Мозг (сборник)

У нас все больше нарастал интерес к трехмерной форме этих подобластей. Уже из рассмотрения одной геометрии очевидна возможность существования малых или нулевых изменений в любом направлении при горизонтальном или тангенциальном проникновении к параллельным слоям ткани, содержащим клетки со сходной специфичностью, и таким, что каждый слой перпендикулярен поверхности. Слои не обязательно должны быть плоскими как ломти хлеба; при взгляде сверху некоторые из них имеют вид завихрений, с помощью которых легко объяснить инверсии в направлении поворота ориентации. Запись от множества клеток по ходу нескольких параллельных погружений электрода, по-видимому, подтверждает такое предположение, однако с помощью микроэлектрода мы могли исследовать не более чем крошечный участок мозга.

К счастью, как раз тогда, когда нам было нужно, был изобретен идеальный анатомический метод. Это был метод оценки активности мозга с помощью 2-дезоксиглюкозы, предложенный Л. Соколовым (L. Sokoloff) и его группой из Национального института охраны психического здоровья (метод этот описан в данном выпуске в статье Л. Ивер-сена). В основу метода положен тот факт, что клетки мозга используют в качестве источника метаболической энергии главным образом глюкозу и что близкородственное ей соединение, 2-дезоксиглюкоза, может в какой-то степени ее имитировать. Если в организм животного ввести дезоксиглюкозу, она будет так же интенсивно поглощаться нейронами, как и сама глюкоза, и чем выше активность нейрона, тем интенсивнее будет поглощение. Соединение начинает включаться в метаболический цикл, но по причинам, которые лучше известны биохимикам, процесс останавливается на метаболитах, не способных проникать через клеточные мембраны и потому накапливающихся в клетках.

Анатомическое подтверждение существования колонок глазодоминантности было получено с помощью различных методов окраски и методом аксонного транспорта с применением радиоавтографии. Данный составной радиоавтограф, проявляющий узор на площади шириной около 10 мм, был получен путем изготовления и совмещения срезов из областей, представляющих слой IV в некотором числе параллельных сечений.

Метод Соколова состоит в том, что животному вводят меченную радиоактивным изотопом (14С) дезоксиглюкозу, затем воздействуют раздражителем, предназначенным активировать определенные нейроны, и сразу же определяют радиоактивность ткани мозга; в результате обнаружатся активные области, где клетки поглотили больше дезоксиклюкозы, чем в областях, остававшихся в покое. Обычный способ исследования мозга для этой цели изготовить тонкие срезы (как это делается для гистологического исследования) и прижать эти срезы к фотопластинке, чувствительной к радиактивному излучению. После проявления все участки, находившиеся в контакте с радиоактивным материалом, будут видны как темные массы осажденных зерен серебра. Вместе с М. Страйкером (М. Stryker) мы приспособили метод Соколова к нашим проблемам, вводя анестезированному животному дезоксиглюкозу и затем двигая изображения черно-белых вертикальных полос туда и обратно на расстоянии 1,5 м от животного в течение 45 минут. Затем мы готовили срезы мозга либо перпендикулярно поверхности коры, либо параллельно ей.

Реконструкция узора глазодоминантности по всей наружной части правой первичной зрительной коры была выполнена авторами и С. ЛеВэем по сериям срезов, окрашенных методом серебрения, разработанным ЛеВэем. Левая граница проходит по медиальному краю затылочной доли, где кора загибается внутрь.

Полученные радиоавтографы быстро подтвердили физиологические результаты. На срезах, перпендикулярных поверхности, выявились узкие полосы радиоактивности, встречающиеся примерно через каждые 570 мкм (грубо говоря, полмиллиметра) и простирающиеся по всей толще коры. Очевидно, это и были области, которые содержали клетки, реагирующие на вертикальные линии. Глубокая часть слоя IV была однородно радиоактивна, как мы и ожидали на основании того факта, что клетки в этом слое имеют рецептивные поля с радиальной симметрией и не проявляют избирательности по отношению к ориентации.

На срезах, параллельных поверхности, выявилась неожиданно сложная система чередующихся полос, часто образующих завихрения, неоднократно расходящихся и воссоединяющихся и только местами образующих регулярные параллельные переслаивания. Что тут было особенно удивительно, так это равенство расстояний между полосами по всей коре. Это прекрасно согласовалось с идеей об однородности коры. Кроме того, величина расстояний между полосами хорошо увязывалась с идеей о том, что кортикальные механизмы повторяются, по крайней мере через каждый миллиметр. Если бы расстояние, требующееся для поворота от вертикали через 180° назад к вертикали, было равно, скажем, 10 миллиметрам, значительная часть коры не содержала бы клеток, чувствительных к какой-то заданной ориентации, что вело бы к фрагментарному и чрезвычайно причудливому представлению зрительной картины.

Последняя переменная, вклад которой в архитектонику надо рассмотреть, это предпочтение того или другого глаза. При микроэлектродных исследованиях почти неизменно оказывалось, что соседние клетки "предпочитают" один и тот же глаз. Если при вертикальном погружении первая клетка, на которую мы натыкались, предпочитала правый глаз, то также было и со всеми другими клетками вплоть до основания слоя VI; если же первая клетка предпочитала левый глаз, то же было верно и для остальных. Вероятности предпочтения того или другого глаза при произвольном отведении были равны. (Поскольку клетки слоя IV монокулярны, тут нужно говорить не о предпочтении, а о монополии глаз.) Если электрод вводили наклонно или горизонтально, области предпочтения левого и правого глаз чередовались, причем переключения происходили довольно резко - примерно через каждые полмиллиметра. Таким образом, в коре обнаружилась вторая система подобластей с вертикальными стенками, простирающимися через всю ее толщу. Система глазодоминантности, по-видимому, совершенно независима от ориентационной системы, так как при наклонном или тангенциальном введении электрода две последовательности не имеют очевидного отношения друг к другу.

Происхождение колонок глазодоминантности, как их потом назвали, представляется весьма простым. Окончания волокон коленчатого тела, часть которых обслуживает левый глаз, а часть - правый, группируются на входе в кору таким образом, что в слое IV перемешивания нет. Это приводит к появлению "лево"- и "правоглазых" участков, располагающихся с интервалами около полмиллиметра. Нейрон, находящийся ниже или выше слоя IV, образует связи в этом слое в радиусе примерно до миллиметра по всем направлениям. По-видимому, самые прочные связи образуются с областью слоя IV, наиболее близкой к данному нейрону, так что, по-видимому, на него будет оказывать доминирующее влияние тот глаз, который "обслуживает" эту область.

И снова нам было очень интересно выяснить, как эти "левоглазые" и "правоглазые" области могут выглядеть в трех измерениях. То чередование, которое обнаруживалось физиологически, можно было объяснить и геометрически. Ответ сначала последовал из работ, выполненных методом дегенерации с применением серебрения, предложенным для картирования связей У. Наута (W. Nauta) из Массачусетского технологического института. Потом мы нашли три других независимых анатомических метода для демонстрации этих колонок.

Участок коры площадью около одного квадратного миллиметра и высотой в два миллиметра (окрашенный столбик) можно рассматривать как элементарную ячейку первичной зрительной коры. Она содержит один набор ориентационных колонок, обслуживающих все направления, и один набор слоев глазодоминантности, обслуживающих оба глаза. Эта структура многократно повторяется по всей первичной зрительной зоне. Границы можно проводить произвольно (по правому или по левому глазу, по вертикальной, горизонтальной или наклонной ориентации); представление данных подслоев в виде плоских пластин, пересекающихся под прямыми углами, является крайним упрощением.

Один из особенно эффективных методов (поскольку он позволяет наблюдать на одном животном распределение колонок по всей первичной зрительной коре) основан на явлении аксонного транспорта. Процедура сводится к инъекции в нервную ткань меченой аминокислоты. Аминокислота поглощается телом клетки, по-видимому, включается в белок и затем транспортируется по аксону к его окончаниям. Когда мы инъецировали аминокислоту в один глаз обезьяны, ганглиозные клетки сетчатки поглощали ее и транспортировали по своим аксонам - волокнам зрительного нерва. После этого мы исследовали места назначения этих волокон в латеральном коленчатом теле, покрывая срезы тканей серебряной эмульсией и проявляя ее. Оказалось, что радиоактивная метка отчетливо выделяется в трех взаимно дополняющих друг друга слоях коленчатых тел.

