Текст книги "Парадоксы мозга"

Чтобы окончательно убедиться в своей правоте, Флуранс провел на петухах еще одну серию удивительных опытов. Он перерезал у них на одном крыле два нерва: один – идущий к мышцам-разгибателям, а другой – к мышцам-сгибателям, а затем вшивал их, но намеренно перепутав концы. В результате идущий от мозга нерв-разгибатель оказался сшит с обрывком нерва-сгибателя, а нерв-сгибатель – с обрывком разгибателя. Нервы легко срастаются, и по прошествии определенного времени функция крыла восстановилась. Эти наблюдения, казалось бы, должны были свидетельствовать о том, что тот участок мозга, который дает команды мышцам-сгибателям, с таким же успехом может командовать и разгибателями.

Флуранс был серьезным ученым и каждый свой вывод подтверждал данным собственноручно проведенных экспериментов и наблюдений. Однако сделанные им выводы в дальнейшем не подтвердились. Мозг птиц во многом отличается даже от мозга низших млекопитающих, тем более от человеческого. То, что он принимал за кору больших полушарий, являлось совершенно другой мозговой структурой. Она действительно работает как единое целое, тогда как кора больших полушарий высших млекопитающих, и особенно человека, состоит из отделов, выполняющих присущие только им функции.

Спор между сторонниками Галля и Флуранса был весьма плодотворным. Он толкал на проведение все новых и новых исследований и способствовал дальнейшему развитию физиологии, изучению функций отдельных структур мозга. Ученые конца XVIII – начала XIX века подорвали веру в существование непознаваемой души и поставили на очередь вопрос об изучении деятельности мозга, который уже нельзя было рассматривать как седалище нашей психики, каким его до того считали, – он получил статус ее творца.

Миллиарды деталей

Несколько фотоснимков

Одна из главных причин, сдерживавших развертывание работ по изучению мозга, – неверие в возможность осуществления подобных исследований. Сначала ученые думали, что психика продукт нематериальной, а следовательно и непознаваемой души. Поэтому изучение чего-либо, что к ней относится, не имело в их глазах никакого смысла. Когда же вера в божественную душу понемногу стала угасать, взяться за изучение физиологии мозга мешало представление, что мысль не материальна, а потому механизмы ее возникновения не могут быть изучены. Кроме того, невероятная сложность мозга, полное отсутствие сведений о том, что происходит в его недрах, не вдохновляли. Никто не знал, с какой стороны подойти к его изучению.

В.И. Ленин назвал человеческий мозг высшей формой организованной материи. Действительно, как по сложности своего устройства, так и по сложности и совершенству выполняемых им функций нет ничего равного мозгу. Он гораздо сложнее всего, с чем нам до сих пор приходилось сталкиваться в нашей Вселенной. Между тем на создание мозговой ткани природа особенно не расщедрилась. Мозг построен из относительно небольшого количества «типовых деталей» – разных видов нервных и глиальных клеток. Зато общее число использованных на его постройку деталей чудовищно велико. Только нервных клеток, или нейронов, как их сейчас называют ученые, около ста миллиардов и примерно столько же глиальных клеток.

Мозг современного человека – относительно небольшой орган. Его величина намного уступает размеру мозга некоторых животных, самым крупным природа одарила синего кита. Вес его мозга колеблется от 7 до 10 килограммов. Вес мозга индийского слона около 5 килограммов, северного дельфина-белухи – 2350 граммов, а дельфина-афалины – до 1735 граммов.

По сравнению с перечисленными животными размер мозга нашего обезьяноподобного предка был мизерным. У ископаемых австралопитековых обезьян он едва достигал 350 кубических сантиметров, но начал быстро расти. За время существования австралопитеков он постепенно увеличился от 450 до 750 кубических сантиметров, что уже значительно превышало размер мозга гориллы – самого крупного представителя современных человекообразных обезьян.

Было бы весьма интересно детально изучить мозг наших далеких предков, но это вещество больше других тканей организма подвержено разрушению. К счастью, об объеме мозга можно судить по объему черепной полости – она обычно немногим больше находящегося в ней мозга. Изучение костных останков рассказало о том, как шло развитие мозга. У предчеловека с острова Явы объем мозга возрос до 800 кубических сантиметров. У питекантропа он колебался от 750 до 900, а у синантропа достиг 915–1225 кубических сантиметров и почти приблизился к размеру мозга современного человека.

