Расстроенная психика. Что рассказывает о нас необычный мозг

Эрик Кандель

Расстроенная психика. Что рассказывает о нас необычный мозг

Посвящается Дениз, моему постоянному компаньону, строжайшему критику и неисчерпаемому источнику вдохновения

Психика подобна айсбергу, лишь седьмая часть которого виднеется над поверхностью.

Зигмунд Фрейд

© Eric R. Kandel, 2018

© З. Мамедьяров, перевод на русский язык, 2021

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2021

© ООО “Издательство АСТ”, 2021

Издательство CORPUS ®

Введение

Всю свою профессиональную жизнь я пытался разобраться, как работает мозг и какие мотивы определяют поведение людей. Бежав из Вены маленьким мальчиком вскоре после гитлеровской оккупации, я всерьез заинтересовался одной из величайших загадок человеческого бытия: как может одно из самых развитых и культурных обществ на Земле так быстро вставать на путь зла? Как люди делают выбор, сталкиваясь с моральной дилеммой? Можно ли исцелять расщепленную личность взаимодействием с профессионалами? Я стал психиатром в надежде разобраться в этих сложных вопросах.

Однако осознав, насколько сложны проблемы психики, я обратился к вопросам, на которые научные исследования могут дать более однозначные ответы. Я погрузился в работу с небольшими скоплениями нейронов в очень простом животном и со временем определил, какие процессы лежат в основе элементарных форм обучения и памяти. Хотя я всегда работал с энтузиазмом и мои труды не оставались незамеченными, я отчетливо сознаю, что мои находки стали лишь небольшим шагом к пониманию сложнейшей сущности во Вселенной – человеческой психики.

Это стремление воодушевляло философов, поэтов и врачей с самой зари человечества. Максима, высеченная при входе в храм Аполлона в Дельфах, гласила: “Познай самого себя”. С тех пор как Сократ и Платон впервые задумались над природой человеческой психики, выдающиеся мыслители каждого поколения пытались объяснить чувства, поведение, мысли, воспоминания и созидательную энергию, которые делают нас такими, какие мы есть. Ранние мыслители ограничивали подобные поиски интеллектуальными рамками философии, и это отражено в заявлении французского философа XVII века Рене Декарта: “Я мыслю, следовательно, я есть”. Философия Декарта строилась на убеждении, что психика[1] человека отделена от тела и функционирует независимо1.

Одним из крупных шагов к современности стало осознание того, что Декарт всё перепутал: на самом деле “я есть, следовательно, я мыслю”. Концептуальная перестройка произошла в конце XX века, когда философская школа, занимавшаяся вопросами психики и возглавляемая такими авторитетами, как Джон Сёрл и Патрисия Чёрчленд, слилась со школой когнитивной[2] психологии2, науки о разуме, после чего обе они объединились с нейронаукой, наукой о мозге. Так родился новый, биологический подход к психике. В основе этого беспрецедентно научного ее исследования лежит представление о психике как о совокупности процессов, выполняемых мозгом, поразительно сложным вычислительным устройством, которое формирует наше восприятие внешнего мира, генерирует наш внутренний опыт и контролирует наши действия.

Новая биология психики – последний шаг в интеллектуальной прогрессии, которая началась в 1859 году, с дарвиновского описания эволюции нашей телесной формы. В классическом труде “Происхождение видов” Дарвин высказал мысль, что мы не уникальные творения всемогущего бога, а биологические существа, эволюционировавшие из более простых животных предков и так же, как и они, сочетающие инстинктивное поведение с выученным. Эту мысль Дарвин радикализировал и углубил в книге “О выражении эмоций у человека и животных”3 (1872), заявив, что наши психические процессы эволюционировали от предковых животных примерно так же, как морфологические характеристики. Иными словами, наша психика не эфирна и вполне поддается объяснению понятиями материального мира.

Вскоре исследователи мозга, и я в том числе, поняли: раз животные попроще демонстрируют эмоции, подобные нашим, – например, страх и тревогу в ответ на угрозу физической расправы или ослабление общественного положения, – то мы могли бы изучать наши эмоциональные состояния на этих животных. Впоследствии работа с животными моделями показала, что, как и предсказывал Дарвин, даже наши когнитивные процессы, включая примитивные формы сознания, эволюционировали из процессов, характерных для наших предковых животных.

Нам повезло, что психические процессы человека и более простых животных частично совпадают и мы можем на элементарном уровне изучать работу психики на примере этих животных, поскольку человеческий мозг поразительно сложен. Наиболее очевидна – и наиболее загадочна – сложность нашего самосознания.