Однако этот метод в обычном применении не дает возможности проследить путь от терминали одного аксона через синапс в следующий нейрон и к его окончаниям, а мы хотели проследить весь путь через кору. В 1971 г. Б. Графштейн (В. Grafstein) из Медицинского колледжа Корнеллского университета показала, что после инъекции достаточно большого количества радиоактивного материала в глаз мыши часть его выходит из терминалей зрительного нерва, поглощается клетками коленчатого тела и транспортируется по их аксонам в кору. Мы подумали, что сходная инъекция в комбинации с методом радиоавтографии позволит выявить в IV слое зрительной коры окончания волокон клеток коленчатого тела, принадлежащие одному глазу.

Наша первая попытка закончилась весьма плачевно: в слое IV были видны лишь слабые тени из нескольких зерен серебра. Только после нескольких недель мы осознали, что обратившись к наблюдению под микроскопом в условиях темного поля, можно извлечь выгоду из свойства зерен серебра рассеивать свет, благодаря чему чувствительность метода возрастет. Мы позаимствовали темнопольный конденсор, и когда взглянули на наш первый слайд в микроскоп, там в слое IV во всей своей красе сияли периодические структуры, выявленные метками (см. верхний рисунок на стр. 166).

Следующим нашим шагом была попытка увидеть картину, так сказать, "в лицо", делая срезы коры параллельно поверхности. Кора обезьяны куполообразна, так что на срезе, параллельном поверхности и тангенциальном слою IV, этот слой выглядит как круг или овал, а на срезе, сделанном ниже слоя IV, его сечение представлено в виде кольца. Монтируя вместе серии таких овалов и колец из набора срезов, можно реконструировать картину на большой площади коры.

Из такой реконструкции сразу стало очевидно, что общий план организации - это чередование параллельных полос, которые представляют окончания, принадлежащие глазу, подвергшемуся инъекции, и промежутков, которые представляют другой глаз. Полосы не так регулярны, как на обоях. (Время от времени мы напоминали себе, что это все-таки биология!) Тут и там полоса, представляющая один глаз, разветвляется на две полосы или кончается тупиком в точке, где ветвится полоса другого глаза. Нерегулярности наиболее обычны вблизи центра взора и вдоль линии, представляющей горизонт. Полосы по всей видимости всегда перпендикулярны к границе между первичной зрительной корой и ее соседом - полем 18, и здесь регулярность наибольшая. Такое общее правило, по-видимому, применимо к мозгу всех макаков, хотя узоры варьируют от одного индивидуума к другому и даже у одной и той же обезьяны от одного полушария к другому.

Гипотетическая картина корковой активности, которая может быть результатом стимуляции левого глаза одним коротким отрезком горизонтальной линии, помешенным в верхнем левом квадранте поля зрения, показана цветными штрихами на схеме участка правой коры, рассматриваемой в фас. Область, в которую поступают входные сигналы от объекта в поле зрения, обведена пунктирной черной линией. Если колонки глазодоминантности и ориентационные колонки расположены так, как это здесь изображено, из всех клеток активируются те, которые оптимально реагируют на приблизительно горизонтальные стимулы, предъявляемые левому глазу.

Ширина комплекта из двух полос постоянна, около 0,8 мм, по всей первичной зрительной коре, что еще раз подчеркивает однородность коры. Опять же эта ширина прекрасно согласуется с той идеей, что в пределах одного квадратного миллиметра коры должны содержаться все механизмы, необходимые для "присмотра" за областью, размером с агрегатное поле. Два описанных выше метода - применение меченой дезоксиглюкозы и транспорт аминокислоты, имеют огромное достоинство в том отношении, что они взаимно совместимы, в связи с чем мы можем применять их одновременно, один - для картирования ориентационных полос, а другой - для выявления колонок глазодоминантности. Число препаратов мозга, исследованных к настоящему времени, слишком мало, для того чтобы можно было сделать те или иные окончательные выводы, но пока эти две системы полос кажутся совершенно независимыми; они и не параллельны, и не перпендикулярны, а пересекаются случайным образом.

Функция, выполняемая колонками глазодоминантности, пока остается тайной. Мы знаем, что нейроны со всеми градациями предпочтения глаза имеются по всей бинокулярной части поля зрения, и возможно, что некоторая регулярная упорядоченная система конвергенции входов гарантирует однородность распределения, благодаря чему ни один глаз не окажется случайно выделенным ни в одном месте. Зачем нужны повсеместно все эти градации предпочтения глаза, само по себе неясно; мы можем только догадываться, что это имеет какое-то отношение к восприятию глубины.

Если собрать вместе все, что стало известно о первичной зрительной коре, будет ясно, что элементарным участком коры нужно считать блок площадью примерно в квадратный миллиметр и глубиной два миллиметра. Знать организацию такого кусочка ткани - это значит знать организацию всего поля 17; целое должно быть в значительной степени простым повторением этой элементарной единицы. Конечно, данную элементарную единицу не следует рассматривать как отдельный изолированный блок. С чего начинать отсчет ориентационных колонок - с колонки, представляющей вертикальную ориентацию, или наклонную или горизонтальную, - совершенно безразлично; точно так же все равно, с какой пары начинать последовательность полос глазодоминантности: левый глаз - правый глаз или правый глаз - левый глаз. Это же справедливо для любой ячейки кристалла хлористого натрия и для любого сложного повторяющегося узора типа тех, какие печатают на обоях.

На что же тогда становится похожей зрительная картина, когда она проецируется на зрительную кору? Предположим, что животное фиксирует свой взгляд на некоторой точке и что единственный объект в поле зрения - прямая линия выше и чуть левее той точки, к которой прикован взгляд. Если бы каждая активная клетка должна была загораться и если бы мы могли стоять над корой и смотреть на нее сверху, какую картину мы бы увидели? Чтобы сделать задачу более интересной, предположим, что картина рассматривается только одним глазом. Ввиду только что описанной архитектоники объект предстанет не в виде линии, а всего лишь в виде набора регулярно расположенных обрывков. Это рассуждение можно проверить непосредственно, если предъявлять обезьяне, у которой один глаз закрыт, набор вертикальных полос, а затем, применив дезоксиглюкозу, изготовить радиоавтограф. Полученная картина не будет большим сюрпризом: это будет набор регулярно расположенных пятен, который будет отражать пересечение двух систем колонок. Вообразите удивление и замешательство маленького гномика, если бы он увидел такую версию внешнего мира!

Реальный образец активности коры, которая была вызвана предъявлением одному левому глазу решетки из вертикальных полос. Полученный с помощью дезоксиглюкозы радиоавтограф тангенциального среза верхних слоев коры. Картина регулярно расположенных темных участков радиоактивности отражает пересечение систем колонок глазодоминантности и предпочтительной ориентации.

Почему эволюция пришла к тому, чтобы взять на себя труд изобрести столь сложную схему, - это вопрос, который продолжает волновать нас. Возможно, самое подходящее объяснение состоит в том, что системы колонок - это решение проблемы отображения более двух измерений на двумерной поверхности. Кора имеет дело по крайней мере с четырьмя наборами значений: двумя для х и у-координат в поле зрения, одним - для ориентации и одним - для различных степеней предпочтения глаза. Две координаты точек на поверхности коры используются для указания позиции поля; две другие переменные удалось разместить в коре благодаря ее подразделению на столь мелкие участки, что, пробежав весь набор ориентации или степеней предпочтения глаза, мы будем иметь лишь такой сдвиг позиций в поле зрения, который будет мал по сравнению с разрешающей силой в этой части зрительного мира. Стратегия членения коры на мелкие вертикальные подразделения явно не ограничена первичной зрительной зоной. Такие подразделения впервые были обнаружены в соматосенсорной области В. Маунткаслом (V. Mountcastle) из Медицинской школы Университета Джонса Гопкинса примерно за 10 лет до нашей работы на зрительной коре. В соматосенсорной области, как мы указывали выше, в основе топографии лежит картирование противоположной половины тела, но сверх этого имеется еще двойная система подразделений, так что есть области, где нейроны реагируют на движение суставов или давление на кожу, и другие области, где нейроны реагируют на прикосновение или отклонение волосков. Как и в случае зрительных колонок, полный комплект (набор нейронов всех типов) занимает здесь место протяженностью около миллиметра. Эти подразделения аналогичны колонкам глазодоминантности в том отношении, что они определяются в первую очередь распределением волокон при входе в кору (там - от левого и правого глаза, здесь - от глубоко расположенных рецепторов и от рецепторов верхних слоев кожи), а не связями внутри коры, типа тех, которые определяют предпочтение ориентации и связанную с этим систему ориентационных колонок. Смысл колонок, обнаруженных в первичной зрительной и соматосенсорной коре, истолкован лучше всего, однако имеются указания на наличие сходных вертикальных подразделений и в некоторых других зонах: ряде высших зрительных областей, сенсорных теменных областях, недавно изученных Маунткаслом, и в слуховой зоне, где Т. Имиг (Т. Imig), X. Эдриен (Н. Adrian) и Дж. Брадж (J. Brugge) из Медицинской школы Висконсинского университета нашли подразделения, в которых два уха представляются попеременно то суммирующими идущую от них информацию, то конкурирующими.