Объем черепной коробки африканского неандертальца достиг 1350, а европейского – 1610 кубических сантиметров. Наконец, среди кроманьонцев были по-настоящему «башковитые ребята» с объемом мозга до 1880 кубических сантиметров. Это была кульминация! Дальше величина мозга пошла на убыль. Если в среднем у кроманьонца емкость черепа составляла 1570, то в верхнем палеолите она упала до 1505, а у современного европейца до 1446, то есть уменьшилась на 125 кубических сантиметров! Этот процесс продолжался и в историческую эпоху существования человечества. Благодаря бальзамированию трупов лучше всего сохранились останки египтян. Их изучение позволило убедиться, что за 2–3 тысячи лет от царствования первых династий египетских фараонов до восемнадцатой династии емкость черепа сократилась с 1414 до 1379 кубических сантиметров, теряя примерно один кубический сантиметр каждые сто лет.

Не связан ли уровень развития интеллекта с размером мозга? Безусловно связан! Мозг шимпанзе в три раза меньше человеческого, и это определенно накладывает отпечаток на развитие умственных способностей обезьян. Однако не менее важна разница в его структурном совершенстве. Видимо, все-таки удачная конструкция важнее количества использованных для ее создания рабочих элементов.

Вес мозга современных людей подвержен значительным колебаниям – от 1017 до 2014 граммов. Разница почти в два раза, но она считается нормальной. Нашлись ученые, которым показалось заманчивым связать умственные способности людей с размерами их мозга. Они априорно, не проведя необходимых исследований, предположили, что мозг европейца крупнее, чем аборигенов других континентов, и сочли это доказательством превосходства белого человека над всеми остальными расами людей.

Расистски настроенные ученые поторопились. Им пришлось отказаться от своих домыслов. Между отдельными расами нет серьезной разницы в размерах мозга, во всяком случае она не в пользу европейцев. Средний вес мозга африканцев 1316, европейцев – 1361, в том числе немцев – 1291, швейцарцев – 1327, русских и украинцев – 1377. Вес мозга японцев – 1374, а бурят – даже 1508 граммов. Мозг мужчин обычно на 100–150 граммов больше женского.

Несмотря на то, что между появлением на земле каракатицы и человека прошли миллиарды лет, в организации тканей нервных ганглиев моллюсков и тканей головного мозга высших представителей млекопитающих не возникло принципиальной разницы. Нервная система любых организмов, как и любой другой орган, построена из клеток, правда, клеток весьма своеобразных и высококвалифицированных. По строению, характеру деятельности и значению их можно разделить на два типа – нервные и глиальные.

О глиальных клетках здесь будет сказано мимоходом, но не потому, что их роль ничтожна или их слишком мало. Глиальные клетки окружают нейроны со всех сторон. Предполагается, что они создают опору для нервных клеток и их тонких отростков, снабжают их всем необходимым, а может быть, выполняют и более важные обязанности.

Главными рабочими элементами мозга являются нейроны. Это удивительные клетки. От маленького, неправильной формы тела отходят многочисленные отростки. Один из них бывает особенно длинным. Его называют аксоном. Остальные – дендриты, они короче. И аксон и дендриты сильно ветвятся, причем аксон ветвится лишь на конце, а остальной его ствол веточек не дает. Если нарисовать нейрон аксоном вверх, он будет напоминать высокое и очень тонкое дерево, вырванное из земли с корнями.

Причудливое строение нейрона – не случайность. Каждая его часть выполняет свою особую функцию. Тело нейрона – это его энергетический центр и фабрика важнейших материалов, необходимых для жизнедеятельности нервной клетки. Дендриты предназначены для сбора информации. Их задача – увеличить поверхность нейрона. Вот почему они сильно ветвятся и образуют вокруг тела клетки густую чащу. Большинство сигналов, поступающих в нейрон от его соседей, перехватывается их бесчисленными отростками.