Самосознание заставляет нас задаваться вопросами, кто мы и зачем живем. Существованием множества мифов о творении – историй, которые каждое общество рассказывает о своем происхождении, – мы обязаны этой необходимости объяснять Вселенную и свое место в ней. Именно стремление найти ответы на экзистенциальные вопросы во многом определяет нашу сущность. А стремление разгадать, как запутанные взаимодействия мозговых клеток порождают сознание и самосознание, во многом определяет развитие науки о мозге.

Как человеческая природа порождается физической материей мозга? Мозг может достигать самосознания и с поразительной скоростью и точностью выполнять вычислительные задачи благодаря тому, что его 86 миллиардов нервных клеток – нейронов – взаимодействуют друг с другом посредством высокоточных контактов. Ранее мы с коллегами показали на простом морском беспозвоночном – аплизии, – что схемы этих контактов, называемых синапсами, могут меняться по мере приобретения опыта. Именно это позволяет нам учиться и адаптироваться к изменениям окружающей среды. Однако связи между нейронами могут меняться и в результате травмы или болезни. Более того, некоторые связи могут формироваться в ходе индивидуального развития некорректно или не формироваться вовсе. В таких случаях возникают болезни мозга.

Сегодня изучение болезней мозга позволяет нам лучше, чем когда-либо, понять, как функционирует нормальная психика. Например, знания об аутизме, шизофрении, депрессии и болезни Альцгеймера помогают нам выяснить, какие нейронные сети вовлечены в социальные взаимодействия, мышление, чувства, поведение, память и творческие процессы, равно как и изучение этих сетей способствует пониманию болезней мозга. Говоря образно, подобно тому как комплектующие компьютера показывают, за что именно они отвечают, только при их поломке, функции нейронных сетей мозга становятся очевидными именно тогда, когда эти сети формируются неправильно или сбоят.

Эта книга рассказывает, как мозговые процессы, формирующие нашу психику, могут расстраиваться, вызывая изнурительные, преследующие человечество заболевания: аутизм, депрессию, биполярное расстройство, шизофрению, болезни Альцгеймера и Паркинсона, посттравматическое стрессовое расстройство. Она объясняет, почему изучение этих расстроенных процессов так важно и для понимания нормальной работы мозга, и для выявления новых способов лечения его расстройств. Кроме того, она показывает, что мы можем обогатить свои представления о работе мозга, изучая ее нормальные вариации, такие как траектории дифференциации мозга, определяющие пол и гендерную идентичность человека. Наконец, книга демонстрирует, как биологический подход к психике помогает делать первые шаги к разгадке тайн сознания и творчества. В частности, мы найдем в ней удивительные примеры творческих порывов людей с шизофренией и биполярным расстройством и поймем, что их творчество порождают те же связи между мозгом, психикой и поведением, которые характерны для всех нас. Современные исследования сознания и его расстройств позволяют предположить, что сознание – это не целостная, единообразная функция мозга, а совокупность различных состояний психики в разных контекстах. Более того, как обнаружили ранние исследователи и уверял Зигмунд Фрейд, наше сознательное восприятие, наши мысли и поступки опираются на бессознательные психические процессы.

В широком масштабе биологическое изучение психики – нечто большее, чем просто научное изыскание, сулящее углубление наших представлений о мозге и разработку новых методик лечения людей, страдающих болезнями мозга. Успехи в биологии психики создают условия для рождения нового гуманизма, объединяющего естественные науки, ориентированные на мир природы, с гуманитарными, ориентированными на содержание человеческого опыта. Новый научный гуманизм, во многом основанный на биологических знаниях о различиях в работе мозга, фундаментальным образом изменит наши представления о себе и друг о друге. Благодаря самосознанию каждый из нас и так ощущает себя уникальным, но мы сможем получить биологическое подтверждение своей индивидуальности. В свою очередь, это углубит наши представления о человеческой природе, понимание коллективной и индивидуальной человечности, а также уважение к ним.

Глава 1

Что могут рассказать о нас болезни мозга

Величайшая задача науки заключается в том, чтобы понять, как тайны человеческой природы – выражаемые в нашем личном переживании мира – зарождаются в физической материи мозга. Как закодированные сигналы, передаваемые миллиардами нервных клеток мозга, порождают сознание, любовь, язык и искусство? Как фантастически сложная сеть контактов рождает наше чувство идентичности, нашу самость, которая развивается по мере взросления, но остается поразительно неизменной в дальнейшем? Все эти загадки самости веками занимали философов.

