Текст книги "Тайны головного мозга. Вся правда о самом медийном органе"

ВОПРОС:

Как соединяются друг с другом две половины мозга?

ОТВЕТ:

Мозолистое тело – это мощный пучок, состоящий приблизительно из 200 миллионов нервных волокон (аксонов), связывающих правое и левое полушария головного мозга. Эта связь позволяет правой и левой половинам головного мозга обмениваться информацией и согласовывать их совместную деятельность.

У подавляющего большинства людей мозолистое тело есть, но в очень редких случаях люди рождаются с частичным или полным его отсутствием. Эта патология называется врожденной агенезией мозолистого тела. Симптомы этого заболевания могут быть выражены в разной степени в зависимости от других нарушений, которые могут сопутствовать агенезии мозолистого тела. У некоторых людей, родившихся без этой структуры, сохраняется нормальный интеллект, но у других наблюдаются тяжелые когнитивные нарушения, судорожные припадки и двигательные расстройства.

Некоторым больным, страдающим частыми эпилептическими припадками, не поддающимися медикаментозному лечению, выполняют операцию рассечения мозолистого тела. По не вполне понятным причинам после операции припадки становятся реже или протекают легче. Больные, перенесшие операцию такого «разделения» мозга, теряют способность передавать информацию из одного полушария мозга в другое, потому что лишаются главного пути такой передачи. Интеллект после операции обычно сохраняется, и выявить возникшие после операции особенности можно только с помощью специальных тестов, в ходе которых воспринимаемая информация попадает только в какое-то одно из полушарий. Например, если зрительная информация попадает только в правую половину мозга, то большинство больных, перенесших операцию, оказываются не в состоянии назвать предъявленные им предметы, и, мало того, они даже не смогут сказать, что вообще что-то видели, потому что центры речи находятся у большинства людей в левом полушарии. Однако если попросить такого больного нарисовать только что увиденный предмет, то больной сделает это без малейшего труда. Глядя на эти эксперименты, испытываешь странное чувство, тем более, видимо, странно себя чувствуют и такие больные. Эти опыты показывают, что хотя осознанные восприятия кажутся нам целостными, они, на самом деле, работают по принципу соединения отдельных модулей. Роджер Сперри (1913–1994), изучавший восприятие больных, перенесших операцию рассечения мозолистого тела, в 1981 году получил за свои исследования Нобелевскую премию.

Библиография

Paul, L.K., Brown, W.C., Adolphs, R., Tyszka, J.M., Richards, L.J., Mukherjee, P., and Sherr, E.H., Agenesis of the corpus callosum: genetic, developmental and functional aspects of connectivity. Nature Reviews Neuroscience, 8:287-99 (2007).

ВОПРОС:

Как велика нервная клетка?

ОТВЕТ:

Нервные клетки (нейроны) могут иметь разнообразные размеры и формы. Типичный нейрон состоит из четырех частей: дендритов, тела клетки, аксона и аксонной терминали. Дендриты – это выросты нервной клетки, которые обеспечивают большинство связей (синапсов) с другими нейронами, хотя связи могут осуществляться и за счет других частей нейрона. Специальные рецепторы в дендритах связывают химические мессенджеры (нейромедиаторы, нейротрансмиттеры) и преобразуют эту связь в электрический сигнал, который направляется к телу клетки.

В теле нейрона содержатся такие органеллы, как ядро, рибосомы и митохондрии, которые обеспечивают нейрон генетическим материалом, синтезируют белки и производят необходимую для жизнедеятельности клетки энергию. Диаметр тела нейрона может колебаться от 10 микрон (мелкие зернистые нейроны коры) до 100 микрон (двигательные нейроны спинного мозга, управляющие сокращением мышц). Для наглядности можно сказать, что 100 микрон – это 0,1 мм, то есть лишь немного меньше точки в конце этого предложения.