Для большинства из этих физиологически установленных систем (кроме зрительных) до настоящего времени неизвестно анатомических коррелятов. С другой стороны, в последние годы несколько анатомов, в особенности Э. Джонс (Е. Jones) из Медицинской школы Вашингтонского университета, а также Наута (Nauta) и П. Голдмен (P. Goldmen) из Массачусетского технологического института показали, что пути из одной зоны коры в другую (например, из соматосенсорной зоны одной стороны в соответствующую зону на другой стороне) оканчиваются в участках, имеющих правильные чередования с периодом около миллиметра. Здесь колонки видны морфологически, но нет никакой идеи относительно их физиологической интерпретации. Ясно, однако, что тонкие периодические подразделения - действительно общая черта коры мозга. Таким образом, можно сказать, что первое наблюдение Маунткаслом такого свойства способствовало четвертому глубокому прозрению относительно организации коры.

Конечно, было бы неверно считать, что данное рассмотрение зрительной коры в какой-то степени исчерпывает предмет. Кора, по-видимому, имеет дело и с цветом, и с движением, и со стереоскопической глубиной, но в какой степени и каким образом - пока неясно. Из наших работ, относящихся к восприятию глубины, и из работ по цветовому зрению, выполненных С. Зеки (S. Zeki) из Лондонского университетского колледжа, можно заключить, что высшие кортикальные зрительные зоны, в которые первичная кора проецируется непосредственно или обходным путем, могут быть специализированы для обработки соответствующих параметров, но мы еще очень далеки от понимания того, в чем заключается эта обработка.

Что делается за пределами первичной зрительной коры и как информация об ориентации используется на последующих стадиях? Нужно ли думать, что в конечном счете обнаружится клетка, специфически реагирующая лишь на некоторый очень определенный объект? (Обычно в качестве такого объекта выбирают чью-то бабушку по причинам, которые мы уяснить не можем.) Наш ответ состоит в том, что мы сомневаемся в существовании таких клеток, но мы не можем предложить взамен ничего хорошего. К счастью, широкие спекуляции на тему о том, каким образом мозг мог бы работать, это не единственный путь, открытый исследователями. Изучать мозг - это более увлекательное и, кажется, более полезное занятие.

Было время, и не так давно, когда, глядя на миллионы нейронов в различных слоях коры, можно было сомневаться в том, что у кого-нибудь когда-нибудь может возникнуть хоть какая-нибудь идея относительно их функции. Работают ли все они параллельно, как клетки печени или почки, выполняя свои функции сообща, или каждый из них делает что-то свое, особое? Для зрительной коры ответ представляется теперь в общем плане известным: нейроны возбуждаются или тормозятся специфическими стимулами; группы нейронов действительно выполняют специальные преобразования. Если окажется возможным разгадать секреты нескольких подобных областей, будет резонно полагать, что и другие области со временем также раскроют свои тайны.

Э. ЭВАРТС

Механизмы головного мозга, управляющие движением

Как головной и спинной мозг управляют движениями тела? Мозг не только посылает команды мышцам, но и получает по обратной связи сигналы, которые помогают ему согласовывать эти команды

Одно из первых сведений, полученных более ста лет назад, об управлении движением со стороны головного мозга состояло в том, что движения тела могут быть вызваны сигналами, приходящими в спинной мозг из специальной области головного мозга - моторной зоны коры больших полушарий. Движения имеют широкий диапазон - от мышечных координации, требуемых для грубой ручной работы или быстрого перемещения всего тела, до тонких движений пальцев при хирургических операциях, выполняемых под микроскопом.

Три белые "тени" на микрофотографии представляют собой метки, специально созданные, чтобы облегчить исследование важного аспекта связи между головным мозгом и движением, а именно химизма мышечного сокращения, следующего за импульсацией мотонейрона. На микрофотографии показан поперечный срез одной из мышц конечности кошки. "Тени" образованы отдельными мышечными волокнами в одной двигательной единице. Предварительное изучение этой единицы показало, что она относится к "медленной" мышце, т. е. такого рода мышце, которая развивает небольшую силу, но функционирует не утомляясь. Эти три волокна превратились в метки в результате длительной стимуляции мотонейрона, который управляет их сокращениями, что привело к истощению запаса гликогена - особой формы хранения глюкозы, которая служит источником энергии для работы мышцы. При окрашивании среза все мышечные волокна с нормальным содержанием гликогена стали розовыми. На следующих рисунках показаны другие срезы той же мышцы с теми же тремя метками. Они были окрашены, чтобы определить связь между химическими и механическими свойствами мышечных волокон. Микрофотографии получены Р. Берком (R. Burke) и П. Церисом (P. Tsairis) в Национальных институтах здравоохранения.

Эта выходная активность моторной коры сама является результатом сигналов, поступающих из других пунктов - не только от других областей коры, например тактильной, но и от подкорковых структур мозжечка и базальных ганглиев, которые посылают сигналы в моторную кору еще через одно подкорковое образование - таламус. Основная часть современных исследований мозговых механизмов движения направлена на лучшее понимание того, как сигналы, приходящие от различных корковых и подкорковых структур, объединяются в контроле над конечными выходами из моторной коры к спинному мозгу и оттуда к мышцам. В настоящей статье будет рассмотрен современный уровень наших знаний, которые имеют важное значение по двум причинам. Во-первых, они связаны с фундаментальными проблемами общей организации головного мозга. Во-вторых, они имеют отношение к лечению и, возможно, к предупреждению таких неврологических заболеваний, как болезнь Паркинсона и хорея Гентингтона (две болезни из числа тех, при которых затронуты базальные ганглии), различные проявления инсульта, рассеянного склероза, а также многих других нарушений, возникающих при повреждении мозжечка.

Каковы элементарные условия для выполнения движения? Первое - это мышца, второе - это сигнализирующая система, которая вызывает упорядоченное сокращение мышцы. Если начать с мышц, то надо сказать, что не все они работают одинаково. Рассмотрим мышцы глаза и руки у человека. Глазные мышцы должны работать с высокой скоростью и большой точностью, быстро ориентируя глазное яблоко в пределах нескольких дуговых минут. В то же время глазной мышце не приходится справляться с такими внешними задачами, как поднимание груза. Тонкое управление, требуемое при движении глаза, требует высокого иннервационного индекса - отношения числа нейронов, аксоны которых оканчиваются на наружной мембране мышечных клеток, к числу мышечных клеток.

Для глазной мышцы иннервационный индекс составляет 1:3; это значит, что аксонные окончания одного мотонейрона выделяют свой медиатор не более чем на три отдельные мышечные клетки. (Мотонейрон - это такой нейрон, тело которого лежит в спинном мозгу, а аксон оканчивается на мембране мышечной клетки.) По-иному обстоит дело с мышцами руки: аксонные окончания одного мотонейрона, например иннервирующего бицепс, могут действовать своим медиатором на сотни мышечных волокон, и поэтому у такой мышцы иннервационный индекс составляет всего 1:100. В результате действие одной двигательной единицы мышцы конечности - одно быстрое сокращение (twitch), возникающее под влиянием одного импульса, вызывающего выделение медиатора из окончаний одного мотонейрона, - соответственно оказывается грубым.

Двигательные единицы мышц различаются также по тому, насколько они подвержены утомлению. На одном конце шкалы лежат двигательные единицы медленного сокращения, способные длительно функционировать без утомления. Такие единицы могут быть активными в течение длительного времени, но развивают сравнительно небольшое мышечное напряжение. На другом конце шкалы находятся двигательные единицы быстрого сокращения; они могут создавать высокие пики мышечного напряжения, но быстро утомляются. Такие единицы обычно иннервируются мотонейронами с диаметром аксонов и скоростью проведения нервного импульса выше средних.

В одной и той же мышце содержатся волокна и быстрых и медленных двигательных единиц. В 1968 г. шведские исследователи Э. Кугельберг (Е. Kugelberg) и Л. Эдстром (L. Edstrom) нашли способ определять, какие отдельные моторные волокна относятся к данной двигательной единице. Длительной стимуляцией аксона одного мотонейрона эти исследователи вызывали продолжительное сокращение мышечных волокон одной двигательной единицы. Сокращение приводило к истощению в отдельных мышечных волокнах запаса гликогена, который является источником энергии. При специальном окрашивании ткани на гликоген волокна истощенной двигательной единицы принимали вид белых "теней", рассеянных среди розовых волокон с нормальным запасом гликогена.