Один из способов раскрыть эти тайны – ответить на переформулированный вопрос: что происходит с нашим чувством самости[3], когда мозг функционирует некорректно, когда ему мешает травма или болезнь? Последствия в виде фрагментации или потери чувства самости описывали врачи и оплакивали поэты. Позже нейробиологи исследовали, как разрушается самость при повреждении мозга. Знаменитым примером стал прораб Финеас Гейдж, который в XIX веке участвовал в прокладке железной дороги. Его личность кардинально изменилась после того, как лом пробил переднюю часть его мозга. Знавшие его до травмы высказались по этому поводу просто: “Гейдж больше не Гейдж”.

Предложенный подход подразумевает существование набора “нормальных” вариантов поведения – как для индивида, так и для людей в целом. Границу между “нормальным” и “ненормальным” в разных обществах на разных этапах истории прокладывали в разных местах. Иногда людей с психическими отклонениями считали “одаренными” или “святыми”, но чаще их признавали “чокнутыми” или “одержимыми” и подвергали жесточайшей травле. Современная психиатрия попыталась описать и каталогизировать психические расстройства, но периодические перемещения разных вариантов поведения через черту, отделяющую нормальное от патологического, свидетельствуют о расплывчатости и непостоянстве этой границы.

Все эти варианты поведения – от признаваемых нормальными до признаваемых ненормальными – объясняются индивидуальной вариабельностью мозга. Любая наша деятельность, любые чувства и мысли, которые дают нам ощущение индивидуальности, рождаются в мозге. Когда вы пробуете персик, принимаете сложное решение, чувствуете меланхолию или переживаете прилив радости от созерцания картины, вы полностью полагаетесь на биологический аппарат мозга. Именно ваш мозг делает вас вами.

Вероятно, вы уверены, что воспринимаете мир таким, какой он есть: что персик, который вы видите, нюхаете и пробуете, именно такой, каким вы его воспринимаете. Вы полагаете, что ощущения поставляют вам достоверную информацию, а потому ваши восприятия и поступки опираются на объективную реальность. Однако это верно лишь отчасти. Ощущения действительно дают вам информацию, необходимую для действий, но они не преподносят вашему мозгу объективную реальность. Вместо этого они предоставляют ему информацию, необходимую для конструирования реальности.

За каждое из наших ощущений отвечает отдельная система мозга, и каждая система настроена на обнаружение и интерпретацию[4] определенного аспекта внешнего мира. Информация по каждому ощущению собирается клетками, предназначенными для улавливания самых тихих звуков, самых легких прикосновений и малейших движений, и эта информация по специализированному каналу передается в ту область мозга, которая отвечает за конкретное ощущение. Затем мозг анализирует ощущения, привлекая соответствующие эмоции и воспоминания о прошлом опыте, чтобы конструировать внутреннюю репрезентацию внешнего мира. В итоге эта созданная, “собственная” реальность – отчасти бессознательная, отчасти осознаваемая – направляет наши мысли и поступки.

Обычно наша внутренняя репрезентация мира в значительной степени совпадает с репрезентациями других людей, поскольку мозг нашего ближнего эволюционировал, чтобы работать так же, как наш. Иными словами, одни и те же нейронные сети отвечают за одни и те же психические процессы в мозге всех людей. Возьмем, например, речь: нейронные сети, ответственные за выражение мыслей речью, находятся в одной области мозга, а сети, ответственные за понимание речи, – в другой. Если в процессе развития эти нейронные сети формируются неправильно или если они “разрываются”, речевые психические процессы расстраиваются, и мы начинаем воспринимать мир иначе, чем другие, а следовательно, действуем тоже иначе.

Нарушения работы мозга могут быть пугающими и трагичными – это подтвердит любой, кто хоть раз наблюдал большой эпилептический приступ[5] или муки тяжелой депрессии. Серьезные психические болезни могут разрушать людей и их семьи, а глобальный урон от них просто неизмерим. Но некоторые нарушения типичной схемы нейронных сетей могут давать людям преимущества и упрочнять их индивидуальность. На самом деле удивительно много людей, страдающих тем, что можно признать расстройством, предпочли бы не избавляться от этого аспекта своей личности. Наше чувство самости может быть столь сильным и существенным, что мы не хотим отказываться даже от тех его компонентов, которые заставляют нас страдать. Лечение таких состояний слишком часто угрожает чувству самости. Лекарственные препараты могут подавлять наши мыслительные процессы, волю и напряженность внимания.

Болезни мозга – это своеобразное окно, позволяющее разглядеть типичный здоровый мозг. Чем больше врачи и ученые узнают о них, наблюдая пациентов или проводя нейробиологические и генетические исследования, тем лучше они понимают, как работает психика, когда все нейронные сети функционируют как положено, и тем более вероятной становится разработка эффективного лечения их поломок. Чем больше мы узнаём о необычных формах психики, тем легче нам – как индивидам и как обществу – понимать и принимать людей, которые мыслят иначе, и сложнее – стигматизировать[6] и отвергать.