Функция аксонов заключается в передаче сигналов другим нервным клеткам. Это всего лишь проводник, кабель, идущий из одного отдела нервной системы в другой или из нервной системы в различные органы и ткани организма. Обычно аксон несколько тоньше дендритов, а его длина, в сравнении с мизерными размерами тела нервной клетки, поражает. Нейроны относятся к числу наиболее мелких клеток организма. Размер большинства из них обычно не превышает нескольких десятков микрометров, а длина аксонов человека варьируется от 0,1 миллиметра до 1 метра. Чтобы из спинного мозга донести команды до самых удаленных мышц ног или хвоста у крупных животных, например слона, кита, им нужно иметь длину от 1,5 до 3 метров. Наконец, у гигантского кальмара-архитеутиса, вместе с вытянутыми щупальцами достигающего в длину 18 метров, максимальная длина аксонов не должны быть меньше 10 метров. Выходит, что отросток может быть в миллионы раз длиннее собственной клетки.

Информация от одной нервной клетки к другой передается в местах их контакта. Для этого здесь формируются особые приспособления, обеспечивающие переход возбуждения с нейрона на нейрон. Их называют синапсами. Большинство синапсов, как уже говорилось, передают информацию от аксона одной клетки к дендриту другой, но известны и другие типы контактов: между аксоном одной клетки и телом другой, между двумя аксонами или двумя дендритами. Обычно нейрон имеет от 1000 до 10000 синапсов, через которые обменивается информацией с другими нейронами – получает от них сообщения или делится с ними имеющимися в его распоряжении сведениями.

Сложность строения нервных клеток сильно затрудняла изучение их взаимного расположения и общего устройства нервной ткани. Дело в том, что микроскоп не дает возможности проследить от начала до конца ни самый короткий аксон, ни крохотный дендрит. Путь нервных отростков извилист. Его трудно увидеть в густом переплетении соседних отростков и глиальных клеток, окружающих нейрон со всех сторон. Скажем откровенно, что и сейчас архитектоника многих участков человеческого мозга изучена еще недостаточно полно, но тем не менее уже появилась возможность дать принципиальную схему их взаимного расположения и взаимодействия.

Общий принцип устройства мозга правильнее всего представить в виде схематического изображения направления потоков информации от их поступления в нервную систему до направления распоряжений исполнительным органам. Мозг получает информацию от рецепторов. Здесь главным рабочим прибором служит видоизмененная нервная клетка. На нее возложена задача собирать и преобразовывать информацию, которая поступает из внешнего мира, в электрические сигналы. Фоторецепторы глаза реагируют на свет, обонятельные и вкусовые рецепторы – на химические воздействия, осязательные и звуковые – на механические. Для самых разных воздействий окружающего и внутреннего мира существуют рецепторы, но всю полученную информацию они переводят на язык электрических импульсов. Только в таком виде она становится понятной для клеток мозга.

Информация рецепторов адресуется нервным клеткам, которые, как правило, находятся здесь же, за пределами мозга. Отростки рецепторных клеток направляются к этим нейронам и вблизи них ветвятся. Таким образом, одна рецепторная клетка обычно посылает сигнал многим нейронам. В свою очередь, каждый из этих нейронов посылает аксон в мозг к нейронам следующего звена, который, как и полагается, делится на множество веточек и тоже передает информацию многим нейронам, а те переадресуют ее нейронам очередного звена.

Такой способ передачи информации вовсе не означает, что она мигом распространится на весь мозг, а число нейронов, занятых в ее обработке, будет расти как снежный ком. Дело в том, что каждый нейрон первого звена получает информацию не от одного, а от множества рецепторов, а каждый нейрон второго звена от множества нейронов первого. Так что информация рецепторных клеток, просочившаяся в мозг в виде тоненьких ручейков и дублированная здесь нейронами, ответственными за ее дальнейшее продвижение, может в конце концов действительно превратиться в могучий поток, но он потечет по своему руслу, не выплескиваясь за его берега.

