже знакомы с полем 4, полоской перед центральной бороздой: эта область контролирует движение. Непосредственно за ним располагается поле 3, отвечающее за ощущение прикосновения, температуры и боли. В 1930-х годах канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд при помощи электростимуляции построил для своих пациентов карту обеих областей. Вскрыв перед операцией череп больного эпилепсией, Пенфилд подносил электрод к различным точкам поля 4. Каждое такое воздействие заставляло двигаться какую-то часть тела пациента. Пенфилд нанес на карту соответствия между точками поля 4 и этими частями тела (рис. 12, справа), назвав полученное изображение «моторным гомункулусом». (Слово «homunculus» в буквальном переводе с латыни означает «человечек».) Подобным же образом после каждого акта стимуляции поля 3 пациент сообщал об ощущениях, которые испытывает какая-то часть его тела. Пенфилд нанес на карту этого «сенсорного гомункулуса» поля 3 (рис. 12, слева), и человечек получился похожим на моторного. Оба как бы шли параллельно по противоположным берегам центральной борозды. (Грубо говоря, эти карты представляют вертикальные разрезы – проекции мозга от уха до уха. Разрез для сенсорной карты проходит сразу за центральной бороздой, а для моторной – непосредственно перед этой бороздой. Внешняя граница – кора; всё остальное – внутренняя часть конечного мозга.)
Рис. 12. Функциональные карты кортикальных полей 3 и 4: «сенсорный гомункулус» (
На таких картах основное место занимают лицо и кисти рук, хотя это сравнительно небольшие части тела. Их особая кортикальная роль отражает их особую важность для наших ощущений и движений. Могут ли размеры соответствующих им участков коры меняться после ампутации, которая внезапно сводит к нулю значимость определенной части тела? Задавшись таким вопросом, невролог В. С. Рамачандран и его коллеги предположили, что причина мнимого возникновения фантомных конечностей – перекраивание карты поля 3. Если ампутировать руку ниже локтя, то соответствующая ей территория сенсорного гомункулуса утратит свою функцию. Прилегающие территории, которые отвечают за лицо и часть руки от плеча до локтя, расширят свои границы и как бы захватят ту территорию, которая перестала действовать. (Эти границы можно увидеть на рисунке Пенфилда.) Два «захватчика» теперь начнут представлять часть руки ниже локтя – в придачу к тем частям тела, за которые они отвечали изначально. Вот почему инвалид начнет чувствовать фантомную конечность.
Согласно этой концепции, при таком перестраивании карты определенная территория коры, соответствующая лицу, теперь будет отвечать не только за лицо, но и за часть руки ниже локтя. Поэтому Рамачандран предположил, что тактильная стимуляция лица вызовет тактильные ощущения в фантомной конечности. И в самом деле: когда он касался лица пациента специальной палочкой, обтянутой хлопчатобумажной тканью, тот сообщал об осязательных ощущениях, которые испытывало не только лицо, но и фантомная кисть. Сходным образом эта теория предсказывает, что перекроенная территория коры, соответствующая части руки от плеча до локтя, в таких случаях будет представлять и нижнюю часть руки. Когда Рамачандран трогал культю такого пациента, у того возникали осязательные ощущения не только в культе, но и в фантомной кисти. Эти хитроумные эксперименты весьма впечатляюще подтверждают теорию, согласно которой ампутация вызывает перекраивание поля 3.
Рамачандран и его коллеги использовали не только палочку, обтянутую хлопчатобумажной тканью, но и более передовые методики и технологии. В 1990-е годы в научный обиход вошел многообещающий метод построения изображений мозга – функциональная МРТ. Она позволяла регистрировать активность каждого участка мозга, т. е. определять, насколько задействована та или иная часть мозга в данный момент. В наши дни изображения, полученные методом ФМРТ, часто появляются в прессе. Обычно дают их наложение на черно-белые картинки, полученные при помощи обычной МРТ: они демонстрируют сам мозг, тогда как цветные пятна, полученные методом ФМРТ, показывают его активные участки. Такие снимки легко узнать: ФМРТ + МРТ – это «пятна на мозге», а МРТ – просто мозг, без цветных пятен.