Пионеры неврологии и психиатрии

Примерно до 1800 года болезнями считались лишь те расстройства, которые возникали в результате очевидного – заметного при вскрытии – повреждения мозга, и эти расстройства назывались неврологическими. Расстройства мышления, чувственного познания и настроения, как и наркомания, не связывались с видимыми повреждениями мозга и потому считались дефектами морального облика человека. Лечить таких “слабоумных” полагалось “закалкой”, для чего их изолировали в лечебницах, приковывали к стенам, подвергали лишениям и даже пыткам. Неудивительно, что такой подход был медицински бесполезен и психологически разрушителен.

В 1790 году французский врач Филипп Пинель официально основал ту область, которая сегодня называется психиатрией. Он утверждал, что психические расстройства – это не нравственные изъяны, а настоящие болезни, а потому психиатрию следует считать разделом медицины. Пинель освободил пациентов большой парижской психиатрической больницы Сальпетриер от оков и ввел гуманные, ориентированные на психологию принципы лечения, которые стали предвестниками современной психотерапии.

Пинель считал, что психические расстройства поражают людей, имеющих к ним наследственную предрасположенность и испытывающих чрезмерное общественное или психологическое давление. Его представления о психических болезнях были удивительно близки к современным.

Хотя Пинель оказал огромное моральное влияние на психиатрию, гуманизировав лечение пациентов, прогресса в понимании психических расстройств затем не было вплоть до начала XX века, когда великий немецкий психиатр Эмиль Крепелин основал современную научную психиатрию. Влияние Крепелина невозможно переоценить, и на страницах этой книги я снова и снова буду обращаться к его достижениям, поскольку они пронизывают все этапы истории неврологии и психиатрии.

Крепелин был современником Зигмунда Фрейда, однако если Фрейд полагал, что психические болезни хоть и локализуются в мозге, но приобретаются в ходе жизненного опыта – часто из-за травматических переживаний в раннем детстве, – то Крепелин усматривал в них биологическое происхождение, генетическую основу. Из этого он заключал, что психические заболевания можно отличать друг от друга так же, как и любые другие: наблюдая за их первыми проявлениями, клиническим течением и долгосрочными исходами. Это заключение сподвигло Крепелина выстроить современную систему классификации психических болезней, которой мы пользуемся по сей день.

Взглянуть на психические болезни с биологической точки зрения Крепелина вдохновили Пьер Поль Брока́ и Карл Ве́рнике – врачи, которые впервые продемонстрировали, что мы можем многое узнать о себе, изучая болезни мозга. Брока и Вернике обнаружили, что конкретные неврологические расстройства можно связать с конкретными областями мозга. Их прорывные исследования заложили фундамент современной науки о мозге, поскольку помогли понять, что психические функции, обеспечивающие нормальное поведение, тоже можно связать с конкретными областями мозга и их совокупностями.

В начале 1860-х Брока заметил у одного из своих пациентов – страдавшего сифилисом мужчины по фамилии Леборн – весьма любопытный дефект речи. Леборн прекрасно понимал речь, но не мог выражать свои мысли. Он понимал, что ему говорили, поскольку мог в точности выполнять указания, но всякий раз, когда он пытался заговорить сам, из его уст вырывалось лишь нечленораздельное бормотание. Его голосовые связки не были парализованы – он без труда напевал мелодии, – но его мысли почему-то не облекались в слова: он не мог ни говорить, ни писать.

После смерти Леборна Брока изучил его мозг, надеясь найти объяснение этому недугу. Он обнаружил в передней части левого полушария область, пораженную болезнью или травмой. Впоследствии Брока нашел еще восемь пациентов с такой же речевой патологией и выяснил, что у всех них повреждена одна и та же область в левой половине мозга, позже названная зоной Брока (рис. 1.1). На основании этого Брока сделал вывод, что за нашу способность к речи отвечает левое полушарие мозга, или его же словами: “Мы говорим левым полушарием”4.

В 1875 году Вернике наблюдал зеркальную картину дефекта Леборна. Один из его пациентов свободно владел речью, но не мог ее понимать. Если врач говорил ему “положить предмет А на предмет Б”, пациент терялся в догадках, о чем же его просят. Вернике связал дефицит понимания речи с повреждением задней части левого полушария, теперь известной как зона Вернике (рис. 1.1).