Так от звена к звену передается в мозгу информация рецепторов, пока не достигнет исполнительных нейронов, которые шлют команды мышцам или железам. Таких звеньев как минимум должно быть два-три, но обычно бывает значительно больше. К сожалению, изучена в лучшем случае работа первых и последних одного-двух звеньев. Значительные успехи достигнуты лишь в изучении зрительной системы. Здесь путь информации прослежен до шестого-седьмого звена нейронной цепи, до нервных клеток в зрительных полях коры больших полушарий, занятых ее анализом. Что происходит в средних звеньях большинства анализаторных систем, пока почти не известно. Но именно это самое интересное, так как здесь возникают ощущения, осуществляется узнавание простых и сложных раздражителей и где-то здесь находятся кладовые нашей памяти. Наконец, именно в этих звеньях возникают эмоции, мысли, принимаются решения, формируется речь.

Пути информации в мозгу, конечно, не столь прямолинейны, как это изображено на нашей схеме. Чаще информация анализаторов адресуется в разные районы мозга и следует туда специальными дорогами. На дорогах мозга одностороннее движение. Передаваемой информации не угрожает катастрофа, столкновение со встречным потоком, но он существует. Для него предназначены другие магистрали, тоже с односторонним движением. Они берут начало где-то от средних звеньев нейронной цепи и служат для передачи в анализатор указаний, как ему дальше работать, то есть обеспечивают регулировку деятельности. Такие же встречные дороги обеспечивают «обратные связи», как называют их физиологи, между исполнительными органами и командными центрами мозга. Они дают возможность исполнительным органам – мышцам и железам – рапортовать командным центрам о выполнении их распоряжений.

Есть еще две особенности нейронных дорог. Нервные клетки каждого звена не только получают информацию от нейронов предыдущего, но и обмениваются информацией между собой посредством боковых связей. Кроме того, в каждом звене переключения информации наряду с обычными нейронами, обслуживающими линии связи, могут находиться и так называемые тормозные. Их импульсы действуют, как красные сигналы светофоров на наших людских магистралях, и способны приостановить, сократить, а то и полностью прервать движение потока информации.

Так выглядит в самых общих чертах устройство мозга. Со стороны может показаться, что мы знаем о нем чрезвычайно мало. Действительно, пока не так много, но в жизни все относительно. Понять принципиальную схему работы прибора, составленную из миллиардов элементов, – огромное, ни с чем не сравнимое достижение. Изучение мозга идет гораздо быстрее, чем можно было ожидать. Мы ушли от старта очень далеко, и то, что до финиша неизмеримо дальше, не должно нас смущать. Ведь процесс познания бесконечен, а секреты материи, тем более такой сложной и совершенной, неисчерпаемы. Но то, что неясно сегодня, станет понятным завтра и, конечно, даст повод для новых вопросов.

«Кирпичики» мозга

Чего только не придумали изобретатели! В Англии запатентована машинка, считающая петли при вязании вручную. Там же сконструировано и получило патент устройство для вскрытия скорлупы у яиц, сваренных всмятку. Французы изобрели скобы-зажимы, позволяющие, не обжигая пальцев, снимать кожуру с горячих вареных картофелин. Трудно сказать, сколько запатентованных изобретений не принесло человеку никакой пользы, зато другие способны прямо-таки на глазах изменить мир.

Считается, что зрение поставляет 90 процентов всей доходящей до нашего сознания информации. Каждый раз, когда делалось изобретение, позволяющее увидеть то, что раньше было недоступно глазу, наука делала крупный шаг вперед.

Английский физик Роберт Гук, живший в XVII веке, изобрел несколько астрономических и физических приборов, спиральную пружину для часов, оптический телеграф и усовершенствовал микроскоп. То, что он увидел, заглянув в окуляр своего детища, так потрясло ученого, что в 1665 году он опубликовал собственное сочинение с длинным, как тогда было принято, и малопонятным названием «Микрография, или Некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол». Среди изученных им объектов были срезы обычных бутылочных пробок. Приглядываясь к их строению, он увидел, что они более чем наполовину состоят из воздуха, заключенного в крохотные коробочки. Так были открыты растительные клетки.