Такой гистохимический эффект представляет собой демонстрацию биохимической реакции в живой микроанатомической структуре. Так, применив подход Кугельберга и Эдстрома, Р. Берк (R. Burke) с сотрудниками из Национальных институтов здравоохранения показал с помощью гистохимического окрашивания, что "быстрые" мышечные единицы, используя в качестве источника энергии аденозинтрифосфат (АТФ), расщепляют его ферментативным путем быстрее, чем это происходит в "медленных" двигательных единицах. Это ферментативное расщепление считается одним из важных факторов, определяющих присущую мышце скорость сокращения. Таким образом, гистохимические данные помогают объяснить различия в скорости сокращения. Равным образом, гистохимическое исследование других ферментов - тех, которые расщепляют сахара и жиры, - помогает объяснить весьма существенные различия в утомляемости между двумя видами двигательных единиц.

Каково значение этих противоположных свойств двигательных единиц для организации движения? Посмотрим, как двигательные единицы мышцы последовательно "вовлекаются" в процесс движения. В общем мышечное напряжение регулируется двумя путями. Первый состоит в контроле над числом двигательных единиц, вовлекаемых в активность. Второй - в регуляции частоты импульсации вовлеченных единиц. Первыми вовлекаются единицы медленного сокращения, не склонные к утомлению и развивающие сравнительно слабое напряжение. Последними вовлекаются двигательные единицы быстрого сокращения, т. е. те, которые дают высокие пики напряжения, но быстро утомляются.

Второй срез той же мышцы был окрашен для определения относительной способности мышечных белков расщеплять аденозинтрифосфат (АТФ). Темная окраска свидетельствует о более высокой расщепляющей активности. Три волокна-метки очень слабо окрашены (схема справа); такая низкая активность характерна для медленных мышечных волокон.

Третий срез окрашен, чтобы показать способность мышечных белков расщеплять АТФ после их предварительной обработки кислотой. Обратное соотношение интенсивности окраски по сравнению со вторым срезом дает дальнейшие сведения о химизме мышечного волокна.

Четвертый срез был окрашен, чтобы показать относительную способность мышечных волокон к окислительному метаболизму, определяемому по наличию ключевого фермента в митохондриях клетки. Три волокна медленной двигательной единицы (см. схему) находятся среди интенсивно окрашенных волокон; картина согласуется с представлением о меньшей утомляемости таких двигательных единиц.

Э. Хеннемен (Е. Henneman) из Гарвардской медицинской школы внес важный вклад в общее понимание порядка вовлечения в активность отдельных двигательных единиц. Он отметил, что напряжение мелких мышц создается и точно контролируется избирательной мобилизацией разного числа мелких двигательных единиц. Между мелкими и более крупными единицами существует немалая разница. Например, самая крупная двигательная единица в икроножной мышце человека развивает напряжение в 200 раз больше, чем самая мелкая. Когда требуется общее усиление работы мышц, то, как установил Хеннемен, в активность вовлекаются более крупные двигательные единицы, что создает большие элементарные приросты напряжения. Это означает, что по мере увеличения общего напряжения оно создается меньшим числом дополнительных единиц. Разумеется, когда обстоятельства требуют резкого повышения общего напряжения мышцы, двигательные единицы вовлекаются не последовательно, а активируются практически одновременно.

Так обстоит дело с разными видами мышц и их двигательными единицами. Теперь посмотрим, что заставляет эти единицы сокращаться. Мышечные сокращения совершаются благодаря тому, что медиатор ацетилхолин, который выделяется в нервно-мышечном соединении при каждом импульсе, исходящем от мотонейрона, способен вызвать импульс в мышечной клетке. Блокирование передачи на уровне соединения, например при помощи алкалоида кураре, препятствует мышечному сокращению. Такую блокаду воспроизводили и у людей. Испытуемым вводили кураре в условиях искусственного дыхания. Во время паралича, вызванного кураре, выделение ацетилхолина аксонами мотонейронов продолжается, но блокируется взаимодействие медиатора с соответствующими рецепторами на мембране мышечной клетки; в результате мышцы перестают реагировать на команды, поступающие от коры больших полушарий. Испытуемые продолжали мыслить и чувствовать, но внешние проявления деятельности мозга исчезали. Речь, выражение лица, способность направлять взор - все эти формы поведения зависят от сокращения мышц.

Головной мозг макака, вид сверху. Помечены разные участки моторной коры больших полушарий. Окрашенная полоса обозначает ту часть мозга, которая удалена, чтобы показать подкорковые структуры на соседнем рисунке.

Многие современные представления о механизмах движения возникли на основе трудов английского физиолога Шеррингтона, который в начале века занимался изучением функции мотонейронов в некоторых рефлекторных формах двигательной активности, таких, как чесание и ходьба. Сигналы, идущие от многих различных областей головного мозга, часто воздействуют на несколько одних и тех же мотонейронов спинного мозга. Установив этот факт, Шеррингтон охарактеризовал мотонейроны как "общий конечный путь", связывающий головной мозг с мышечным актом. Он изучал движение мышц у животных после перерезки спинного мозга, т.е. после нарушения связи мотонейронов с головным мозгом.

Головной мозг макака, вид сзади. Сектор, величиной 90°, удален, чтобы показать некоторые детали подкорковых структур. Цветная пунктирная линия окружает базальные ганглии левого полушария - части стриатума,скорлупу и хвостатое ядро, а также смежный с ними бледный шар. Ближе к средней линии лежит левый таламус, а по обе стороны от средней линии - правая половина мозжечка, так что видны его внутренние части - зубчатое ядро и ядро шатра. Моторная область коры больших полушарий (окрашена) - филогенетически более поздняя структура по сравнению с базальными ганглиями и мозжечком. Проводимые в настоящее время исследования показывают, что импульсация нейронов моторной коры вызывается сигналами, приходящими в нее через таламус от филогенетически более древних подкорковых структур.

Шеррингтон установил, что через несколько месяцев после такой перерезки у собаки удавались вызвать чесательный рефлекс механическими стимулами щекотанием кожи или легким потягиванием за волосок где-нибудь на обширной поверхности спины. Описывая эти реакции, он указал, что такие движения "происходили без видимого нарушения направления или ритма". Работа Шеррингтона по чесательному рефлексу привела к современной концепции о "запускаемом движении", основанной на представлении о "центральной программе" с участием спинального генератора ритма. Вскоре после Шеррингтона другой английский физиолог Г. Браун (G. Brown) показал, что у собак, лишенных связей между головным и спинным мозгом, возможны также ритмические движения конечностей, подобные тем, какие происходят при ходьбе. Очевидно, для ходьбы, так же как и для чесания, существуют спинальные генераторы ритма.

Многие теперешние исследования по нейрофизиологии локомоции направлены на выяснение взаимодействия между тем, что можно назвать центральными программами, исходящими от головного мозга, и сенсорными обратными связями. Действительно, работа Шеррингтона особенно касалась того, какими способами активность мотонейронов регулируется сенсорными обратными связями. Он ввел термин "проприоцепция" для обозначения сенсорных входов, которые возникают в процессе вызываемых из центра движений, когда "стимулы, действующие на рецепторы, возникают в самом организме". Шеррингтон избрал приставку "проприо" (от латинского "proprius - "свой собственный"), так как он считал, что главная функция проприоцепторов состоит в том, чтобы по механизму обратной связи давать информацию о собственных движениях организма.

Мышечные проприоцепторы делятся на два вида. Один вид реагирует на удлинение, другой - на напряжение. Мышечные рецепторы длины посылают волокна в спинной мозг и образуют там синапсы на мотонейронах, которые оканчиваются на тех же мышцах. Поэтому любое усиление активности рецептора длины, происходящее при удлинении мышцы, активирует мотонейроны удлиненной мышцы. А это вызывает ее сокращение, противодействующее удлинению.

Рецепторы напряжения - второй вид проприоцепторов - чувствительны не к удлинению, а к силе; их активация ведет к торможению связанных с ними мотонейронов. Таким образом, когда прирост напряжения мышцы активирует эти рецепторы, в ответ они действуют на связанные с ними мотонейроны, и это приводит к снижению силы. Поэтому как рецепторы длины, так и рецепторы напряжения можно считать тем, что инженер назвал бы системой управления с помощью отрицательной обратной связи. Данная система поддерживает свою стабильность, противодействуя изменениям длины и напряжения мышцы.