Он же выяснил, что такие сложные психические функции, как речь, нельзя локализовать в одной области мозга: они задействуют несколько взаимосвязанных областей. Подобные сети формируют нейронную “проводку” мозга. Вернике показал не только то, что за понимание и производство речи отвечают разные области мозга, но и то, что эти области связаны друг с другом дугообразным пучком. Информация, которую мы получаем при чтении, через глаза передается в зрительную кору, а информация, которую мы слышим, через уши поступает в слуховую кору. Затем информация из этих двух участков коры объединяется в зоне Вернике, где преобразуется в нейронный код[7] для понимания речи. Только после этого информация передается в зону Брока, позволяя нам выражать свои мысли (рис. 1.1).

Вернике предсказал, что однажды кто-нибудь выявит расстройство речи, вызванное разрывом связи между зонами Вернике и Брока. Так и оказалось: люди с поврежденным дугообразным пучком не испытывают трудностей с пониманием речи и изъяснением, однако эти функции осуществляются независимо. Это немного напоминает президентскую пресс-конференцию: информация поступает, информация выходит, но между первой и второй нет никакой логической связи.

Сегодня ученые считают, что и другие сложные когнитивные навыки требуют участия разных, но взаимосвязанных областей мозга.

Рис. 1.1. Анатомический путь понимания (зона Вернике) и производства (зона Брока) речи. Зоны связаны дугообразным пучком.

Хотя нейронная схема владения речью в итоге оказалась еще более сложной, чем полагали Брока и Вернике, их открытия стали основой для современных представлений о неврологии речи и даже о неврологических расстройствах. Сосредоточив внимание на локализации заболеваний (место, место и еще раз место!), Брока и Вернике обеспечили значительный прогресс в диагностике и лечении неврологических расстройств. Конечно, ущерб от неврологических болезней в мозге обычно хорошо заметен, и потому выявлять их гораздо проще, чем большинство психических расстройств, поражающих мозг гораздо деликатнее.

Стремление локализовать функции мозга резко набрало обороты в 1930–1940-х. В те годы прославленный канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд оперировал пациентов с эпилепсией, вызванной рубцеванием в мозге после травмы головы. Пенфилд пытался провоцировать у них ауру – особые ощущения, нередко предваряющие эпилептический приступ. Если это получалось, врач понимал, какой крошечный фрагмент мозга необходимо удалить, чтобы облегчить течение болезни, не нарушив важные функции вроде речи или способности двигаться.

Во время операции пациенты Пенфилда пребывали в сознании – в мозге нет рецепторов боли – и говорили ему, что ощущают, когда он стимулировал разные области их мозга. Проведя за несколько лет почти 400 операций, Пенфилд установил, какие зоны мозга отвечают за осязание, зрение, слух и движения разных частей тела. Его карты сенсорных и двигательных функций используются по сей день.

Но одно из открытий Пенфилда поистине поразительно. При стимуляции височной доли мозга – той его части, которая находится прямо над ухом, – пациент мог вдруг сказать: “Такое впечатление, что я о чем-то вспоминаю. Cлышу звуки, песни, фрагменты симфоний”. Или: “Я слышу колыбельную, которую пела мне мама”. Пенфилд задумался, можно ли локализовать столь сложный и таинственный психический процесс, как память, в конкретных областях мозга. В конце концов он сам и другие ученые пришли к выводу, что это вполне реально.

Нейроны: структурные единицы мозга

Открытия Брока и Вернике показали, где в мозге локализованы те или иные психические функции, но не объяснили, как мозг их выполняет. Врачи не смогли ответить на основополагающие вопросы: какова биологическая организация мозга и каковы принципы его работы?

Биологи уже установили, что тело состоит из отдельных клеток, но мозг казался иным. Изучая ткани мозга под микроскопом, они видели беспорядочные переплетения, у которых нельзя было вычленить ни начала, ни конца. Поэтому многие ученые представляли нервную систему единой, сплошной сетью из переплетенных волокон и сомневались в существовании отдельных нервных клеток.

Затем в 1873 году итальянский врач Камилло Гольджи совершил открытие, которое буквально перевернуло представления о мозге. Вводя в срезы мозга растворы дихромата калия и нитрата серебра, он наблюдал, как небольшая часть клеток – по причине, не установленной до сих пор, – вбирала в себя краситель и становилась черной: из непроглядного массива нервной ткани вдруг выступала изящная, элегантная структура отдельных нейронов (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Окрашивание по Гольджи

Первым ученым, который извлек пользу из открытия Гольджи, был молодой испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль. В конце XIX века он применил метод Гольджи к мозговым тканям новорожденных животных. Это был мудрый шаг: на ранних стадиях развития в мозге меньше нейронов и форма их проще, поэтому по сравнению с нейронами зрелого мозга рассматривать их легче. Окрашивая по Гольджи фрагменты недоразвитого мозга, Рамон-и-Кахаль получил возможность различать клетки и изучать их по отдельности.