Прошло еще немало лет, прежде чем удалось увидеть животные клетки, а потом убедиться, что все организмы состоят из клеток, являющихся их основной структурной единицей. В конце концов была открыта и нервная клетка, только это произошло почти два века спустя после опубликования Гуком своего знаменитого сочинения. В тот период уже существовали неплохие световые микроскопы, позволяющие разглядеть такие крохотные объекты, как тело нейрона и даже его отростки. Однако они казались прозрачными и поэтому невидимыми, а если их окрашивали обычными красителями, как красят срезы других органов тела, то из-за слишком плотной упаковки, из-за густого переплетения отростков, получался темно окрашенный мазок, на котором было невозможно рассмотреть отдельные детали.

Трудно представить процесс дальнейшего изучения мозга, если бы в конце прошлого века итальянский анатом К. Гольджи не создал метод окраски нервной клетки, позволивший наконец увидеть, что она собой представляет. Ценность метода состоит в том, что на мозговом срезе окрашиваются не все нервные клетки, а лишь некоторые из них. Прошло больше ста лет с момента изобретения способа окраски по Гольджи. Им пользуется большая армия анатомов, но до сих пор никому не удалось выяснить, почему окрашиваются лишь очень немногие клетки, что делает их восприимчивыми к красителю.

Метод Гольджи оказался очень удачным. Если нервная клетка оказалась восприимчивой к красителю, то окрашивается вся целиком, со всеми мельчайшими отростками, а оставшиеся неокрашенными полупрозрачные клетки не мешают ею любоваться. Правда, не видно, к чему тянутся отростки окрашенной клетки, но, изготовляя сотни препаратов, удалось в конце концов разобраться и в этом.

Хороший световой микроскоп обеспечивает увеличение в тысячу раз. Сегодня кажется, что это совсем немного. Между тем задолго до появления электронных микроскопов анатомы достаточно подробно изучили и описали самые различные типы нервных клеток. Одного они сделать не сумели – выяснить структуру нервных отростков в местах их соединений. Световой микроскоп не позволял увидеть такие подробности и ответить на вопрос, волновавший в ту пору исследователей: самостоятельны ли нервные клетки или нервная система представляет непрерывную сеть, где волокна сливаются друг с другом, являя собой неразрывное целое. Убедиться в том, что каждая нервная клетка – это самостоятельный элемент нервной системы, удалось лишь после создания электронного микроскопа. Он дал возможность увидеть, что в синапсах, местах контакта отростков, между ними всегда остается щель, правда очень узкая, шириной всего в 0,00002 миллиметра. Так что фактически в нервной системе отростки нейронов вплотную не соприкасаются ни с другими отростками, ни с телами нейронов.

Вторым важнейшим изобретением было создание микроэлектрода. Со времен Гальвани стало ясно, что в работе нервной системы электрические реакции играют значительную роль. Их изучение сначала сдерживалось отсутствием приборов, способных зарегистрировать и измерить столь малые электрические импульсы. Как ни странно, вторым прибором после нервно-мышечного препарата лягушки, обеспечившим на первом этапе проведение электрофизиологических исследований, оказалось человеческое ухо. Телефонный аппарат, подсоединенный к нерву, позволял слабые электрические реакции преобразовать в звуковые импульсы, отчетливо слышные человеческим ухом.

Телефон для исследования нервной системы впервые применил профессор Петербургского университета Н.Е. Введенский. Позже был изобретен струнный гальванометр, способный уловить биоэлектрические разряды в нерве или в мозговой ткани и оценить их величину. Первоначально он казался очень перспективным, но не дал возможности узнать о мозге что-нибудь принципиально новое. При существовавших тогда способах отведения от мозга биопотенциалов прибор регистрировал суммарные электрические реакции многих десятков, сотен, а может быть, и тысяч нейронов. Понять, что происходит в мозгу, при таком подходе не легче, чем по уровню шума определить, как организована работа на металлургическом заводе и какую продукцию он выпускает.

Записать электрические реакции одного-единственного нейрона позволило изобретение такого тонкого микроэлектрода, что его оказалось возможным погружать в мозг на любую глубину, не опасаясь существенно повредить мозговую ткань. Процесс изготовления микроэлектрода осложнен тем, что он должен по всей своей длине, за исключением острого кончика, иметь изоляцию, препятствующую проникновению электрических потенциалов всех других нейронов, кроме того, в который он уткнется.