Нейрон снабжен единственным аксоном, выростом тела клетки, который проводит электрические сигналы от него по направлению к терминали аксона. Диаметр аксона может колебаться от 0,2 до 20 микрон. Аксоны клеток, находящихся в головном мозге, могут быть очень короткими, менее 1 мм. Напротив, аксоны расположенных в спинном мозге двигательных нейронов, направляющиеся к мышцам стопы, могут иметь длину до 1 метра и более.

ВОПРОС:

Верно ли, что синапсов в головном мозге больше, чем звезд во вселенной?

ОТВЕТ:

В человеческом мозге насчитывается 86-100 миллиардов нейронов. Каждый нейрон может образовывать сотни и тысячи связей (синапсов) с другими нейронами. В мозге содержится от 100 до 1000 триллионов синапсов (только в одной коре их около 60 триллионов).

Но даже такое количество синапсов меркнет в сравнении с числом звезд во вселенной. В нашем довольно скромном Млечном Пути, то есть в одной нашей галактике, присутствуют 100 миллиардов (10¹¹) звезд. Если умножить 10¹¹ на 10¹² (число обнаруженных галактик), то мы получим полное число звезд во вселенной, которое приблизительно равно 10²²-10²⁴. Конечно, число синапсов в мозге велико, но число звезд неизмеримо больше.

Библиография

Daniels, P., Restak, R., Gura, T., and Stein, L., Body: The Complete Human: How It Grows, How It Works, and How To Keep It Healthy and Strong (Washington, DC: National Geographic Press, 2007).

European Space Agency, How many stars are there in the universe, http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/How_many_stars_are_there_in_the_Universe, accessed December 15, 2015.

ВОПРОС:

Увеличивается ли число нейронов после рождения?

ОТВЕТ:

Организм человека отличается поразительной способностью к регенерации. При порезе в коже образуются новые клетки, которые замещают дефект. При переломе кости образуются новые костные клетки, которые помогают восстановить целостность кости. К сожалению, после повреждений мозга новые нейроны, скорее всего, не образуются. Отсюда вытекает необходимость бережно относиться к нейронам, которые у нас есть. Мозг может модифицировать нейронные сети, так сказать, перепрограммировать их в случаях повреждений, но все же лучшая стратегия – это не допускать повреждений и гибели нервных клеток.

Нервные клетки действительно не образуются для устранения повреждений нервной ткани, но в мозге есть отделы, где нервные клетки размножаются и образуются даже у взрослых. Одной из таких областей является гиппокамп, который важен для обучения и памяти. Нейрогенез (создание новых нервных клеток), вероятно, облегчает обучение и улучшает память, правда, пока непонятно, каким образом. Некоторые данные указывают на то, что физическая тренировка ускоряет нейрогенез в гиппокампе и, тем самым, способствует обучению. Таким образом, если хотите иметь больше нервных клеток, то активнее двигайтесь.

ВОПРОС:

Действительно ли у динозавров было два мозга?

ОТВЕТ:

Во многих старых книгах было написано, что одному из динозавров – стегозавру – был нужен второй мозг в позвоночнике для того, чтобы лучше управлять движениями массивных задних конечностей и хвоста. Действительно, у стегозавра было утолщение спинного мозга в области задних конечностей, но это был отнюдь не второй головной мозг.

У большинства животных, имеющих конечности, есть утолщения спинного мозга, где находятся нейроны, управляющие движениями передних и задних конечностей (у человека – рук и ног). В этих утолщениях находятся также чувствительные нейроны, получающие информацию о состоянии мышц и положении суставов конечностей. Отчасти, система управления движениями конечностей располагается в спинном мозге и не нуждается во вмешательстве головного мозга. Поблизости от утолщения спинного мозга стегозавра находилось еще одно образование – гликогеновое тело (где, как следует из названия, хранились запасы гликогена). Функция этого тела неясна, но, определенно, оно не было вторым головным мозгом.

ВОПРОС:

Можно ли передвигать предметы «силой» мозга?

