Чтение онлайн

Рисунок нейрона Пуркинье (А) и шарового нейрона (В) из мозга голубя, выполненный Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в 1899 г. Клетки окрашены с помощью метода Камилло Гольджи. Небольшие «узелки» на дендритах — это дендритные шипики.

Выдающийся испанский анатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль впоследствии сделал ряд изумительно красивых рисунков нервных клеток, визуализированных с помощью метода окрашивания Гольджи. У него были способности к рисованию, и он поначалу хотел стать художником, но отец убедил его заняться медициной. В этом случае ему понадобились две профессии. Опираясь на свои наблюдения, Кахаль предположил, что каждая нервная клетка является самостоятельным образованием и физически отделена от соседних клеток. Это привело к спору с Гольджи, который думал иначе. Правым, в конце концов, оказался Кахаль.

Поскольку окрашивание серебром визуализирует в деталях очень небольшое число нейронов, оно не позволяет увидеть, как нейроны взаимосвязаны. Для этого нужно было как-то пометить соседние клетки другими цветами. Необходимый процесс разработали в 2007 г., когда появилась возможность, используя молекулярно-генетические методы, пометить нейроны разными цветами. По аналогии с экраном телевизора, где всего три цвета воспроизводят множество оттенков, три разные генетически кодируемые флуоресцентные краски окрасили мозг мыши в разные цвета. В одной из областей похожего на радугу мозга мыши можно было различить более 90 разных оттенков и, таким образом, проследить соединения между нейронами. Получился не просто научный результат, а настоящее произведение искусства. Как разобрать мозг на части

Получение представления о том, как устроен мозг, как информация перетекает из одной области в другую и как информация кодируется и обрабатывается, является одной из самых сложных задач неврологии. В электронных приборах, например в радиоприемниках, электрическая схема детально раскрывает все соединения между компонентами и дает представление о том, как по цепи передается информация. На нашей планете есть только одно живое существо, для которого составлена полная схема нервной системы, и это существо — микроскопический червь Caenorhabditis elegans, живущий в почве. Он является научной супермоделью, которая привлекает к себе больше глаз, чем проход манекенщиц по подиуму во время демонстрации последних новинок моды. Поскольку червь так мал, а его нервная система предельно проста, мы знаем каждую его нервную клетку и все их соединения. У него 302 нейрона, около 5000 химических синапсов, 600 электрических синапсов и 2000 нервно-мышечных соединений.

Невероятная сложность мозга человека и трудность идентификации отдельных соединений превращает создание аналогичной схемы для нашего мозга почти в неразрешимую проблему. Вдобавок такая схема у каждого человека своя, да еще и изменяется по мере того, как он приобретает новые навыки и опыт. Вместе с тем нельзя сказать, что мы совершенно не знаем, как наш мозг работает.

Предположение о том, что разные части мозга специализируются на выполнении конкретных функций, впервые выдвинул Франц Йозеф Галль в начале XIX в. После тщательного изучения черепов своих друзей, пациентов, обитателей местной психиатрической лечебницы и заключенных в тюрьме он пришел к выводу, что разные области мозга отвечают за разные проявления мыслительной деятельности, такие как отвага, осторожность, целеустремленность, остроумие и технические навыки, и что это отражается на размере и форме окружающего мозг черепа. Харизматический оратор, Галль разъезжал по всей Европе с публичными лекциями, пропагандирующими его идеи, и даже как-то раз выступил перед королевской семьей в Германии. Он также собрал коллекцию из 300 человеческих черепов и более сотни гипсовых слепков. Однако, несмотря на то, что френология, т.е. практика определения характера человека по бугоркам на его голове, на некоторое время вошла в моду, у нее не было научной основы.

Первые реальные представления о том, какую роль играют разные области мозга, были получены путем наблюдения за людьми, мозг которых был поврежден в результате травмы или болезни. Один из самых известных случаев был связан с человеком по имени Финеас Гейдж. Гейдж был бригадиром и 13 сентября 1848 г. руководил группой рабочих, занятых на строительстве железнодорожного полотна недалеко от города Кавендиш в штате Вермонт. Он занимался подготовкой взрыва большого валуна и с помощью стального прута (диаметром около трех сантиметров, длиной больше метра и весом порядка шести килограммов) утрамбовывал порох в просверленном отверстии. К несчастью, прут выбил искру при ударе о камень, порох воспламенился, и прут пронзил череп Гейджа. Он вошел в левую щеку, повредил глаз, вышел через макушку и, пролетев 25 метров, упал на землю. Гейдж «опрокинулся на спину, его конечности несколько раз конвульсивно дернулись», но, как ни удивительно, уже через несколько минут он разговаривал, смог сидеть в экипаже, на котором его везли в гостиницу, и даже прошел один лестничный пролет. Врач, который первым осматривал его, отказывался верить в произошедшее, пока Гейджа не стошнило и «от спазма из его головы не выплеснулось на пол примерно полчашки мозгового вещества». Второй врач, прибывший через полтора часа, нашел Гейджа в сознании, но отметил, что «он и вся его кровать были перепачканы запекшейся кровью».