Ученые строили изображения мозга для добровольцев, выполнявших различные умственные задания. Если то или иное задание активизировало определенный участок мозга, тот начинал ярче выделяться на картинке, что давало ключ к пониманию функций этого участка. Развитие нейрофизиологии всегда сдерживалось случайным и непредсказуемым характером повреждений мозга, однако ФМРТ дала возможность проводить точные и воспроизводимые эксперименты по выявлению локализации функций. Карта Бродмана стала поистине незаменимой: исследователи прилагали все усилия, чтобы соотнести те или иные функции с каждой из ее областей. Лавина научных статей, посвященных этому вопросу, побудила многие университеты вложить крупные суммы в аппараты ФМРТ – «мозговые сканеры».
Кроме того, ученые, следуя подходу Пенфилда, построили свои карты сенсорного и моторного гомункулуса. Они заметили, какие места в поле 3 активизируются при прикосновении к тем или иным частям тела и какие места в поле 4 активизируются, когда испытуемый двигает той или иной частью тела. Их очень вдохновило то, что теперь можно строить пенфилдовские карты с помощью ФМРТ, а не варварским методом вскрытия черепной коробки. Исследовали и перестраивание карты мозга (которое проделывает сам мозг). Ученые подтвердили гипотезу Рамачандрана о том, что зона поля 3, соответствующая лицу, у инвалидов смещается вниз. Как и предсказывала его гипотеза, такой сдвиг наблюдался лишь у пациентов, которые испытывали фантомные боли, а не у тех, которым не доставляли страданий их утраченные конечности.
Ампутация – это вам не мозговая травма, но все-таки она представляет собой весьма необычный опыт. А при более нормальных формах приобретения опыта мозг тоже меняет свою «географию»? Скрипачи и другие струнники используют левую руку, чтобы прижимать струны к грифу. Исследования показывают, что у них в поле 3 наблюдается увеличение зоны представления левой руки – вероятно, благодаря интенсивным занятиям музыкой. Примечательно, что ФМРТ позволяет не только связать определенные функции с определенными бродмановскими полями, но и распознать мелкие изменения, происходящие в отдельном поле. Это куда более сложные исследования, чем, к примеру, изучение общего объема мозга по Гальтону. Такие работы должны бы поведать нам много интересного о перестраивании коры и кортикальных карт. Возможно даже, что подобные исследования помогут лучше понять причины двигательных расстройств, которые, как представляется, вызваны слишком большой музыкальной практикой. Подобные недуги (их называют фокальными [торсионными] дистониями) поломали карьеру не одному блистательному исполнителю.
Впрочем, попытки объяснить процесс обучения расширением кортикальных областей или субобластей все-таки отдают френологией, чьи подходы не очень-то отличаются от экспериментов по изучению утолщений коры. Эти опыты все равно дают лишь статистически слабые корреляции. Подход, может быть, и многообещающий, но у него есть свои ограничения. Так, у слепых, регулярно читающих шрифт Брайля, тоже увеличена зона, отвечающая за движения кистей. В этом смысле изучение процессов перестраивания мозговых карт не позволяет с легкостью отличить скрипку от книги с брайлевским текстом, хотя при обращении с тем и с другим требуются весьма несходные навыки и умения. И даже если удастся решить эту конкретную задачу, общая проблема такого различения все равно останется.
Однако у специалистов имеется и другой путь изучения перемен в мозгу, и он не основывается на идее перестраивания коры. При помощи ФМРТ ученые пытаются проследить за различиями в активизации тех или иных участков мозга. Так, сообщалось о пониженной активности лобных долей у шизофреников, когда те выполняют определенные умственные задания. Пока такие корреляции статистически слабы, но это захватывающее направление исследований может многое рассказать нам о мозговых недугах и даже помочь разработать новые, более совершенные методы их диагностики.