В физиологических лабораториях пользуются двумя типами электродов – металлическими и стеклянными. Металлические изготовляются из упругих металлов – стали, платины, нихрома, вольфрама. Механически заточить кончик у тоненькой проволочки практически не удается. Для этого используют электрохимический метод. Кончик электрода опускают в раствор кислот и пропускают через него постоянный ток. Электрический ток уносит атомы металла, и конец электрода быстро утончается до 1–2 микрон. Можно получить и еще более тонкий кончик, но использовать такой электрод невозможно, так как он становится мягким и при введении в мозг гнется. Остальную часть электрода покрывают лаками и эмалями, что обеспечивает электроизоляцию и придает ему некоторую механическую прочность.

Еще удобнее стеклянные электроды. По существу, это пипетки, заполненные электролитом – раствором солей, хорошо проводящим электричество. Такую пипетку не приходится ничем покрывать – стекло, как известно, не проводит электрический ток. Стеклянные электроды удается получить с удивительно тонким кончиком, вплоть до 0,1–0,2 и даже 0,05 микрона, и при этом они сохраняют известную прочность. Есть у стеклянного электрода еще одно преимущество, которого нет у металлического. С его помощью можно не только отводить электрические потенциалы или раздражать нейрон электрическим током, но и вводить внутрь нервной клетки любые химические вещества.

С некоторым опозданием вслед за анатомами и физиологами в изучение мозга включились биохимики. Наука эта достаточно молода, и прежде чем приступить к изучению мозга, ей необходимо было создать и довести до совершенства сами методы анализа. Биохимия должна была ответить на вопрос, из каких веществ состоят отдельные участки мозгового вещества, из каких молекул построены находящиеся здесь нейроны или даже их отдельные части. Это было совершенно необходимо знать, чтобы понять, как мозг живет и работает. Следовательно, в первую очередь надо было научиться извлекать из мозга нейроны. Задача казалось невероятно сложной, но ученые сумели ее решить. Удалось не только найти способы, позволяющие демонтировать мозг – разбирать его на «кирпичики», но и осуществлять сортировку мозговых обломков.

Демонтаж мозговой ткани производится удивительно просто. Мозг только что убитой крысы помещают в фарфоровую ступку и растирают пестиком до состояния сметанообразной кашицы. Кажется, здесь разрушено все, но… Под микроскопом хорошо видно, что в грязно-серой сметанообразной массе много нервных клеток, правда с оторванными отростками, но без заметного повреждения клеточных тел. Оказывается, нейроны достаточно прочны. Обрываются их отростки, не выдерживают межклеточные связи, а сами нервные клетки не страдают. Даже при такой грубой процедуре большинство из них сохраняется.

Теперь нервные клетки нужно было отделить от глиальных и обрывков волокон. Для этого мозговую кашицу протирают через тончайшие сита, смешивают с какой-нибудь плотной жидкостью вроде глицерина и пробирку помещают в центрифугу. Подбирая соответствующим образом плотность растворителя и скорость вращения, удается добиться, чтобы в осадок выпали тела нервных клеток, почти без примеси других фрагментов мозга, или синапсы, то есть концевые бляшки нервного волокна с кусочком клеточной мембраны, к которой они прикреплены. Интересно, что даже в тщательно разрушенном мозгу не удается найти синаптических бляшек, отделенных от мембраны, к которой им полагается быть прикрепленными. Синапс оказался удивительно прочной структурой, что очень помогло в его изучении. Вырванные из мозга, они еще несколько часов остаются живыми и сохраняют работоспособность.

Мозг только кажется совершенно неприступным. Три далеко не замысловатых изобретения – создание красителя, производство микропипеток, умение тщательно растереть мозг в ступке, а затем отцентрифугировать полученную кашицу – создали условия для бурного развития морфологии, физиологии и биохимии мозга. Правда, этому предшествовало появление микроскопа, точных электроизмерительных приборов, высокоскоростных центрифуг и аппаратуры, позволяющей осуществлять точнейший биохимический анализ. Но все эти приборы, казавшиеся в момент их создания чудом совершенства, предназначались не только для изучения мозга. История трех изобретений показывает, как трудно дается изучение мозга и как новое орудие исследователей помогает добиваться победы, вырывать у мозга его очередные тайны.