Одни клетки напоминали развесистые кроны старых деревьев, другие увенчивались компактными “кустиками”, а “ветви” третьих, изогнувшись, устремлялись в невидимые области мозга – Рамон-и-Кахаль видел, что формы этих клеток значительно отличались от простых, строго определенных форм других клеток тела. Несмотря на такое поразительное многообразие нейронов, Кахаль установил, что у каждого из них есть четыре основных анатомических компонента (рис. 1.3): тело клетки, дендриты, аксон и пресинаптические терминали, которые оканчиваются тем, что мы сейчас называем синапсами. Основной компонент нейрона – это тело, которое содержит ядро (хранилище генов клетки) и бо́льшую часть цитоплазмы. Многочисленные тонкие отростки клетки, напоминающие небольшие ветки дерева, – это дендриты. Они получают информацию от других нервных клеток. Единственный толстый отросток называется аксоном. Он передает информацию в другие клетки, при этом его длина может достигать целого метра. На конце аксона находятся пресинаптические терминали, которые формируют синапсы с дендритами клеток-мишеней и передают им информацию через узкий зазор, называемый синаптической щелью. Мишенями могут быть соседние клетки, клетки из других областей мозга или даже мышечные клетки на периферии тела.

Рис. 1.3. Строение нейрона

Рис. 1.4. Четыре принципа нейронной доктрины Рамон-и-Кахаля

В конце концов Рамон-и-Кахаль объединил всю эту информацию в теорию, которая теперь называется нейронной доктриной (рис. 1.4). Ее составляют четыре принципа. Первый гласит, что каждый нейрон представляет собой отдельный элемент, который служит основной структурной и сигнальной единицей мозга. Второй – что нейроны взаимодействуют друг с другом только посредством синапсов. Таким образом они формируют сложные нейронные сети, которые позволяют им передавать информацию от одной клетки к другой. Третий принцип постулирует, что нейроны образуют контакты лишь с избранными нейронами-мишенями, расположенными в определенных местах. Такая специфичность контактов объясняет поразительно точное функционирование сетей, предназначенных для выполнения сложнейших задач вроде восприятия, деятельности и мышления. Четвертый принцип вытекает из первых трех и гласит, что информация движется лишь в одном направлении – от дендритов к телу клетки, от тела к аксону, от аксона к синапсу. Теперь эту направленность информационного потока в мозге мы называем принципом динамической поляризации.

То, что Рамон-и-Кахаль, изучая под микроскопом ограниченные множества нейронов, сумел представить, как работает вся нервная система, можно назвать экстраординарным проявлением научной интуиции. В 1906 году Гольджи и Рамон-и-Кахалю присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине: Гольджи – за его метод окраски, а Кахалю – за выяснение с помощью этого метода принципов строения и работы нейронов. Поразительно, но сделанные Рамон-и-Кахалем в 1900 году выводы считаются верными и по сей день.

Тайный язык нейронов

Чтобы обрабатывать информацию и тем самым определять поведение организма, нейроны должны взаимодействовать с другими нейронами и остальными клетками тела. Это необходимое условие для правильной работы мозга. Но как же нейроны разговаривают друг с другом? Ответить на этот вопрос удалось не сразу.

Эдгар Эдриан, пионер электрофизиологических исследований нервной системы и нобелевский лауреат 1932 года по физиологии и медицине, в 1928 году обнажил один из множества малых нервов – пучков аксонов – в шее пребывающего под наркозом кролика. Затем он удалил из нерва все аксоны, кроме двух-трех, и подключил электрод к оставшимся. Всякий раз, когда кролик делал вдох, Эдриан наблюдал всплеск электрической активности. Подключив к электроду громкоговоритель, он услышал частые щелчки, напоминающие передачу кода Морзе. Эти щелчки были электрическим сигналом, потенциалом действия, фундаментальным элементом нейронного общения. Эдриан слушал язык нейронов… Но что генерировало потенциалы действия, которые слушал Эдриан? Внутренняя поверхность мембраны, окутывающей нейрон вместе с его аксоном, заряжена относительно внешней поверхности отрицательно. Слабый отрицательный заряд возникает из-за неравномерного распределения ионов – электрически заряженных атомов – по поверхностям клеточной мембраны. В итоге каждый нейрон представляет собой крошечную батарейку, запасающую электричество, которое можно высвободить в любой момент.

Когда нейрон возбуждается – под действием фотона, звуковой волны или других нейронов, – на его поверхности открываются микроскопические ворота, называемые ионными каналами, которые позволяют ионам перемещаться через мембрану в ту или иную сторону[8]. Свободный ток ионов изменяет электрическую полярность клеточной мембраны, обращая заряд внутри нейрона с отрицательного на положительный и высвобождая электрическую энергию нейрона.