При этом у метода ФМРТ, возможно, имеется и фундаментальное ограничение. Активность мозга меняется чуть ли не ежесекундно – почти как наши мысли и действия. Чтобы найти причину шизофрении, мы должны принять какую-то аномалию мозга за константу (постоянную величину). Представьте, что ваш автомобиль начинает трястись всякий раз, когда вы разгоняетесь быстрее 50 км/ч и поворачиваете руль вправо. Поскольку такое поведение наблюдается не всегда, оно представляет собой лишь симптом и вызвано какими-то неполадками в вашей машине, возникшими на более глубинном уровне. Умение выявить симптомы очень важно, однако это лишь первый шаг к тому, чтобы распознать их причину.
Почему мы вообще продолжаем использовать френологический подход для того, чтобы объяснить умственно-психические различия между людьми? Нет, не потому, что эта стратегия так уж хороша. Помните анекдот про полицейского, который обнаружил пьяного, ползающего под фонарем? Пьяница заявляет: «Я потерял ключи где-то там, за углом». Страж порядка спрашивает: «Тогда почему бы вам не поискать их там?» Бедняга отвечает: «Я бы поискал, но под фонарем светлее». Подобно этому пьянице, мы работаем с тем, что есть. Мы знаем, что размеры мозга и его отдельных участков мало что могут сообщить нам об их функциях, но мы все равно изучаем размеры, поскольку существующие на данный момент технологии способны поведать нам только это.
Чтобы понять недостатки френологии, приведем пример более успешной привязки функций к размерам. Оставим пока вопрос о том, почему мозговитые люди умнее. Зададимся вопросом, почему мускулистые люди сильнее. Размер мышц можно определить с помощью всё той же МРТ, а мышечную силу – с помощью устройства, которое вы могли видеть в тяжелоатлетическом зале вашего фитнес-клуба. Специалисты установили, что коэффициенты корреляции здесь колеблются от 0,7 до 0,9. Это гораздо более сильная корреляция, нежели между размером мозга и величиной IQ. Размеры мышц позволяют точно предсказывать их силу, как и следовало ожидать.
Почему размер и функционирование так тесно связаны для мышц, но не для мозгов? Мышцу можно сравнить с заводом, где все рабочие делают одно и то же. Если каждый сотрудник завода в одиночку выполняет все стадии работы, которые требуются для сборки всего изделия, то удвоение количества сотрудников приведет к удвоению объема продукции, выпускаемой заводом. Точно так же и с мускулами. Все мышечные волокна выполняют одну и ту же задачу. Все они идут параллельно, все тянут в одну и ту же сторону. Их вклад в общее развиваемое усилие аддитивен (иными словами, сумма их усилий равно общему усилию). Поэтому мышцы, где больше волокон, будут сильнее.
А теперь представьте себе завод, устроенный более сложным образом. Все рабочие на нем выполняют разные задачи: к примеру, один закручивает болты, другой сваривает стыки. Чтобы изготовить даже один-единственный экземпляр изделия, все рабочие должны действовать сообща. Экономисты утверждают, что такое разделение труда эффективно: специализация позволяет каждому рабочему оттачивать навыки в выполнении своей задачи. Однако при этом простое удвоение числа рабочих едва ли приведет к автоматическому удвоению количества выпускаемой продукции. Не так-то просто интегрировать новых рабочих в существующий коллектив таким образом, чтобы выход продукции увеличился. Более того, добавление новых сотрудников может даже уменьшить выход продукции, поскольку оно нарушит устоявшийся производственный процесс. Шуточный закон Брукса, популярный среди разработчиков компьютерного софта, гласит: «Если проект отстает от графика, он будет отставать еще сильнее, если увеличить число программистов».
Мозг работает, как сложно устроенный завод, о котором мы говорили. Каждый из нейронов выполняет свою крошечную задачу, и они затейливейшим образом сотрудничают друг с другом, чтобы выполнять умственно-психические функции. Вот почему успешность выполнения этих функций зависит не столько от количества нейронов, сколько от того, как они организованы.
Итак, аналогия с заводом объясняет те ограничения, в рамках которых существует френология. Может быть, эта аналогия объяснит и перестраивание карт мозга? Карл Лешли, американский нейропсихолог, полагал, что умственно-психические функции широко распределены по коре головного мозга, и объявлял большинство границ на бродмановской карте плодом воображения. Тем не менее этот заклятый враг локализационизма не мог совсем уж отвергнуть экспериментальные доказательства этой гипотезы. В противовес ей он в 1929 году выдвинул свою концепцию кортикальной
Снова представим себе завод, но другой, устроенный сложнее. Предположим, какому-то сотруднику этого завода поручили новую работу. Поначалу он будет выполнять ее неловко и неуклюже, но в конце концов научится делать ее эффективно. Да, у рабочих есть специализация, но при этом они эквипотенциальны. Если дать им новую информацию, они способны изменить свои функции.