Работа такого сервомеханизма с отрицательной обратной связью станет яснее, если рассмотреть в качестве примера какую-либо такую систему в действии. Представим себе человека, который пытается без наличия внешних помех удерживать свою руку неподвижно вытянутой в сторону. Разумеется, рука при этом непроизвольно слегка колеблется, особенно когда устанет. Например, случайное невольное ослабление напряжения в мышцах, сопротивляющихся силе тяжести, приведет к удлинению этих мышц. А вследствие этого усилится активность одних проприоцепторов - рецепторов длины - и в то же время (вследствие снижения напряжения в мышце) уменьшится активность других проприоцепторов - рецепторов напряжения.

Подопытные обезьяны оказались способными обучаться точным мышечным реакциям на стимулы. В этом опыте экспериментатор зажигал одну из девяти ламп в верхнем ряду панели. Поворотом рукоятки обезьяна могла перемещать верхнюю лампу влево или вправо и получала вознаграждение, когда обе лампы оказывались на одной линии. Микроэлектрод, вживленный в область моторной коры, связанную с точными манипуляциями, регистрировал активность клеток, участвующих в мышечной реакции. Даже незначительное произвольное движение сопровождалось резким усилением активности моторной коры; доля разряжающихся клеток головного мозга была гораздо больше доли активных мотонейронов в спинном мозгу.

Несмотря на то что эти изменения идут в противоположных направлениях, их центральные эффекты не вычитаются один из другого, а суммируются: усиленная импульсация рецепторов длины возбуждает мотонейроны, действующие на мышцы, а ослабление импульсации рецепторов напряжения снимает торможение с тех же самых нейронов. Это синергическое действие двух видов проприоцепторов вступает в силу, когда изменения длины мышцы происходят вследствие непроизвольных изменений в ее напряжении, вызываемых внутренними причинами, но оно не возникнет, если изменения длины и напряжения произойдут вследствие приложения или удаления внешней силы. Например, удлинение мышцы, вызванное увеличением внешней нагрузки, приводит к усилению активности рецептора длины, связанному не с понижением, а с повышением активности рецепторов напряжения. Создавая термин "проприоцептор", Шеррингтон привлек внимание к существенным различиям в нейронной организации, лежащей в основе активного и пассивного движений. В данном контексте "активные" означает собственные движения испытуемого, а "пассивные" - перемещения, производимые внешними силами.

Опыт с "подготовкой к движению" требовал дополнительного обучения обезьян. Их приучали удерживать рукоятку в фиксированном "нейтральном" положении и быть готовыми толкнуть ее вперед через некоторое неопределенное время после вспыхивания зеленого светового сигнала (А) или притянуть назад через некоторое время после вспыхивания красного сигнала (Б). Активность одного нейрона в моторной коре регистрировалась в течение одной секунды до и после сигнальных вспышек; его импульсы записывались в виде горизонтальных рядов точек, где каждый ряд соответствует одному предъявлению стимула. Как показывают эти растровые записи, подготовка к толканию рукоятки вперед вызывала усиление нейронной активности, а подготовка к притягиванию ее вызывала ослабление активности.

Концепция Шеррингтона о связи между рецепторами длины в мышце и движением вообще получила яркое воплощение, когда шведский физиолог Л. Лекселл (L. Leksell) обнаружил, какую роль играют специальные нейроны, называемые гамма-мотонейронами. В отличие от обычных, или альфа-мотонейронов, которые действуют на мышечные волокна, производящие мощное сокращение, гамма-мотонейроны действуют на особые мелкие мышечные волокна, которые регулируют чувствительность рецепторов длины. Следовательно, мотонейроны также бывают двух видов. Один вид действует на мышцы, производящие движения тела (альфа), а второй служит для оптимизации работы рецепторов длины (гамма).

Итак, разные виды мышц, разные виды мотонейронов и связанные с ними системы управления образуют элементарные компоненты механизмов, осуществляющих произвольные и рефлекторные движения. Соотношения между этими компонентами можно изучать в лаборатории на самых разнообразных животных. Например, многие исследования управления движением производятся теперь на моллюсках, а также на членистоногих - насекомых и ракообразных. Простота нервной системы у этих беспозвоночных представляет для исследователя заметные выгоды. Однако эти животные лишены коры большого мозга и связанных с ней структур. Для того чтобы узнать, как головной мозг посылает сигналы мотонейронам и таким образом управляет движениями человека, нужны данные, получаемые на животных, которые обладают не только корой большого мозга, но и ее специализированным отделом - моторной корой, управляющей движением.

Моторная кора была открыта в 1870 г., когда обнаружили, что электрическим раздражением коры большого мозга можно вызвать движения тела. Опыты с такой стимуляцией подтвердили вывод, к которому уже до этого пришел английский невропатолог Дж. Джексон (J. Jackson) на основании клинических наблюдений. Он заметил, что раздражающий очаг повреждения в коре одного полушария большого мозга может вызывать эпилептические движения противоположной стороны тела. Результаты первых опытов по стимуляции, произведенных на собаках, были подтверждены в 1873 г. английским невропатологом Д. Ферье (D. Ferrier) на обезьянах.

Эти исследования моторной коры оказали большое влияние на неврологическое мышление. Чтобы оценить это полностью, надо учесть, что до 1870 г. думали, будто кора больших полушарий служит только для мышления. Джексон выразил тогдашнее общее мнение в следующих словах: "Идея о том, что большие полушария служат для движения, видимо, встречает непреодолимые возражения... Причина этого, как я думаю, лежит в том, что по существующему представлению, извилины [коры] существуют не для движений, а для мыслей".

Следующий шаг был сделан в 1874 г. Он состоял в открытии особой группы гигантских нейронов, которые образуют проводящий путь между моторной корой и спинным мозгом. В этом году русский анатом В. Бец обнаружил в двигательной коре обезьяны и человека необычайно крупные нейроны. Теперь их называют клетками Беца. Было установлено, что аксоны этих клеток спускаются по головному мозгу и образуют прямые связи со спинномозговыми мотонейронами, в частности с нейронами, управляющими теми мышцами, которые служат человеку для точных движений пальцев и речи. Дальнейшее исследование показало, что, казалось бы, непропорционально большая часть моторной коры управляет очень малой долей всей мускулатуры человеческого тела; это наглядно показано на знаменитых "гомункулусах" - картах моторной коры, составленных У. Пенфилдом (W. Penfield) и его сотрудниками из Монреальского неврологического института. Теперь найдены некоторые прямые связи между нейронами моторной коры и мотонейронами грудного отдела спинного мозга, где множество мотонейронов приводит в действие межреберные дыхательные мышцы.

На первый взгляд кажется странным, что нейроны моторной коры, управляющие главным образом точными движениями, оканчиваются на мотонейронах, которые контролируют такое автоматическое и примитивное действие, как дыхание. Но, как указывает английский физиолог Ч. Филиппе (Ch. Phillips), эти связи головного мозга со спинным, вероятно, имеют отношение не к дыханию, а к использованию дыхательных мышц в таких искусных актах, как речь и пение. Таким образом, проекция от моторной коры создает новую регуляцию мышц, предназначенных для старых рефлекторных актов. Как установил сто лет назад Джексон, сама по себе утрата кортико-спинальных связей не парализует мышцы, она препятствует использованию их в некоторых движениях. В частности, разрушение кортико-спинальных путей к грудным мотонейронам не сказывается на использовании дыхательных мышц для дыхания, хотя эти мышцы становятся непригодными для речи.

За последнее десятилетие многое стало известно о контроле над произвольным движением со стороны моторной коры. Новые данные получены в значительной степени благодаря хитроумным методикам, позволяющим вводить микроэлектроды в головной мозг подопытного животного (обычно обезьяны), способного выполнять искусные движения. Пользуясь этими методиками, мы с К. Фроммом (С. Fromm) из Дюссельдорфского университета провели в Национальном институте охраны психического здоровья исследование свойств двигательной коры, лежащих в основе ее решающей роли в точном управлении движениями кисти. Это того же рода точное управление, какое дает возможность хирургу, глядя в микроскоп, передвигать хирургический инструмент с точностью до малых долей миллиметра.

Нам с Фроммом казалось, что если точные мелкие движения управляются выходными сигналами из моторной коры, то тогда ее нейроны должны сильно модулироваться даже мельчайшими флуктуациями мышечной активности. Кроме того, точное управление кистью очень зависит от сенсорной обратной связи, и поэтому мы склонялись к той точке зрения, что активность моторной коры при точно контролируемых движениях кисти должна быть под непрерывным контролем отрицательной обратной связи по замкнутой петле.