Хотя Гейдж и выздоровел физически, скоро стало ясно, что травма изменила его личность. Прежний уравновешенный, дружелюбный, энергичный, трудолюбивый уважаемый всеми человек стал трудно сдерживаемым, нерешительным, несговорчивым и «отчаянным сквернословом». Это был, как говорили его друзья, совершенно другой человек. История Гейджа показывает, что особенности нашей личности и эмоции связаны с функционированием определенных областей мозга. Повреждение лобной доли коры головного мозга привело к неуместному поведению Гейджа и к потере социальных тормозов.

Другим несчастным, чей недуг приоткрыл завесу тайны над локализацией различных функциональных областей мозга, был месье Леборн, который не мог говорить и произносил только слово «тан», когда Поль Брока осматривал его в 1861 г. Вскоре после этого Леборн скончался, и вскрытие показало, что небольшая область левого полушария его головного мозга была повреждена. Эта часть мозга, увековеченная как область Брока, отвечает за управление речевой функцией. Несколько лет спустя Карл Вернике нашел несколько человек, страдающих другим расстройством речи: они, хотя и могли ясно и бегло произносить слова, говорили бессвязно, их фразы представляли собой бессмысленный поток слов, однако структура предложений была более-менее правильной, например: «Я не могу говорить все, что я делаю, и часть части я могу идти как надо, но я не могу отличить других людей». Сейчас мы знаем, где находится область мозга, участвующая в управлении речью. Область Вернике находится на некотором отдалении от области Брока ближе к задней части мозга.

Для большинства целей левое и правое полушария нашего мозга симметричны. Речевой центр, однако, находится в основном в левом полушарии. Нарушение кровообращения левого полушария может, таким образом, привести к параличу правой половины тела и к потере речи. В то же время нарушение кровообращения правого полушария приводит к параличу левой половины тела, но очень незначительно затрагивает речь. Удивительно, но люди с повреждением области Брока могут спеть слова, которые они не в состоянии произнести, — по всей видимости, пением управляет совершенно другая часть мозга. Внешнее стимулирование как инструмент исследования

Другим способом определения, какую функцию выполняет та или иная область мозга, является прямое стимулирование слабым электрическим током. Одним из первых, кто стал систематически пользоваться этим способом, был Эдуард Гитциг. В середине 1800-х гг. он экспериментировал на прусских солдатах, у которых в результате ранения был раздроблен череп и часть мозга оказывалась обнаженной. Гитциг заметил, что воздействие слабым электрическим током непосредственно на мозг вызывает непроизвольное сокращение мышц. Позднее эксперименты на собаках показали, что небольшой участок коры, который сейчас называют двигательной областью коры головного мозга, управляет движениями определенных частей тела.

Аналогичным образом были локализованы области коры, которые отвечают за восприятие звуков, зрительных образов, а также за осязание. На верхней части головного мозга находится соматосенсорная система. Здесь сигналы, поступающие от рецепторов в коже, организуются таким образом, что один и тот же участок кожи связывается с одной и той же областью мозга: голени, стопы, пальцы рук и пальцы ног связаны со своими собственными частями мозга. Более чувствительным частям тела, таким как губы, пальцы и гениталии, соответствуют более крупные области мозга с более значительным числом нейронов, чем менее чувствительным частям, например пояснице. Аналогичным образом сигналы от каждой части поля зрения глаз поступают к своему участку зрительного центра коры в задней части мозга, а звуки распределяются в соответствии с частотой в слуховой зоне коры головного мозга. На самом деле похоже, что для каждого чувства в мозге создаются несколько подобных карт: в мозге, как в хорошей машине, может предусматриваться дублирование. Информация, однако, не поступает в центры обработки напрямую, она проходит через множество ретрансляционных станций и в значительной мере обрабатывается по пути.

Возможность вызывать ощущение и действие простым стимулированием определенной области мозга имеет очень большую клиническую значимость. Она нередко используется при проведении операций на мозге, поскольку позволяет убедиться, например, в том, что хирург, удаляющий опухоль, иссекает нужный участок и ничего больше. Во время такой операции пациент находится в сознании и может сказать, что он чувствует: операция безболезненна по той причине, что в мозге нет болевых рецепторов, чувствительность болевых волокон в коже, покрывающей череп, подавляют с помощью местной анестезии. Подобные операции также дают полезную информацию о том, где находятся центры памяти и обработки слов. Мозговые волны