Быстрая разрядка заставляет нейрон генерировать потенциал действия. Этот электрический сигнал стремительно распространяется по нейрону, от тела клетки к кончику аксона. Когда ученые говорят, что нейроны какой-то области мозга активны, они имеют в виду, что эти нейроны “стреляют” потенциалами действия. Все, что мы видим, слышим, осязаем и думаем, начинается с крошечных всплесков электрической активности, прокатывающихся с одного конца нейрона до другого.

Далее Эдриан записал электрические сигналы отдельных аксонов зрительного нерва жабы. Он усилил сигналы таким образом, чтобы их в виде двухмерного графика смогла отобразить одна из ранних моделей осциллографа. Так Эдриан открыл, что потенциалы действия отдельно взятого нейрона довольно стабильны по величине, форме и продолжительности – это всегда одинаково небольшие всплески напряжения. Эдриан также обнаружил, что нейрон отвечает на стимулы по принципу “всё или ничего”: либо генерирует полномасштабный потенциал действия, либо не генерирует никакого. Единожды возникнув, потенциал действия без ослабления проходит от дендритов принимающей клетки к ее телу, а затем по аксону до синапса. Довольно любопытно наблюдать за этим, скажем, у жирафа, чьи нейроны протягивают свои аксоны на несколько метров – от спинного мозга к мышцам стоп.

Поскольку потенциалы действия – это события из разряда “всё или ничего”, возникает два интересных вопроса. Во-первых, как нейрон, реагирующий на сенсорные стимулы, сообщает об их интенсивности? Как он отличает легкое касание от сильного удара, а приглушенный свет от яркого? Во-вторых, используют ли нейроны, передающие информацию от разных органов чувств – зрения, осязания, вкуса, обоняния и слуха, – разные типы сигналов?

Эдриан обнаружил, что нейрон сообщает об интенсивности стимула, меняя не силу или продолжительность потенциалов действия, а частоту их генерации. Слабый стимул заставляет клетку дать лишь несколько редких “залпов”, тогда как сильный провоцирует “стрельбу” высокочастотными очередями. Более того, Эдриан научился определять длительность стимуляции по продолжительности генерации потенциалов действия (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Частота и продолжительность потенциалов действия определяют силу химической сигнализации нейрона.

Продолжил Эдгар Эдриан тем, что записал потенциалы действия нейронов в глазах, коже, языке и ушах и проверил, есть ли между ними разница. Оказалось, что все сигналы похожи – вне зависимости от того, откуда они исходят и какую сенсорную информацию передают. А вот чем отличается зрение от осязания или вкус от слуха, так это тем, что их сигналы бегут по разным нейронным путям к разным местам назначения. Иными словами, каждый тип сенсорной информации передается по собственному нейронному пути в соответствующую область мозга.

Но как потенциал действия одного нейрона возбуждает потенциал действия следующего нейрона в цепочке? Два молодых британских ученых, Генри Дейл и Вильгельм Фельдберг, заметили, что, когда потенциал действия достигает конца аксона передающей, или пресинаптической, клетки, происходит нечто удивительное: клетка выплескивает в синаптическую щель химические вещества. Эти вещества, позже названные нейромедиаторами, пересекают синаптическую щель и попадают на рецепторы дендритов принимающей, или постсинаптической, клетки. Каждый нейрон передает информацию, устанавливая тысячи синаптических связей со своими клетками-мишенями, и сам получает информацию через тысячи контактов с другими нейронами. Принимающий нейрон суммирует все полученные сигналы и, если они достаточно сильны, преобразует их в новый потенциал действия, новый электрический сигнал из разряда “всё или ничего” и передает его всем клеткам-мишеням, с которыми установил контакт. Далее процесс повторяется. Таким образом нейроны почти мгновенно передают информацию другим нервным и мышечным клеткам, причем даже на большие расстояния.

Сам по себе этот простой вычислительный процесс не слишком впечатляет, однако когда сотни тысяч нейронов передают сигналы по нейронным сетям из одной области мозга в другую, рождаются восприятие, движение, мышление и эмоции. Вычислительная природа мозга снабжает нас одновременно и “дорожной картой”, и логикой анализа болезней мозга. Иными словами, изучая дефекты нейронных сетей, мы можем нащупать разгадки тайн мозга – разобраться, как электрические сети генерируют восприятие, память и сознание. Соответственно, болезни мозга дают нам возможность увидеть, как мозговые процессы формируют психику и как это вычислительное чудо порождает большинство наших переживаний и элементов поведения.