Опыт со "стартом", продолжение опыта с подготовкой к движению, имел цель рассмотреть соотношение между произвольными и рефлекторными реакциями. "Стартовый сигнал", производимое мотором перемещение рукоятки из ее нейтрального положения, возникал через одну-пять секунд после включения светового сигнала к подготовке. Активность нейрона моторной коры регистрировали в течение секунды до и после стартового сигнала. Вызывало ли движение рукоятки реакцию толкания (А) или же притягивания к себе (Б), немедленная реакция обезьяны была чисто рефлекторной, о чем на растровых записях говорит усиление нейронной активности сразу же после стимула (через 0,5 секунды). Через 40 миллисекунд этот рефлекторный ответ сменялся произвольным "молчанием" нейрона, связанным с подготовкой к притягиванию рукоятки (белый уча" сток на нижнем растре). После короткого рефлекторного ответа и более продолжительной произвольной реакции (толкания), видных на верхнем растре, животное возвращало рукоятку в нейтральное положение перед следующей пробой; для этого нужно было потянуть ее, что создавало зону молчания, которая видна на верхнем растре (с правой стороны). Точно так же толкание рукоятки для возвращения ее в нейтральное положение вызывало возобновление нейронной активности, видимое на нижнем растре.

Для проверки наших предположений мы начали с того, что обучали обезьян точно передвигать рукоятку прибора. Вращение рукоятки управляло панелью со световыми сигналами; за точные движения обезьяна получала вознаграждение. При каждом тесте регистрировалась импульсация клеток Беца в моторной коре животного. Мы установили, что малейшее перемещение рукоятки сопровождалось поразительным усилением активности этих клеток. Так, доля нейронов моторной коры, которые разряжались при управлении этими тонкими движениями, была гораздо больше доли участвующих в них спинальных мотонейронов.

Была отмечена еще одна особенность в основе той роли, какую играет моторная кора в управлении точными движениями. Это система отрицательной обратной связи, автоматически регулирующая выходную активность моторной коры. Система была сосредоточена преимущественно на тех корковых нейронах, которые контролируют самые точные мелкие движения. Анатомические пути возврата в двигательную кору в системе отрицательной обратной связи детально еще не прослежены. Во всяком случае, одним источником сигналов является соматосенсорная область коры, лежащая непосредственно позади моторной и соединенная с ней множеством связей. Участки соматосенсорной коры, получающие сигналы от кисти, очевидно передают сигналы в моторную кору, замыкая петлю (хотя, вероятно, не единственную) в этой системе обратной связи.

Осуществляемый моторной корой контроль, о котором шла речь выше, имеет решающее значение для возникновения и стабилизации самых точных движений человека. Что происходит, когда человек хочет совершить движение, которое направлено против нормальной рефлекторной реакции? Для исследования этого вопроса мы с Дз. Тандзи (J. Tanji) из Университета Хоккайдо изучали активность нейронов двигательной коры у обезьян, которые были обучены реагировать на непроизвольное движение своей руки. Это обучение иногда требовало мышечной реакции, полностью противоположной нормальному рефлекторному движению. Воспользуемся аналогией с человеком и представим себе испытуемого, который стоит прямо. Он получил инструкцию: когда экспериментатор толкает его, он должен наклониться вперед, не переставляя ног. Испытуемый сначала подготовится к движению вперед, а затем будет ждать толчка. Если толчок последует сзади, то для сохранения равновесия испытуемый рефлекторно отогнется назад. Для осуществления центрально запрограммированного движения, направленного вперед в соответствии с инструкцией, он должен теперь выйти из способа реагирования по замкнутой петле, который сохраняет ему равновесие, и перейти к реакции по открытой петле, которая приведет к тому, что он качнется вперед (в данном случае упадет в сетку или на руки к тому, кто стоит наготове, чтобы поймать его).

Мы с Тандзи обучали обезьян отвечать на такую же последовательность событий. Животные начинали с того, что точно устанавливали рукоятку и удерживали ее в неподвижности в течение нескольких секунд. Во время этого короткого периода выход сигналов из их моторной коры к мышцам руки регулировался отрицательной обратной связью по замкнутой петле. Затем включалась цветная лампа. Ее цвет показывал обезьяне, как реагировать на предстоящее перемещение рукоятки извне. Если свет был красный, обезьяна должна была тянуть рукоятку назад, если зеленый - толкать вперед. Обезьяны получали вознаграждение за правильные ответы на движения рукояток после получения обоих сигналов. Подготовка к реакции на эти сигналы занимала около 200 миллисекунд.

Регистрируя импульсацию нейронов моторной коры, мы отметили, что после подготовки к движению животному нужно было всего 40 миллисекунд, чтобы правильно реагировать на движения рукоятки. В коротком интервале, следующем за движением, корковый контроль резко переходил от обратной связи по замкнутой петле (которая рефлекторно обеспечивает устойчивость позы) к связи по открытой петле, которая была нужна, чтобы совершить запрограммированное движение.

Итак, соматосенсорная область коры больших полушарий выполняет функцию передачи сигналов, контролирующих выходную активность моторной коры по принципу замкнутой петли. Но соматосенсорная область не посылает тех сигналов, которые лежат в основе запрограммированных движений, осуществляемых по принципу открытой петли, несмотря на (а не вследствие) рефлекторные эффекты соматосенсорной входной активности. Сигналы, связанные с запрограммированными движениями, приходят в двигательную кору из подкорковых структур, в особенности из мозжечка через таламус. П. Стрик (P. Strick) из Национальных институтов здравоохранения поставил опыты, которые показали, что в центрально запрограммированном управлении по открытой петле участвует путь, идущий от мозжечка через таламус в кору. Проводя опыты в основном по тому же плану, что и мы с Тандзи, Стрик регистрировал активность отдельных нейронов в определенных структурах мозжечка.

Он обучал своих обезьян двигать рукой в ответ на поданный знак, состоявший в перемещении руки посредством производимого извне передвижения рукоятки, которую держала обезьяна. Стрик обнаружил, что если предварительно у обезьян при помощи системы красных и зеленых сигналов было запрограммировано перемещение рукоятки в том или другом направлении, то эта программа оказывала сильное влияние па реакции определенных, так называемых зубчатых нейронов мозжечка: эти нейроны разряжались в пределах 30 миллисекунд после того, как был подан знак в виде перемещения руки. Тем самым у активности зубчатого нейрона было 10 миллисекунд на то, чтобы пройти через таламус и вызвать, центрально запрограммированную активность моторной коры (проявляющуюся через 40 миллисекунд после подачи знака).

Проводящие пути между некоторыми областями коры больших полушарий и определенными подкорковыми структурами показаны на схеме продольного разреза большого мозга обезьяны. Тонкими стрелками обозначены входы в базальные ганглии (структуры внутри черных границ), которые проводят разнообразную информацию от коры больших полушарий. Один из компонентов, стриатум, является главным связующим звеном между ассоциативными областями коры и моторной областью. Путь, выходящий из стриатума, проходит к разделенному на две части бледному шару (толстая стрелка); это образование в свою очередь посылает связи в другую подкорковую структуру - таламус, в особенности к двум его ядрам: ventralis lateralis и ventralis anterior (толстая и менее толстая стрелки). Пути, выходящие из таламуса, идут главным образом в премоторную область коры (толстая стрелка); дополнительные пути (менее толстая стрелка) направляются в моторную кору, откуда сигналы идут к мотонейронам спинного мозга (пунктирная стрелка). Подкорковые входы играют важную роль в центральном программировании движений.

Факты, полученные Стриком, согласуются с данными У. Тэтча мл. (W. Thatch, Jr.) из Вашингтонского университета. Работая в Национальном институте охраны психического здоровья, Тэтч показал, что импульсация нейронов мозжечка намного опережала мышечную активность у обезьяны, обученной отвечать на световой стимул. Роль сигналов, идущих от мозжечка, в генерации активности моторной коры была также экспериментально показана В. Бруксом (V. Brooks) с сотрудниками из Университета Западного Онтарио. Они искусственно понижали температуру мозжечка у обезьян, а затем давали ей вернуться к норме. Активность нейронов двигательной коры измерялась до, во время и после охлаждения мозжечка. Было установлено, что во время охлаждения импульсация нейронов моторной коры и соответствующее запрограммированное движение запаздывали.

Кроме проведения сигналов от мозжечка в моторную кору таламус передает сигналы еще от одной подкорковой структуры, а именно от большой совокупности клеточных групп, объединяемых общим названием базальных ганглиев. Во время своей работы в Национальном институте охраны психического здоровья М. Де-Лонг (М. DeLong) из Университета Джонса Гопкинса показал, что клетки базальных ганглиев разряжаются задолго до произвольных движений, совершаемых животным в ответ на сигналы, Этот факт согласуется с результатами наблюдений, сделанных в неврологических отделениях; согласно этим наблюдениям, базальные ганглии имеют решающее значение для самых ранних стадий инициации движения - стадий, когда в результате еще не разгаданных процессов абстрактная мысль переводится в конкретный двигательный акт.