ОТВЕТ:

Несомненно! Электрические сигналы, порожденные в головном мозге, могут передаваться в спинной мозг, а оттуда по двигательным нейронам к мышцам направится приказ выполнить то или иное движение. Электрические сигналы головного мозга можно зарегистрировать с помощью электродов, помещенных на кожу головы или введенных в ткань головного мозга. Эти сигналы можно использовать для управления движениями механических конечностей, для контроля работы двигателей или компьютеров (см. обсуждение вопроса о «мозго-компьютерном интерфейсе»).

Вероятно, это не та сила, которая подразумевалась в заданном вопросе. Видимо, имелось в виду следующее: может ли сила мысли каким-либо образом преодолеть воздушное пространство и совершить какое-то механическое действие? Другими словами, возможен ли телекинез? Мы вынуждены вас разочаровать. Слабые электрические сигналы, генерируемые головным мозгом, распространяется очень недалеко от своих источников. Насколько мы знаем, до сих пор не получено убедительных доказательств существования телекинетических способностей.

До 2015 года у любого, кто смог бы продемонстрировать способность «перемещать предметы силой мысли», был шанс получить миллион долларов. Для того чтобы предъявить права на эти деньги, людям надо было обратиться к Джеймсу Ранди, в его лабораторию в Сан-Франциско, и продемонстрировать свои способности. Ранди, вышедший на пенсию в 2015 году, предлагал миллион долларов в течение девятнадцати лет. Деньги эти так и остались на его банковском счете.

Библиография

James Randi Educational Foundation, http://web.randi.org/about-james-randi.html, accessed January 14, 2016.

ВОПРОС:

Действительно ли головной мозг использует электричество для передачи своих сигналов?

ОТВЕТ:

Да, для передачи сигналов мозг использует электричество, но производится это электричество совсем не так, как электрический ток, поступающий из настенных розеток (не говоря уже о том, что напряжение мозгового электричества гораздо ниже). Нейроны передают друг другу сигналы электрохимическим способом, и эти сигналы называются потенциалами действия. Электрический ток, которым мы пользуемся в быту, переносят электроны; в головном мозге и вообще в нервной системе ток переносится ионами.

Ионы – это электрически заряженные частицы, и организм использует для генерации тока ионы нескольких типов. За передачу сигналов в нервной системе отвечают ионы натрия, калия, кальция и хлора. Так как мембраны, окружающие нейроны, являются полупроницаемыми, некоторые ионы могут свободно проходить через них, а некоторые – нет. Неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны (внутри и снаружи нейрона) создает электрическую разность потенциалов (электрическое напряжение).

Когда нейрон неактивен, заряд внутри него отрицателен по отношению к заряду вне нейрона, и разность потенциалов составляет приблизительно -70 милливольт. Помимо этой разности электрических потенциалов, существует также разность концентраций определенных ионов внутри и вне нейрона; снаружи выше концентрация ионов натрия, а внутри выше концентрация ионов калия. Из школьного курса физики мы помним, что противоположные заряды притягиваются. Положительно заряженные ионы стремятся выйти в более отрицательно заряженную среду, а частицы всегда стремятся попасть из среды, где их концентрация высока, в среду, где их концентрация ниже.

Потенциал действия, который еще называют спайком или импульсом, вызывается быстрым открытием закрытых до этого различных ионных каналов. Для возбуждения потенциала действия поступающий к нейрону сигнал открывает ионные каналы, что приводит к массивному поступлению ионов натрия внутрь нервной клетки. Заряд внутренней среды становится положительным (клетка деполяризуется). Когда заряд внутри клетки уменьшается по абсолютной величине на 55 милливольт, нейрон генерирует потенциал действия. Если же заряд не достигает этого порогового значения, то потенциал действия не возбуждается.