Что ж, в концепции Лешли есть доля истины, однако и этот подход чересчур поверхностен. Адаптируемость коры не беспредельна, иначе всякий человек, переживший инсульт, через какое-то время мог бы полностью выздороветь. Чтобы понять пределы адаптации и разработать способы ее улучшения, нам требуется более глубокое понимание вопроса. Мы знаем, что кора головного мозга способна сама перестраиваться и менять собственную карту, но как именно при этом меняются функции той или иной области коры?
На этот вопрос нельзя ответить без обращения к более основополагающей проблеме: что определяет функции той или иной кортикальной области? Центры Брока и Вернике отвечают за речевые навыки, бродмановские поля 3 и 4 – за телесные ощущения и движение. Но
Бесполезно искать ответы на эти вопросы, изучая лишь участки мозга, их размеры, уровни их активности. Следует рассмотреть устройство мозга на гораздо более тонком уровне. Одна кортикальная область может содержать свыше ста миллионов нейронов. Как они организованы? Как взаимодействуют, выполняя умственно-психические функции? В последующих нескольких главах мы постараемся углубиться в этот вопрос, не забывая о гипотезе, согласно которой функционирование мозга весьма сильно зависит от связей между нейронами.
Часть вторая
Коннекционизм
Глава 3
Нет нейрона, который был бы как остров
В списке моих любимых клеток нейрон занимает второе место, ненамного отставая от сперматозоида. Если вы никогда не смотрели в микроскоп на бешено снующие туда-сюда сперматозоиды, срочно хватайте своего знакомого биолога за отвороты рабочего халата и требуйте устроить вам просмотр. Восхититесь настойчивостью этих замечательных клеток – ведь им нужно выполнить свою задачу как можно скорее. Поскорбите об их неминуемой гибели. Поразитесь феномену жизни, обнаженной до самых своих основ. Подобно путешественнику с единственным чемоданчиком, сперматозоид мало что носит с собой. У него есть митохондрии, своего рода крошечные электростанции, позволяющие ему хлестать хвостом, как хлыстом. У него имеется ДНК – молекула, несущая в себе план-схему жизни. Ни волос, ни глаз, ни сердца, ни мозга: в этот путь он не захватил ничего лишнего, только информацию, записанную в ДНК с помощью четырехбуквенного алфавита из А, Г, Ц и Т.
Если вы еще не надоели вашему другу-биологу, попросите заодно показать вам и нейрон. Сперматозоид поражает своим непрестанным движением, а нейрон чарует своей удивительной формой. Как и у обычной клетки, у нейрона имеется скучная округлая часть, где находится ядро и ДНК. Но это
В стомиллионной толпе сперматозоидов каждый из них плывет самостоятельно. И своей цели – оплодотворить яйцеклетку – добьется только один. В этом соревновании победитель получает всё. Как только сперматозоид-победитель достигает успеха, яйцеклетка меняет свою поверхность, создавая барьер, который препятствует проникновению других сперматозоидов. И неважно, что свело их вместе – счастливый брак или грязная интрижка: сперматозоид и яйцеклетка всегда образуют моногамную пару.
Рис. 13. Мои любимые клетки: сперматозоид, оплодотворяющий яйцеклетку (
Однако нет нейрона, который был бы как остров[6]. Нейроны любвеобильны и полигамны. Каждый обнимает тысячи других при помощи своих ветвей, извивающихся и переплетающихся, словно спагетти. Так нейроны образуют сеть, все элементы которой в высочайшей степени взаимозависимы.