Рефлексы и произвольные движения не противоположны друг другу. Это признал еще сто лет назад Джексон, когда писал, что произвольные движения подчиняются законам, управляющим рефлекторными актами. Однако если произвольным движениям нельзя дать определение путем исключения, т. е. определить их как нечто такое, что не является рефлексом, то в таком случае как же их определить? Самое сжатое из известных мне определений дал шведский нейрофизиолог Р. Гранит (R. Granit) в своей недавно опубликованной книге "Целенаправленный мозг": "Произвольным в произвольном движении является его цель". С такой точки зрения произвольные свойства моторного акта надо рассматривать в аспекте цели совершаемого действия. В то же время действительные события, лежащие в основе достижения цели, строятся из разнообразных рефлекторных процессов.

Недавно я обсуждал этот вопрос с русским кибернетиком Виктором Гурфинкелем. Он тоже определяет произвольное движение в связи с его целью. Описывая виды процессов, на которых основано произвольное движение, он рассказал мне о некоторых кинезиологических исследованиях, направленных на оценку характеристик управления движением у лучших стрелков-спортсменов. Гурфинкель указал, что важным свойством меткого стрелка является его способность удерживать пистолет неподвижным. Как показали исследования электромиографических и кинематических характеристик снайперов, при том что многие части их тела двигались, пистолет оставался практически неподвижным. Положение руки стрелка в пространстве стабилизировали всякого рода рефлекторные механизмы; вестибуло-окулярная система, вестибуло-спинальная система и другие. Приведенный Гурфинкелем пример со стрелком вызывает в памяти точку зрения У. Джеймса (W. James) относительно сущности произвольного движения. Почти сто лет назад он писал: "Меткий стрелок в конце концов думает только о точном положении цели, певец - только о совершенстве голоса, эквилибрист - только о конце шеста, колебаниям которого он должен противодействовать".

Здесь мы видим поразительное согласие между учеными самых разных школ, дисциплин и эпох. Гранит разделяет точку зрения Джеймса и Гурфинкеля. Гранит и Гурфинкель принимают представление Шеррингтона о том, что целенаправленные движения строятся на основе рефлекторных процессов. Так же думал английский невропатолог К. Уилсон (К. Wilson). Он писал в 1928 г., что "большая часть всякого произвольного движения непроизвольна и лежит вне сознания".

Каковы же в таком случае свойства, которые отличают целенаправленные движения от лишенных цели? Несомненно, существует много видов непроизвольных движений, например возникающие при некоторых нервных болезнях. Они наблюдаются при различных поражениях базальных ганглиев. Характерно заметное нарушение произвольных движений: они или не совершаются, когда нужны, или же возникают, когда не нужны. Как указал Уилсон, у больных хореей Гентингтона возникают невольные движения, которые похожи на движения, "выполняемые по велению воли. Кажется, что каждое новое движение направлено на определенную цель, которой оно никогда не достигает". Мышечная деятельность, связанная с невольными движениями, схожа с деятельностью, связанной с произвольными движениями здорового человека. Но при хорее движения лишены цели.

По существу ясно, что законы рефлекторной деятельности, регулируемой на уровне спинальных мотонейронов, действуют также на уровне моторной коры при произвольных движениях. В свою очередь на нейроны моторной коры влияют транскортикальные входы. Таким образом, двигательная кора млекопитающих филогенетически новая часть головного мозга - подчиняется тем же законам рефлекторной деятельности, которые характерны для его более древних частей. Кроме того, на моторную кору действует вторая мощная группа входов. Эти входы лежат в основе генерируемых изнутри моторных программ, которые создаются в результате активности базальных ганглиев и мозжечка и доходят до моторной коры через таламус.

Таким образом, из двух основных классов входов, которые воздействуют на моторную кору головного мозга и порождают поток импульсов, идущий к спинному мозгу, наиболее понятным представляется класс входов, которые работают автоматически, т. е. транскортикальная петля: она работает в соответствии с шеррингтоновскими принципами рефлекторной деятельности. Второй класс входов, берущих начало в базальных ганглиях и мозжечке и идущих в моторную кору через таламус, составляет более сложную картину. Чтобы понять произвольное движение, нужно понять те виды информации, которые перерабатываются подкорковыми структурами, и установить, как выходы из мозжечка и базальных ганглиев взаимодействуют в таламусе. Для исследователей механизмов головного мозга, управляющих движениями, эти вопросы являются самыми главными.

Н. ГЕШВИНД

Специализация человеческого мозга

Некоторые высшие функции, такие, как речь, связаны со специализированными областями человеческого мозга. То же и в более крупном масштабе: два полушария большого мозга специализированы для различных видов умственной деятельности

Нервные системы всех животных имеют ряд общих фундаментальных функций, среди которых можно особо выделить управление движениями и анализ раздражителей. Отличительной чертой человеческого мозга является разнообразие высоко специализированных действий, которым он способен обучаться. Превосходнейшим примером является речь: никто не рождается знающим язык, но практически все научаются говорить и понимать произносимые слова, и людей любого уровня культуры можно научить писать и читать. Восприятие музыки также является универсальным свойством человека: люди, не проходившие специального обучения, способны узнавать и воспроизводить десятки мелодий. Добавим к этому, что почти каждый может рисовать простые фигуры, да и уменье хорошо рисовать тоже встречается не так уж редко.

Способности каждого из полушарий человеческого мозга проверялись на испытуемом, два полушария которого были разобщены хирургическим путем. Операция заключалась в перерезке двух главных пучков нервных волокон, соединяющих полушария, - мозолистого тела и передней комиссуры. В процессе тестирования испытуемому предъявляли каждый из узоров средней колонки и просили воспроизвести эти узоры, размещая нужным образом цветные блоки. Задание выполнялось либо одной правой рукой (которая связана главным образом с левым полушарием), либо одной левой рукой (которая управляется в основном правым полушарием). Частота ошибок не зависела от руки, но типичные для каждой руки ошибки были совершенно различными. Эти результаты заставляют предполагать, что каждая сторона мозга может использовать для выполнения такого рода задач свой определенный набор способностей; данное наблюдение согласуется с другими свидетельствами в пользу того, что два полушария специализированы для различных функций.

По крайней мере некоторые из этих высших функций человеческого мозга управляются специально предназначенными для них сетями нейронов. Уже более 100 лет известно, например, что по крайней мере две четко ограниченные области коры мозга существенны для лингвистических способностей; они кажутся созданными специально для обработки словесной информации. Определенные структуры на внутренней поверхности нижней части височной доли, в том числе гиппокамп, по-видимому, необходимы для долговременной памяти. В некоторых случаях функциональная специализация нервной системы оказывается очень узкой: так, на обеих сторонах коры большого мозга есть область, которая занимается в первую очередь узнаванием лиц. Похоже, что другие виды умственной деятельности также связаны с определенными нервными сетями. Например, можно думать, что музыкальные и артистические способности определяются специализирозанными системами в мозгу, хотя эти структуры пока еще не установлены.

Другой отличительной характеристикой человеческого мозга является распределение функций между двумя полушариями. О том, что человеческий мозг не полностью симметричен в своих функциях, можно догадаться хотя бы по такому наблюдению из повседневной практики: большинство людей отдает предпочтение правой руке, управляемой левой половиной мозга. Лингвистические способности также приурочены главным образом к левой стороне. По этой причине когда-то говорили, что левое полушарие мозга доминирует, и думали, что правая половина мозга играет подчиненную роль. В последние годы эта концепция была пересмотрена, так как стало очевидно, что каждое полушарие обладает своими "особыми талантами". Правое полушарие доминирует в таких свойствах, как музыкальность и распознавание сложных зрительных образов; оно также более важно для выражения и распознавания эмоций. В последние несколько лет эти функциональные асимметрии были соотнесены с анатомическими, и было положено начало исследованию их значения у других биологических видов, кроме человека.

У человека, как и у других видов млекопитающих, обширные области коры отведены под относительно элементарные сенсорные и моторные функции. Дуга, которая идет, грубо говоря, от уха до уха через крышу мозга, соответствует первичной моторной коре, осуществляющей произвольное управление мышцами. Параллельно этой дуге и прямо позади нее лежит соматосенсорная зона, которая получает сигналы от кожи, костей, суставов и мышц. Почти каждый участок тела представлен соответствующей областью как в первичной моторной, так и в соматосенсорной коре. В задней части мозга, и в частности на внутренней поверхности затылочных долей, располагается первичная зрительная кора. Первичные слуховые зоны находятся в височных долях; обоняние сосредоточено в определенной области на нижней части лобных долей.