В норме первым этапом генерации потенциала действия является открытие натриевых каналов в аксонном бугорке (области нейрона, прилегающей к аксону). Как только это происходит, ионы натрия устремляются внутрь нервной клетки, потому что ионов натрия гораздо больше снаружи, чем внутри. Увеличение концентрации положительно заряженных ионов натрия внутри клетки приводит к деполяризации – на пике потенциала действия потенциал на внутренней стороне мембраны достигает +30 милливольт. В это же время начинают открываться калиевые каналы. Они открываются с небольшой задержкой, но когда это происходит, ионы калия начинают выходить из клетки, потому что концентрация калия внутри клетки больше, чем вне ее. Этот выход ионов калия поляризует нейрон (то есть делает внутреннюю среду клетки отрицательно заряженной). На фоне открытия калиевых каналов начинают закрываться натриевые каналы. Внутренняя среда нейрона снова приобретает заряд -70 милливольт. Однако в силу того, что калиевые каналы пока остаются открытыми, клетка продолжает заряжаться отрицательно, и в какой-то момент потенциал внутри клетки становится ниже потенциала покоя. После закрытия калиевых каналов концентрации ионов возвращаются к исходному уровню, и потенциал снова становится равным -70 милливольт.

Объяснение заняло довольно много времени, и вам может показаться, что процесс деполяризации и реполяризации – достаточно длительный, но, на самом деле, все это происходит в течение нескольких миллисекунд. Тем не менее, этот процесс действительно является достаточно медленным в сравнении со стремительным перемещением электронов в домашних электрических сетях.

ВОПРОС:

Как быстро передаются импульсы по нервам?

ОТВЕТ:

Нервные волокна состоят из множества аксонов различных нейронов. Некоторые аксоны очень тонки (меньше 1 микрона в диаметре), а некоторые толще (до 20 микрон в диаметре). Эти толстые аксоны упакованы в изолирующие футляры, называемые миелиновыми оболочками. Толщина нервного волокна и наличие миелиновой оболочки определяют скорость проведения электрических импульсов по аксону. Толстые аксоны проводят сигналы быстрее, чем аксоны тонкие, а аксоны, одетые миелином, проводят сигналы быстрее, чем аксоны, лишенные такой оболочки.

Сигналы по немиелинизированным, тонким аксонам проводятся со скоростью 0,5–2,0 м/с (1,8–7,2 км/час). Такие тонкие аксоны передают в организме сигналы о боли, зуде и температуре. В толстых, покрытых миелиновой оболочкой аксонах, сигналы передаются со скоростью до 120 м/с (431,9 км/час). Аксоны такого рода передают сенсорную (чувствительную) информацию и информацию о состоянии мышц (мышечное чувство).

Вы можете на собственном опыте убедиться в том, что разные сенсорные сигналы распространяются по нервам с разной скоростью. Например, если вы ушибли палец или колено, то сначала возникает ощущение прикосновения или давления. Эти ощущения проводятся по толстым миелинизированным волокнам с большой скоростью. Через несколько мгновений начинает ощущаться боль. Это означает, что импульсы, сигнализирующие о боли и переданные по тонким, немиелинизированным волокнам, тоже, наконец, добрались до головного мозга.

Глава 3
Люди

ВОПРОС:

В чем разница между нейробиологом и неврологом?

ОТВЕТ:

Нейробиология и неврология – великолепные профессии, но специалисты в этих областях получают разное образование и разную подготовку. Нейробиолог – это человек, изучающий нервную систему, и обычно этим словом обозначают ученых, занимающихся такими исследованиями. Нейробиолог может изучать строение, функции, развитие или биохимию нервной системы, а также исследует результаты заболеваний и поражений нервной системы. В противоположность нейробиологу, невролог – это врач, который диагностирует и лечит расстройства нервной системы у человека. Невролог должен разбираться в причинах нервных болезней, но в его обязанность не входит производить опыты, собирать данные или публиковать результаты исследований (хотя некоторые неврологи делают это).

Большинство нейробиологов учатся в аспирантуре или докторантуре, чтобы защитить диссертацию на соискание ученой степени доктора философии в таких отраслях, как нейробиология, психология, фармакология, биологическая инженерия, информационные технологии или биология. Ученая степень в одной из этих специальностей не дает права вести больных с неврологическими расстройствами и назначать им лечение. Напротив, врачи, окончившие медицинские учебные заведения и прошедшие специализацию по неврологии, имеют право обследовать больных, выполнять диагностические тесты и рекомендовать лечение, но если они при этом не занимаются научными исследованиями, то их нельзя считать нейробиологами.