Сперматозоид и нейрон олицетворяют собой две великих загадки – жизни и разума. Биологам хочется узнать, каким образом бесценный груз ДНК, содержащийся в сперматозоиде, кодирует половину всей информации, необходимой для человеческого существа. Нейробиологам хочется узнать, каким образом гигантская сеть нейронов может думать, чувствовать, помнить и воспринимать – иными словами, как мозг создает потрясающий феномен мышления.
Тело человека тоже по-своему удивительно, однако мозг в нем – главная тайна. То, как сердце качает кровь, или то, как легкие набирают воздух, напоминает нам коммунальные системы в нашем доме. Может быть, эти системы и сложны, но они не кажутся нам загадочными. Вот мысли и эмоции – другое дело. Можем ли мы по-настоящему понять, каким образом их порождает мозг?
Путь в тысячу миль начинается с одного шага. Чтобы попытаться понять мозг, попробуем начать с его клеток. Нейрон – тоже разновидность клетки, только он устроен гораздо сложнее, чем все остальные типы клеток. Это ясно уже по его обильным ветвям. Даже после многих лет изучения нейронов я не устаю поражаться, наблюдая их удивительные формы. Они напоминают мне самое могучее дерево на свете – калифорнийское мамонтово дерево (секвойю). Бродя по лесу Муир или по какому-нибудь другому лесу тихоокеанского побережья Северной Америки, в котором произрастают секвойи, чувствуешь себя карликом среди великанов. Там мы видим деревья, которые живут уже несколько веков или даже тысячелетий: у них было достаточно времени, чтобы вырасти до головокружительной высоты.
Может быть, мое сравнение нейрона с гигантской секвойей чересчур натянуто? Может быть, в нем есть преувеличение? Если говорить об абсолютных размерах, то да. Но давайте подробнее сопоставим эти два чуда природы. Самые крошечные веточки секвойи имеют толщину всего один миллиметр. Это в 100 тысяч раз меньше, чем высота дерева (примерно равная длине футбольного поля). Отросток нейрона, нейрит, может тянуться от одного края мозга до другого, имея при этом всего 0,1 мм в диаметре. Эти величины отличаются в миллион раз. Так что, если говорить об относительных пропорциях, нейрон оставляет секвойю далеко позади.
Но почему у нейронов вообще есть отростки? И почему эти отростки ветвятся, делая нейрон действительно похожим на дерево? Почему ветки есть у секвойи, понятно. Крона мамонтова дерева ловит свет, который является источником энергии для всех растений. Падающий луч света почти наверняка столкнется с каким-то из листьев, а значит, не пролетит до самой земли беспрепятственно. С нейронами дело обстоит сходным образом. Нейрон имеет такую разветвленную форму, чтобы успешнее налаживать связи с собратьями. Если отросток одного нейрона проходит сквозь ветви другого, он почти наверняка столкнется с какой-то из них. Секвойя «хочет», чтобы на нее упал свет, а нейрон «хочет», чтобы его касались другие нейроны.
Всякий раз, когда мы пожимаем кому-то руку, ласкаем ребенка или занимаемся сексом, нам как бы напоминают, что жизнь человека зависит от физического контакта. Но почему соприкасаются нейроны? Едва увидев змею, вы тут же бежите прочь. Вы реагируете на это зрелище, потому что ваши глаза способны передать послание вашим ногам: «Двигайтесь!». Сообщение передают нейроны, но каким образом?