Разрыв между психиатрией и неврологией

Несмотря на многочисленные успехи науки о мозге в XIX веке – успехи, которые заложили основу современной неврологии, – психиатры и исследователи зависимостей не уделяли должного внимания анатомии мозга. Почему?

Психические и аддиктивные расстройства[9] очень долго считались принципиально отличными от неврологических. Если патологоанатомы при вскрытии изучали мозг пациента и находили очевидные повреждения – например, вызванные инсультом, травмой головы, сифилисом и другими инфекциями мозга, – они относили расстройство к биологическим, или неврологическим. Если же они не видели явных анатомических повреждений, то признавали расстройство функциональным, или психическим.

Патологоанатомов поражало, что большинство психических расстройств – шизофрения, депрессия, биполярное расстройство и тревожные состояния – не оставляют скоплений отмерших клеток или прорех в мозге. Раз очевидных повреждений не было, врачи полагали, что эти расстройства либо экстракорпоральны (поражают “душу”, а не тело), либо по выраженности не достигают порога обнаружения.

Поскольку психические и аддиктивные расстройства не повреждали мозг явно, их считали поведенческими, а следовательно, поддающимися контролю со стороны пациента – именно против этих моралистических, немедицинских представлений выступал Пинель. Подобные воззрения привели психиатров к заключению, что социальные и функциональные детерминанты психических расстройств действуют на иной “уровень психики”, нежели биологические детерминанты неврологических расстройств. То же самое касалось и отклонений от господствовавших тогда норм гетеросексуального влечения, поведения и выражения чувств.

Многие ученые считали мозг и психику сущностями раздельными, поэтому психиатры и исследователи зависимостей даже не пытались установить связь эмоциональных и поведенческих трудностей своих пациентов с дисфункцией или нетипичным строением нейронных сетей их мозга. Из-за этого психиатры десятки лет не могли понять, как изучение электрических цепей поможет им разобраться в хитросплетениях человеческого поведения и сознания. Даже в 1990 году делить психические расстройства на органические и функциональные было вполне обычным делом, а некоторые используют эту устаревшую терминологию по сей день. Распрощаться с декартовским дуализмом души и тела оказалось очень сложно, поскольку эта концепция отражает наше восприятие самих себя.

Современные подходы к болезням мозга

В конце XX века сформировалась новая биология психики, основанная на предположении, что именно мозг опосредует все психические процессы человека – от бессознательных процессов, управляющих нашими движениями, когда мы бьем по мячу для гольфа, до сложных творческих процессов, обеспечивающих сочинение концерта для фортепиано, и социальных процессов, позволяющих нам взаимодействовать друг с другом. Теперь психиатры считают нашу психику совокупностью функций, выполняемых мозгом, а все психические и аддиктивные расстройства признают болезнями мозга.

Современные представления основаны на трех научных прорывах. Первым стало появление генетики психических и аддиктивных расстройств, связанное с именем немецкого психиатра Франца Каллманна, который в 1936 году эмигрировал из Германии в США и впоследствии работал в Колумбийском университете. Каллманн задокументировал роль наследственности в таких психических болезнях, как шизофрения и биполярное расстройство, показав тем самым их биологическую природу.

Второй прорыв – разработка методов нейровизуализации, показавших, что разные психические расстройства поражают разные системы мозга. Теперь, например, можно выявлять, какие области мозга работают некорректно у людей, страдающих депрессией. Кроме того, визуализация позволила наблюдать за действием лекарств на мозг и даже фиксировать изменения от лечения медицинскими препаратами или психотерапией.

И наконец, третий прорыв – разработка способов моделирования болезней на животных. Ученые создают животные модели, манипулируя генами животных и наблюдая за производимым эффектом. Животные модели просто бесценны для изучения психических расстройств, поскольку дают понять, как гены, окружающая среда и комбинация этих факторов могут нарушать развитие мозга, обучение и поведение. Эти модели, например мыши, особенно полезны для исследования выученных страхов[10] и тревожности, поскольку эти состояния встречаются у животных и в естественных условиях. Но мыши пригодны и для изучения депрессии или шизофрении, если помещать в их мозг измененные гены, участвующие в развитии этих заболеваний у людей.

Давайте сначала рассмотрим генетику психических расстройств, затем перейдем к визуализации мозговых функций, а уж потом – к животным моделям.

Генетика

Каким бы поразительным ни казался мозг, он все равно остается органом тела: как и все биологические структуры, он формируется и регулируется генами. Гены – отдельные отрезки ДНК, обладающие двумя удивительными характеристиками: они обеспечивают клетки инструкциями по созданию нового организма с нуля и передаются от поколения к поколению, перенося тем самым эти инструкции потомству организма. Каждый из генов предоставляет свою копию почти каждой клетке тела, а также будущим поколениям.