Первичные сенсорные и моторные зоны специализированы в том смысле, что каждая предназначена для специфической функции, но сами эти функции имеют очень широкий спектр, так что данные зоны участвуют в самых разнообразных видах деятельности. Отметим, что у всех видов животных, имеющих хорошо развитую кору, найдены гомологичные области. В данной статье будут рассмотрены главным образом те зоны коры, которые управляют более узкой областью поведения. Некоторые из этих высоко специализированных зон являются общими для многих видов, тогда как другие присущи только человеку.

Серии экспериментов по обучению обезьян иллюстрируют, какими тонкими могут быть различия между двумя сетями нейронов. Обезьяну можно научить безошибочно выбирать один предмет или одну фигуру из пары. Задача делается несколько более трудной, если предметы предъявляются, а затем убираются, и обезьяне разрешается проявить свой выбор только после определенной задержки, в течение которой объекты спрятаны за экраном. Было обнаружено, что выполнение этой задачи заметно нарушается, если на обеих сторонах мозга разрушить небольшую область лобной доли. Затруднения в эксперимент можно также ввести, усложнив фигуры, но позволив делать выбор, не убирая тест-объекта. Повреждение совершенно другой области коры снижает способность выполнять эту задачу, но не влияет на решение задачи с задержкой.

Эти эксперименты иллюстрируют также один из основных способов получения информации о функциях мозга. Повреждение определенного участка в результате заболевания или травмы вызывает иногда вполне определенные нарушения поведения. Во многих случаях можно заключить, что некоторые аспекты затронутого поведения в норме зависят от той части мозга, которая была разрушена. У человека самая обычная причина повреждения мозга - это тромбоз мозговых сосудов; закупорка мозговой артерии приводит к гибели ткани, снабжаемой данным сосудом. К 1920 г. обследование больных со стойкими последствиями такого повреждения позволило идентифицировать ряд функциональных областей мозга, включая речевые зоны.

Изучение последствий поражения мозга все еще остается важным методом исследования функций мозга, но сейчас мы располагаем и другими методами. Один из наиболее важных был доведен до высокого уровня совершенства немецким нейрохирургом О. Ферстером (О. Foerster) и У. Пенфилдом (W. Penfield) из Неврологического института в Монреале. Во время хирургической операции на мозге производили электрическую стимуляцию различных его участков и изучали при этом реакцию больного, находившегося в сознании. Таким способом удалось составить карту зон, ответственных за ряд функций. Кроме важности этого метода для изучения мозга он имеет и клиническое значение, так как позволяет хирургу избежать областей, повреждение которых могло бы иметь пагубные последствия.

Ценные сведения были получены также при хирургических вмешательствах по поводу тяжелой эпилепсии. Один из методов избавления от частых эпилептических припадков (применяемый только тогда, когда все другие терапевтические методы не дают эффекта) состоит в удалении той области коры, где находится патологический очаг. Функциональные расстройства, которые возникают иногда в результате такого вмешательства, были подробно изучены Б. Милнер (В. Milner) из Неврологического института в Монреале.

Специализацию полушарий можно изучать у больных со стойкими повреждениями комиссур, соединяющих две половины мозга; наиболее важной из них является мозолистое тело. В первых таких случаях, изученных в конце XIX в. Ж. Дежрином (J. Dejerine) во Франции и Г. Липманом (Н. Lipmann) в Германии, повреждения были вызваны инсультом. Сравнительно недавно разделение полушарий путем перерезки комиссур стали применять при лечении эпилепсии. Обследования таких больных "с расщепленным мозгом", выполненные Р. Сперри (R. Sperry) из Калифорнийского технологического института и М. Газзанигой (М. Gazzaniga) из Медицинского колледжа Корнеллского университета, позволили получить более подробные сведения о функции разобщенных полушарий. Д. Кимура (D. Kimura), которая работает сейчас в Университете Западного Онтарио, была пионером разработки метода, названного дихотическим слушанием, который дает представление о специализации полушарий интактного человеческого мозга.

Наиболее детально были исследованы те специализированные области мозга, которые связаны с речью. В 1860-х годах французский исследователь П. Брока (Р. Вгоса) показал, что повреждение определенного участка коры неизменно вызывает афазию, или расстройство речи. Этот участок находится у края лобной доли, и сейчас его называют передней речевой зоной, или просто зоной Брока. Брока пошел дальше и сделал второе важное открытие. Он показал, что в то время, как повреждение этого участка на левой стороне мозга ведет к афазии, при сходном повреждении корреспондирующей области на правой стороне речь не страдает. С тех пор это открытие было многократно подтверждено: можно гарантировать, что более 95 процентов афазий, связанных с повреждением мозга, являются результатом поражения левого полушария.

Зона Брока граничит с лицевой областью моторной коры, управляющей мышцами лица, языка, челюстей и глотки. Когда при инсульте повреждается зона Брока, почти во всех случаях наблюдается также серьезное повреждение лицевой зоны левого полушария, и поэтому можно подумать, что расстройство речи вызвано частичным параличом мышц, необходимых для артикуляции. Легко показать несостоятельность такого объяснения. Во-первых, повреждение соответствующей области на правой стороне не приводит к афазии, хотя имеется частичный паралич лицевых мышц. Во-вторых, известно, что при афазии Брока мышцы, которые не выполняют своей речевой функции, в остальном действуют нормально. И далее, самое простое: больной с афазией Брока, которому очень трудно говорить, нередко прекрасно и легко поет. Наконец, речь больного с афазией Брока нарушена грамматически, что уже никак нельзя объяснить слабостью мышц.

Специализация соматосенсорной и моторной зон коры мозга выражается в том, что каждый участок этих зон можно связать с определенной частью тела. Другими словами, большая часть тела может быть представлена на коре в виде схемы; результатом этого будут два искаженных гомункулуса. Искажения связаны с тем, что отведенная под данную часть тела площадь коры пропорциональна не величине этой части, а необходимой точности управления. У человека очень велики площади моторной и соматосенсорной зон, соответствующие лицу и рукам. Здесь показаны только половины каждой из таких корковых зон: левая соматосенсорная зона (которая получает сигналы преимущественно от правой половины тела) и правая моторная зона (которая осуществляет управление движениями левой половины тела).

Другой тип афазии описал в 1874 г. немецкий исследователь К. Вернике (С. Wernike). Этот тип афазии связан с повреждением другой области коры, находящейся также в левом полушарии, но не в лобной, а в височной доле. Эта область, именуемая теперь зоной Вернике, лежит между первичной слуховой корой и структурой, называемой угловой извилиной, которая, по-видимому, проходит между зрительным и слуховым центрами мозга. Позднее было установлено, что зона Вернике и зона Брока соединяются группой нервных волокон-дутообразным пучком.

Поражение каждой из этих зон - как зоны Брока, так и зоны Вернике ведет к расстройствам речи, но характер этих расстройств совершенно различен. При афазии Брока речь становится затрудненной и медленной, с нарушенной артикуляцией. Ответ на вопрос часто имеет смысл, но он редко дается в виде грамматически правильно построенного предложения. Особые трудности возникают со спряжением глаголов, с произношением и со связующими словами, а также со сложными грамматическими конструкциями. В результате речь приобретает телеграфный стиль. Например, если больного спрашивают о назначении к зубному врачу, он отвечает невнятно и заикаясь: "Да... Понедельник... Папа и Дик... Среда девять часов... 10 часов... доктора... и... зубы". Такого же типа ошибки делаются и при письме.

На карте коры человека показаны области, функциональная специализация которых установлена. Большая часть коры отведена под сравнительно элементарные функции: управление движениями и первичный анализ раздражителей. Эти области, включающие моторную и соматосенсорную зоны, а также первичные зрительные, слуховые и обонятельные области представлены у всех видов, которые имеют хорошо развитую кору, и вовлекаются в работу при многих родах деятельности. Некоторые другие области (темный цвет) более узко специализированы. Зоны Брока и Вернике участвуют в формировании и восприятии речи. Предполагается, что соотнесение зрительного и слухового представлений информации производит угловая извилина. Такие функциональные специализации обнаружены только на левой половине мозга; соответствующие области правого полушария не имеют аналогичной связи с лингвистическими способностями. Правое полушарие, которое здесь не показано, определяет свои собственные специфические способности, в частности касающиеся некоторых аспектов восприятия музыки и сложных зрительных образов. Однако анатомические зоны, ассоциирующиеся с этими способностями, определены не так хорошо, как речевые зоны. Даже в левом полушарии соотнесение функций с участками коры лишь приблизительное; некоторые зоны могут иметь иные функции, кроме указанных, а в осуществлении отдельных функций может принимать участие несколько зон.