ВОПРОС:

Кто такой Финеас Гейдж?

ОТВЕТ:

Финеаса Гейджа (1823–1860) можно, в зависимости от точки зрения, считать либо очень счастливым, либо очень несчастным человеком. В судьбоносный для него день, 13 сентября 1848 года, в Кавендише, штат Вермонт, Гейдж работал на строительстве железной дороги взрывником. Заложив пороховой заряд в шурф, он принялся трамбовать его металлическим стержнем. Произошел взрыв, с силой вытолкнувший стержень из шурфа, как снаряд из пушки. Стержень длиной около полутора метров и весом почти восемь килограммов проткнул Гейджу щеку, пролетел сквозь мозг и, пробив крышку черепа, пролетел еще около 25 метров. Несмотря на то, что стержень практически уничтожил левую лобную долю мозга, Гейдж сначала даже не потерял сознание. Память о Гейдже сохранилась в анналах неврологии и нейробиологии не только потому, что он выжил после этого несчастного случая, но и потому, что после травмы его поведение разительно переменилось.

До происшествия Гейдж, по отзывам знавших его людей, был уравновешенным, трудолюбивым бригадиром. Доктор Джон Харлоу, врач, лечивший Гейджа, писал об изменениях в поведении и личности своего больного. Гейдж стал агрессивным и импульсивным. Друзья даже говорили, что он перестал быть самим собой. В результате после выздоровления его не взяли на прежнюю работу, и Гейдж стал извозчиком – сначала в Новой Англии, а потом в Чили.

Нейробиолог и историк науки Малкольм Макмиллан считает, что эти изменения личности были временными и преходящими, и что со временем Гейдж смог почти полностью оправиться от тяжелейшей травмы. Мозг мог компенсировать обусловленные повреждением потери.

Несмотря на то, что природа повреждений мозга Гейджа и течение выздоровления известны нам не полностью, этот случай впервые дал ученым материал о функциях, локализованных в лобных долях головного мозга.

Библиография

Macmillan, M., Phineas Gage Information Page, November 2, 2012, accessed January 17, 2016, http://www.uakron.edu/gage/.

ВОПРОС:

Кто такой Г.М.?

ОТВЕТ:

Это был человек, застрявший в прошлом и настоящем – он был неспособен запомнить ничего нового, и время для него словно остановилось. Такова была жизнь Генри Густава Молейсона (известного больше по инициалам Г.М.), начавшаяся после того, как он в 1953 году перенес операцию на головном мозге в возрасте 27 лет.

В 1935 году Молейсон по дороге в школу был сбит велосипедистом. Мальчик ударился головой об асфальт и потерял сознание на пять минут. В возрасте десяти лет у Генри случился первый припадок, причиной которого, скорее всего, была перенесенная травма. С возрастом припадки становились все чаще и тяжелее, и, в конце концов, лекарства перестали помогать. Припадки превращали Молейсона в никуда не годного инвалида, и поэтому он решился на нейрохирургическую операцию.

В ходе операции доктор Вильям Бичер Сковилл удалил с обеих сторон мозга Генри несколько структур, включая гиппокамп, миндалину и часть височной доли. После операции припадки практически прекратились, но у Молейсона возникли тяжелые расстройства памяти. Несмотря на то, что он сохранил разум и мог адекватно поддерживать беседу, он немедленно забывал предмет разговора, как только разговор переключался на другую тему. У Молейсона появилась амнезия на только что произошедшие события. Он мог ненадолго запомнить какой-то факт, если много раз повторял его себе, но стоило ему отвлечься, как он тотчас намертво забывал новые сведения и свои недавние мысли. Молейсон помнил события, происходившие с ним до операции, но новые воспоминания он формировать не мог. Интересно, что он мог усваивать новые двигательные навыки, но при этом не помнил, как он им научился, где и от кого.