Нейриты упакованы куда плотнее, чем ветви в обычном лесу или даже в тропических джунглях. Лучше представить себе тарелку со спагетти – или микроскопически-тонкими капеллини[7]. Нейриты переплетаются, словно перепутанные макаронные волокна у вас на тарелке. Такое переплетение позволяет каждому нейрону касаться множества других. В точке соприкосновения двух нейронов может возникать так называемый
Но сам по себе контакт еще не порождает синапс, который, как правило, передает какие-то химические послания. Нейрон-отправитель выделяет (секретирует) молекулу
Эти многозначительные явления видны в обычный микроскоп, в котором для получения изображений используется свет, однако их можно увидеть лишь расплывчато. Впрочем, они великолепно обнаруживаются с помощью более совершенных микроскопов, где вместо света применяются электроны. На рис. 14 показан увеличенный в 100 тысяч раз фрагмент мозговой ткани в разрезе. Перед нами два больших круглых сечения нейритов (обозначенных как ax и sp). Подобную картинку можно получить, разрезав спагетти. Стрелка указывает на синапс между нейритами, которые разделены узкой щелью. Здесь видно, что термин «точка контакта» не совсем точен: отростки подходят друг к другу чрезвычайно близко, но всё же
Рис. 14. Синапс конечного мозга
По другую сторону щели располагается молекулярная аппаратура для отправки и приема сигналов. Одну сторону щели усеивает множество крошечных мешочков, именуемых везикулами: на снимке они показаны в виде кружков. В везикулах хранятся молекулы нейротрансмиттера, готовые к использованию. На другой стороне имеется мембрана с темным пухом, именуемым
Каким образом вся эта механика передает химическое послание? Отправитель сбрасывает в межнейронную щель содержимое одной или нескольких везикул. Молекулы нейротрансмиттера распространяются по солевому раствору, который в этой щели содержится. Их присутствие «ощущает» получатель – когда они встречаются с его молекулами-рецепторами, находящимися в ПСУ.
Рис. 15. Шариковые модели нейротрансмиттеров: глутамат (
В качестве нейротрансмиттеров используются многие типы молекул. Каждая, как это принято у молекул, состоит из атомов, связанных друг с другом. (Примеры см. на рис. 15; в этих моделях из шариков и палочек каждый шарик представляет атом, а каждая палочка – химическую связь.) Можно увидеть, что молекулы-нейротрансмиттеры каждого типа обладают своей характерной формой, которая обусловлена определенным расположением атомов.
Этот факт скоро нам пригодится.
Слева – глутамат, наиболее распространенная молекула-нейротрансмиттер. Больше всего среднему человеку известен глутамат натрия, использующийся как усилитель вкуса в китайской и других азиатских кухнях. Мало кто знает, что глутамат играет также важнейшую роль в функционировании мозга. Справа – гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), она занимает среди нейротрансмиттеров второе место по распространенности.
Пока открыто свыше сотни различных нейротрансмиттеров. С виду этот список кажется длинным. Вы когда-нибудь испытывали растерянность в винном магазине, где полки забиты несметным количеством сортов пива и марок вина? Если вы человек привычки, то, возможно, всякий раз покупаете одну-две марки и подаете их друзьям на каждой вечеринке, которую устраиваете. Сходным образом поступают и нейроны. За небольшими исключениями, конкретный нейрон испускает во все свои синапсы лишь небольшой набор нейротрансмиттеров, а часто вообще один-единственный. (Мы говорим сейчас о синапсах, которыми нейрон налаживает связи с другими, а не о тех, с помощью которых
Обратимся теперь к молекулам-рецепторам. Они гораздо крупнее и сложнее, чем нейротрансмиттеры. Часть каждой такой молекулы торчит над поверхностью нейрона, словно голова и руки ребенка, плавающего по воде на надувном круге. Эта выступающая часть рецептора как раз и улавливает присутствие нейротрансмиттера.
Глутаматовый рецептор чувствует глутамат, но игнорирует ГАМК и другие нейротрансмиттеры. Точно так же и ГАМК-рецептор ощущает лишь гамма-аминомасляную кислоту, а на молекулы других нейротрансмиттеров не обращает внимания. В чем причина такой избирательности? Сравним рецептор с замком, а нейротрансмиттер – с ключом. Как мы уже видели, молекула нейротрансмиттеров каждого типа имеет определенную форму, словно узор из выступов и бороздок на ключе. У каждого типа рецепторов имеется так называемая зона связи, обладающая характерной формой, словно внутренние углубления и выступы в замочной скважине. Если форма нейротрансмиттера соответствует форме зоны связи, рецептор активируется, подобно тому как ключ, подходящий к замку, отпирает дверь.