Молейсон умер 2 декабря 2008 года. После смерти его головной мозг был рассечен на 2401 срез для того, чтобы создать трехмерную карту. Исследование подтвердило, что именно объем операции, выполненной в 1953 году, стал причиной нарушения памяти.

Молейсона иногда называют самым знаменитым объектом неврологических исследований, потому что изучение особенностей его памяти и тщательное картирование функций его мозга произвели переворот в понимании механизмов памяти. Во-первых, стало понятно, что существует, по меньшей мере, два типа памяти: одна, направленная на запоминание фактов, имен и дат; другая, направленная на запоминание подсознательных действий – таких, как езда на велосипеде или рисование картин. Во-вторых, до этих исследований в науке господствовало представление о том, что все отделы коры вносят одинаковый вклад в формирование памяти. Поведенческие и гистологические данные, полученные в результате исследования поведения и мозга Молейсона, показали, что в формировании новых воспоминаний решающую роль играют гиппокамп и миндалина, а запоминание навыков и фактов локализовано в других отделах головного мозга.

Нейрохирурги тоже извлекли полезный урок: при необходимости удалить гиппокамп, миндалину и вершину височной доли, это делают только на одной стороне. Жаль только, что все эти знания очень дорого обошлись Генри Молейсону.

Библиография

Corkin, S., Lasting consequences of bilateral medial temporal lobectomy: clinical course and experimental findings in H.M., Seminars in Neurology, 4:249-59, 1984.

Corkin, S., Permanent Present Tense the Unforgettable Life of the Amnestic Patient, H.M. (New York: Basic Books, 2013).

Corkin, S., Amaral, D.G., Gonzáles, R.G., Johnson, K.A., and Hyman, B.T., H.M.’s medial temporal lobe lesion: findings from magnetic resonance imaging. Journal of Neuroscience, 17:3964-79, 1997.

ВОПРОС:

Кто такой Тан?

ОТВЕТ:

В 1861 году французский невролог Поль Брока (1824–1889) обследовал 51-летнего больного по имени Луи-Виктор Леборнь. Леборнь страдал эпилепсией, частичным правосторонним параличом и не мог говорить. Леборня называют «Тан», потому что это был единственный звук, который он был в состоянии произнести. Леборнь понимал обращенную к нему речь, но утратил способность сам ее производить.

Вскоре после осмотра Леборнь умер. Когда Брока производил патологоанатомическое исследование его мозга, он нашел поражение, локализованное в левой лобной доле. Эту область с тех пор называют «зоной Брока». В 1874 году немецкий врач Карл Вернике (1848–1905) описал нескольких больных с поражением в левом полушарии, локализованном в другой области, нежели зона Брока. Больные Вернике страдали другим речевым расстройством: они могли говорить, но их речь была лишена смысла. Поражения мозга, приводящие к речевым расстройствам, убедили научное сообщество в том, что левое полушарие играет ключевую роль во владении языком и речью у подавляющего большинства людей.

Важность левого полушария для владения языком была подтверждена в ходе теста, названного пробой Вада, когда раствор барбитуратов (например, амитал натрия) вводят в правую или левую сонную артерию. Лекарство проникает в мозг на стороне инъекции. Таким образом, можно по выбору отключать либо правое, либо левое полушарие.

Когда отключена левая сторона мозга, наступает правосторонний паралич. Люди, кроме того, теряют чувствительность на правой стороне тела. Противоположный эффект наблюдают при выключении правого полушария – оказывается парализованной и бесчувственной левая сторона. В полном соответствии с тем, что Брока наблюдал у Тана, подавляющее большинство испытуемых (96 процентов правшей и 70 процентов левшей) при выключении левого полушария теряли способность к членораздельной речи.

Наблюдение, согласно которому какая-то одна сторона мозга является более важной для осуществления определенных функций, привело к концепции о доминировании полушарий мозга в отношении определенных функций. Тем не менее, несмотря на такое доминирование, обе части мозга связаны между собой, и для поддержания нормального сложного, эффективного когнитивного поведения необходимы оба полушария.