А если вы уже знаете, что мозг использует электрические сигналы, то можно не удивляться, что наркотические вещества способны менять сознание человека. Наркотик тоже состоит из молекул, и можно сделать так, чтобы эти молекулы напоминали по форме нейротрансмиттеры. Если мимикрия достаточно удачна, наркотик активирует рецепторы – подобно тому, как копия ключа открывает тот же замок, что и оригинал ключа. Никотин (основное действующее вещество сигарет, которое и вызывает привыкание) активирует рецепторы, настроенные на нейротрансмиттер ацетилхолин. Другие наркотики, наоборот, деактивируют рецепторы – подобно тому, как плохой дубликат ключа может повернуться в замке не до конца и застрять в нем. Фенциклидин, именуемый среди наркоманов и наркоторговцев «ангельской пылью» (он знаменит своим галлюциногенным действием), деактивирует глутаматовые рецепторы.
На минуту отвлечемся: стоит задуматься, с чем мы обычно ассоциируем выделения. Слюна. Пот. Моча. Находясь в приличном обществе, мы сдерживаем позыв сплюнуть или отхаркаться. Мы запечатываем потовые железы антиперспирантами. Мы спускаем воду в унитазе, пребывая в уединенной тишине. Мы стесняемся собственных выделений, они напоминают нам о том, что мы – существа из плоти и крови. Ну да, все это принадлежит миру, весьма далекому от неземных и возвышенных сущностей – например, от наших мыслей. Однако истина поражает: оказывается, сознание зависит от неисчислимых микроскопических выделений. Мысли – секреция мозга!
Может показаться странным, что нейроны общаются между собой с помощью химических веществ, но ведь мы, люди, делаем то же самое. Ну да, мы куда больше полагаемся на язык или выражение лица. Но иногда мы подаем друг другу сигналы при помощи запахов. Хотя послание, заключающееся в аромате лосьона после бритья или духов, можно интерпретировать по-разному, всё же зачастую легко догадаться: оно означает что-нибудь вроде «я ужасно сексуален» или «подойди-ка сюда». Другим животным нет необходимости покупать запахи во флаконах. Сука в течке естественным образом выделяет вещество-сигнал, именуемое феромоном: оно распространяется по всей округе, в буквальном смысле водя за нос целые стаи кобелей.
Подобные химические послания выражают желание куда примитивней, чем сонеты Шекспира. Но, опять-таки, то же самое делают стишки-валентинки. Следует различать посланника и послание. Разве в использовании химических сигналов для коммуникации есть что-то глубинно-примитивное? Да, у такого средства есть некоторые ограничения, но мозг нашел способ обходить их.
Химические сигналы обычно распространяются сравнительно медленно. Когда женщина входит в комнату, вы, как правило, услышите стук ее каблучков и увидите ее платье еще до того, как уловите аромат ее духов. Сквозняк, веющий в вашу сторону, может донести до вас этот запах чуть быстрее, но все равно звук и изображение дойдут до вас раньше. Однако нервная система способна на мгновенную реакцию. Когда вы внезапно шарахаетесь от несущейся на вас машины, управляемой безрассудным водителем, ваши нейроны весьма быстро подают друг другу сигналы. Как им это удается проделать при помощи химических посланий?
Что ж, даже самый неуклюжий бегун способен завершить гонку в мгновение ока, если дорожка всего несколько шагов длиной. Химические сигналы, может быть, и движутся медленно, однако расстояние, которое они должны преодолеть, равно всего лишь ширине синаптической щели, а значит, чрезвычайно мало.
Кроме того, химические сигналы могут показаться слишком грубым методом коммуникации, поскольку трудно посылать их в строго определенную мишень. Все участники вечеринки, обступившие женщину, способны обонять ее духи. А ведь было бы куда романтичнее, если бы этот аромат мог ощущать лишь ее возлюбленный, правда? Увы, ни один парфюмер пока не сумел изобрести столь избирательное благовоние. Что же мешает химическим посланиям на одном синапсе распространяться подобно духам и восприниматься другими синапсами? Дело в том, что синапс «бережет» нейротрансмиттер и тут же втягивает его в себя для повторного использования или же переводит в неактивную форму, так что молекулы нейротрансмиттера практически теряют возможность свободно блуждать. Нервной системе не так-то просто свести к минимуму эти взаимные помехи (так инженеры именуют подобное нежелательное распространение сигнала), поскольку синапсы теснятся очень близко друг к другу. Миллиард синапсов на кубический миллиметр: в мозгу настоящая толпа, поплотнее, чем на Манхэттене, а ведь жители этого острова частенько жалуются, что слышат доносящиеся из соседних квартир разговоры (и многое другое).
И наконец, не так-то просто контролировать выбор времени для подачи химических сигналов. Аромат духов женщины, покинувшей вечеринку, может еще долго витать в комнате. Чтобы нейротрансмиттеры не болтались без дела, существует механизм их повторного использования или перевода в неактивную форму – сходный с тем, который применяется для гашения взаимных помех. Это позволяет межнейронным химическим посланиям передаваться в строго определенное время.
Эти свойства синаптического «общения» – высокая скорость, избирательность, точность выбора времени – не так уж характерны для других типов химической коммуникации в вашем организме. После того как вы отскочили от мчащегося на вас автомобиля, сердце у вас колотится сильнее, вы тяжело дышите, кровяное давление подскакивает. Всё это происходит из-за того, что ваша надпочечная железа выделила в кровеносную систему адреналин, и его присутствие ощутили клетки вашего сердца и легких, а также сосуды. Такие реакции – «адреналиновая лихорадка» – могут казаться мгновенными, однако на самом деле они довольно неспешны. Ведь всё это происходит уже после того, как вы отпрыгнули от машины, ибо адреналин распространяется по кровотоку медленнее, чем летают сигналы от нейрона к нейрону.
Секреция гормонов в кровь – наиболее неразборчивый тип коммуникации, его называют «универсальным вещанием». Одну и ту же телепрограмму смотрят во многих домах, один и тот же аромат духов обоняют все в комнате, а присутствие одного и того же гормона ощущают многие клетки многих органов. Напротив, коммуникация в синапсе ограничена лишь двумя нейронами, которые в нее вовлечены, подобно тому как телефонный звонок соединяет лишь двух абонентов. Такое общение «из точки в точку» куда избирательнее универсального вещания.
Кроме химических сигналов, которые передаются между нейронами, в мозгу возникают еще и электрические сигналы. Они распространяются внутри нейронов. Нейриты содержат в основном солевые растворы, они не сделаны из металла, однако по форме и функциям напоминают телекоммуникационные провода, опутывающие нашу планету. Электрические сигналы могут распространяться по нейритам на весьма большие расстояния – точно так же, как подобные же сигналы идут по проводам. (Любоп ытно отметить: математические уравнения, которые лорд Кельвин в XIX веке вывел для описания процесса распространения электросигналов по подводному телеграфному кабелю, применялись и для моделирования процессов, происходящих в нейритах.)
В 1976 году легендарный инженер Сеймур Крей представил публике один из самых знаменитых суперкомпьютеров в истории –
Рис. 16. Суперкомпьютер
Пока я говорил о нейритах в общем, однако у многих нейронов есть по два типа отростков –
Дендриты и аксоны не только выглядят по-разному, но еще и играют различную роль в передаче химических сигналов. Дендриты – «принимающая сторона» синапсов. В мембранах дендритов содержатся молекулы-рецепторы. Аксоны посылают сигналы другим нейронам, выделяя нейротрансмиттеры в синапсы. Иными словами, типичный синапс – это связь между аксоном, который передает сигнал, и дендритом, который его принимает.
Электрические сигналы дендритов и аксонов также различаются. В аксонах электрические сигналы – краткие импульсы (так называемые
Пики эти заставляют вспомнить об азбуке Морзе, вам она, возможно, знакома по старому кино: это последовательность длинных и коротких сигналов, создаваемая телеграфистом, который нажимает на ключ. В первых системах телекоммуникации только подобные сигналы удавалось расслышать сквозь статические помехи. Чем больше расстояние, на которое передается любой сигнал, тем сильнее он искажается помехами. Вот почему азбука Морзе до сих пор используется для сверхдальней связи – даже спустя много десятилетий после того, как для местных звонков стал вовсю применяться телефон. Природа «изобрела» потенциалы действия практически с той же целью: чтобы передавать информацию в мозгу на относительно большие расстояния. Поэтому нервные импульсы возникают главным образом в аксоне – самом длинном типе нейритов. В сравнительно небольшой нервной системе, как у
Поделиться книгой: