Текст книги "Особенный мозг. Загадочные болезни, благодаря которым ученые узнали, как работает наш мозг"

Пенфилд
Открытие гомункулуса

В 1930-е годы в Монреале (Канада) работал один неординарный нейрохирург – Уайлдер Пенфилд[10]10
  Пенфилд, Уайлдер Грейвс (1891–1976) – внес огромный вклад в знания о распределении функций в коре головного мозга.


[Закрыть]. Он не только отличался высочайшим профессионализмом и глубоким гуманизмом, но и был выдающимся исследователем функций мозга: уже при жизни его считали the greatest Canadian alive – самым великим канадцем своего времени. Самое интересное, что он родился не в Канаде, а в США.

Доктор Пенфилд проводил операции на головном мозге по самым разным причинам (как правило, это были серьезные травмы и опухоли мозга), но особенно его интересовала хирургия эпилепсии.

Во многих случаях эпилепсия связана с нарушениями функционирования группы нейронов, которые можно блокировать медикаментозно. Можно, как и при опухолях, попытаться вылечить пациента путем удаления пораженной части мозга. Хирургическое вмешательство – это крайняя мера.

Следует заметить, что участок мозга, запланированный для удаления, у разных пациентов может располагаться практически в любой области мозга. Поэтому врачам приходится проводить огромную работу по определению локализации поражения, чтобы не задеть здоровые участки мозга, ведь это может привести к таким серьезным последствиям, как, например, амнезия или паралич. Для этого доктор Пенфилд использовал новую в то время методику – что-то вроде опроса при открытом черепе!

Научное объяснение

Чтобы понять принцип процедуры, нужно представлять себе, как функционируют нейроны, и что происходит во время приступа эпилепсии. Нейроны – это клетки, которые обмениваются между собой информацией через слабые электрические импульсы. Когда активируется тот или иной участок мозга, находящиеся в нем нейроны начинают свою работу, передавая друг другу сигналы.

В обычных условиях такое взаимовозбуждение нейронов упорядочивается и контролируется, но при эпилепсии нейроны определенной зоны проявляют избыточную активность.

Именно поэтому проявления приступов эпилепсии будут отличаться в зависимости от участка головного мозга, где локализуется этот разряд. Например, если он происходит там, где обрабатываются запахи, у пациента может возникнуть впечатление, что он чувствует какой-то странный запах или у него появляется горький привкус во рту.

Давайте ближе познакомимся с техникой опроса доктора Пенфилда. Сам по себе мозг лишен рецепторов боли, поэтому сразу после удаления волосяного покрова и трепанации черепа можно «слегка потрогать» нейроны – больно не будет. Такая особенность позволяла доктору Пенфилду изучать мозг своих пациентов, когда они были в сознании. В ходе операций он использовал электричество для искусственного возбуждения нейронов, отправляя им небольшие заряды с помощью электродов. Таким образом он мог воспроизводить процессы, происходившие, когда нейроны функционировали самостоятельно, и в то же время спрашивать у пациентов, какие ощущения вызывала такая стимуляция.

В тот день доктор Пенфилд должен был прооперировать госпожу Грин. Когда он вошел в операционный блок в медицинском халате, маске и перчатках, больная лежала на боку на операционном столе. Над ней была установлена тканевая перегородка, что-то вроде шторки, отделяющей лицо от той части головы, на которой врачи собирались проводить операцию.

Доктор Пенфилд сделал укол, чтобы обезболить кожу головы, надрезал ее и снял, как обложку с книги. Затем он распилил череп и обнажил мозг. Доктор Пенфилд последовательно прикладывал электрод вдоль точек на одной линии, идущей приблизительно посередине мозга, – ее называют центральной бороздой[11]11
  Борозда – желобок на поверхности полушария, разделяющий складки коры головного мозга (извилины).


[Закрыть]. Стимулирование одного участка вызывало движение руки, а другого – сжатие кисти.

Все полученные эффекты были тщательно записаны, и на каждом проверенном участке к мозгу были приложены маленькие этикетки. Доктор Пенфилд повторил опыт, помещая электрод и на заднюю борозду.

Доктор Пенфилд осторожно удалил эту часть мозга, стараясь не затронуть участки, которые отвечали за движения и были идентифицированы как здоровые. После этого он вернул на место крышку черепа, снятую в начале операции, и наложил швы на кожу.

Процедуру, которую мы только что описали, доктор Пенфилд выполнил более чем на 150 пациентах! Во время каждой такой операции он фиксировал места, стимуляция которых вызывала то движение руки, то покалывание в пальцах…

Со временем он пришел к выводу, что эти зоны были расположены приблизительно одинаково и имели почти одинаковую форму у всех пациентов.

Самое главное происходило в продольных участках, расположенных по обеим сторонам от вышеупомянутой центральной борозды – линии, пересекающей кору головного мозга от одного уха к другому. Когда доктор Пенфилд стимулировал часть, находящуюся впереди от этой борозды, он вызывал движение, в то время как стимуляция задней части обусловливала у пациента различные ощущения. Но его наблюдения имели еще более продвинутый характер: в частях, которые находились ближе всего к макушке головы, эффект наблюдался в пальцах ног; ниже макушки – в щиколотках… И так далее. В некотором роде, по мере того как он спускался вдоль этих продольных участков коры головного мозга, он словно поднимался по телу: бедро, туловище, плечи, голова.

Структурируя информацию, полученную в результате всех операций, Пенфилд смог составить довольно точную карту этих участков мозга.

Как только таблица была закончена, в глаза бросилась странная закономерность: линия коры головного мозга, связанная с кистями рук, не соответствовала другим линиям! Также заметно более длинными были линии губ и языка.

«А ведь в этом есть смысл, – подумал Пенфилд. – Эти части тела характеризуются особой точностью по отношению как к воспринимаемым тактильным ощущениям, так и к производимым ими движениям. Поэтому логично, что мозг отводит им больше места. Их информация, нуждающаяся в обработке, гораздо сложнее, если сравнивать с коленом или обычной большой берцовой костью!»

Поэтому у него возникла идея схематично изобразить человека в том масштабе, который он наблюдал на уровне строения мозга. Это изображение он назвал гомункулусом. Вот на что мы были бы похожи, если бы размер частей нашего тела соответствовал поверхности коры головного мозга (моторной или сенсорной зоне).

Разработанная доктором Пенфилдом методика хирургических операций, известная сейчас под названием «монреальская процедура», по-прежнему используется во всем мире – она позволила не только вылечить сотни пациентов, но и узнать принципы структурно-функциональной организации участков мозга, участвующих в движении и ощущениях. Что касается гомункулуса, ставшей теперь знаменитой схемы двигательной и сенсорной коры головного мозга, она и сегодня производит сильное впечатление на студентов, изучающих нейронауки!

СЕНСОРНЫЙ ГОМУНКУЛУС

СРАЗУ ЗАМЕТНО МЕСТО, КОТОРОЕ ЗАНИМАЮТ КИСТИ РУК, ГУБЫ И ЯЗЫК, В ТО ВРЕМЯ КАК ТУЛОВИЩЕ И НОГИ ИМЕЮТ ОЧЕНЬ НЕБОЛЬШИЕ РАЗМЕРЫ.

МОТОРНЫЙ ГОМУНКУЛУС

ЭТО СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ИМЕЕТ МНОГО ОБЩЕГО СО СВОИМ СЕНСОРНЫМ АНАЛОГОМ, НО ЕСТЬ И ОТЛИЧИЯ. КИСТИ РУК ЕЩЕ БОЛЕЕ ВНУШИТЕЛЬНЫЕ, А ГЕНИТАЛИИ ПОЧТИ НЕЗАМЕТНЫ.

Тем, кто хочет знать больше

ЭКСПЕРИМЕНТ БЕЗ ТРЕПАНАЦИИ ЧЕРЕПА

Доктор Пенфилд и его сотрудники доказали, что протяженность коры головного мозга (моторная или сенсорная зона), отвечающей за ту или иную часть тела, зависит не от ее размера, а от степени точности чувствительности или движения этой области. Можете проверить эту гипотезу на себе. Понадобятся шпилька для волос (или разогнутая канцелярская скрепка) и друг.

Слегка нажмите кончиками шпильки или скрепки на кожу вашего друга (он не должен смотреть на то, что вы делаете) в одной или двух точках одновременно. Ваш друг должен сказать, сколько точек прикосновения он чувствует, в то время как вы будете варьирировать расстояние между точками. Вы увидите, что, когда оба кончика шпильки окажутся очень близко друг к другу на ноге, у вашего друга возникнет ощущение нажатия только в одной точке, а по отношению к кисти руки он все еще будет чувствовать нажатие в двух точках. Точность восприятия нажатий на кисти рук объясняется большей протяженностью коры головного мозга, отвечающей за эту часть тела, что позволяет проводить более тщательную обработку сенсорной информации.[12]12
  Непереводимая игра слов: trombone имеет два значения: «канцелярская скрепка» и «тромбон» (музыкальный инструмент).


[Закрыть]

АСИММЕТРИЯ ЛЕВОГО И ПРАВОГО

Было замечено, что один человек отличается от другого тем, как пользуется своими конечностями. Так, например, сектор, который приходится на кисть руки, у правшей шире в двигательной зоне левого полушария, чем в аналогичной зоне правого полушария, а у левшей все как раз наоборот. Дело в том, что нервы, контролирующие мускулы тела, пересекаются, и двигательная зона левого полушария контролирует правую часть тела, и наоборот.

ПИАНИСТЫ ИЛИ СКРИПАЧИ?

Отображение тела в сенсорной и двигательной коре не статично. Оно меняется на протяжении жизни в зависимости от привычек и тренировки. Исследования доказали, что именно поэтому секторы кисти руки и пальцев более развиты у музыкантов, чем у тех, кто не играет ни на одном музыкальном инструменте. На самом деле для игры на музыкальном инструменте нужна повышенная ловкость рук. У пианистов двигательная кора имеет бо́льшую площадь, чем у людей, далеких от музыки, и такой феномен будет тем заметнее, чем раньше человек стал заниматься музыкой. Интересно еще и то, что сектор, управляющий кистью правой руки, остается у них более развитым, чем сектор, управляющий кистью левой руки, в то время как у скрипачей картина противоположная. При игре на скрипке кисть левой руки выполняет очень сложные и точные движения – более сложные и точные, чем кисть правой, которая держит смычок. Если возьметесь за обучение игре на пианино, будет достаточно уже нескольких дней, чтобы развить секторы коры головного мозга, связанные с вашими пальцами.

КАК «НАКАЧАТЬ» МОЗГ ОДНИМ УСИЛИЕМ МЫСЛИ

Другой примечательный факт: схожий с физическими занятиями (хоть и менее выраженный) эффект для двигательной активности дает умственная тренировка. Эта особенность хорошо известна музыкантам и спортсменам: если просто представить, что вы совершаете последовательную серию движений (например, играете музыкальный отрывок или спускаетесь на лыжах), одного этого будет достаточно для поддержания себя в форме. Поэтому играть на музыкальном инструменте или заниматься любимым видом спорта вполне возможно, сидя в автобусе или не вставая с дивана!

А ЕСЛИ МОЗГ НЕ УСПЕВАЕТ ЗА ТЕЛОМ?

Обучение и тренировка представляют собой размеренные и последовательные процессы, в ходе которых совместно эволюционируют кора головного мозга и физические способности. Но что происходит, когда тело испытывает резкие изменения?

На протяжении многих веков наблюдалось, что люди с ампутированными конечностями могли продолжать их чувствовать – этот феномен известен как «фантомная конечность». Недавние исследования доказали, что, когда таких людей просили «пошевелить» ампутированной частью тела, сенсомоторная кора их головного мозга возбуждалась так, как если бы ампутированная конечность все еще существовала в действительности. Похоже, мозг хранит неизгладимое воспоминание об ампутированной конечности. Сенсомоторная кора словно отказывается признавать факт ампутации. Фантомная конечность часто служит источником неприятных ощущений.

Но есть и другой пример быстрой перемены телесной схемы, не имеющей ничего общего с патологией, – подростковый период! Возможно, несколько неуклюжий вид некоторых подростков объясняется тем, что их мозгу нужно время для адаптации к изменениям тела. Именно на этом и строятся отдельные современные научные гипотезы. Как бы то ни было, подросткам и их родителям можно не волноваться: настройка телесной схемы происходит на протяжении всего периода роста вплоть до взрослого возраста. Это всего лишь вопрос времени!

Давид
Третий мозговой глаз

Давид с юных лет страдал от мешавшей ему жить головной боли, имевшей особый характер и известной в медицине как «мерцательная скотома» или «глазная мигрень». Приступы начинались с появления в поле зрения ослепительно яркого света, который быстро сменялся разноцветными дугами. Все это напоминало цветомузыку в ночном клубе, но при таких неконтролируемых вспышках мигрени, сопровождавшихся ужасной головной болью, было явно не до веселья.

Переносить эти приступы было очень трудно, и жизнь Давида превратилась в сплошное мучение: они повторялись очень часто и прекращались, только когда он засыпал. Поскольку лекарства от боли не избавляли, врачам не оставалось ничего другого, как прибегнуть к крайней мере – операции на мозге.

После ряда обследований им удалось обнаружить небольшой дефект сосуда, расположенного в задней части головы Давида – в затылочной коре. Он мог быть причиной сильной головной боли, поэтому врачи решили удалить его.

И они были правы: после операции мигрень полностью исчезла. Но, к сожалению, вместе с мигренью у Давида исчезло и восприятие левой половины поля зрения…

Научное объяснение

Обычно считается, что у слепых проблема с глазами. Но это не всегда так: некоторые люди потеряли зрение, сохранив глазные яблоки в идеальном состоянии!

Дело в том, что в действительности зрение задействует три элемента: два глаза и мозг. Точнее говоря, обработкой визуальной информации, поступающей от глаз и проходящей через зрительные нервы, занимается находящаяся в задней части мозга затылочная кора. Если зрительная кора становится жертвой поражения, возможно наступление слепоты. Хотя… Эксперименты, описывающие эту историю, свидетельствуют, что не все так просто.

Наблюдая за другими пациентами, у которых была та же проблема, что и у Давида, врачи и ученые замечали, что некоторые из них, судя по всему, ослепли не полностью: они могли видеть, например, что в комнате включали или выключали свет.

Чтобы лучше понять этот феномен, они предложили Давиду поучаствовать в экспериментах.

Они усадили его напротив экрана.

– Держите голову прямо и не двигайте глазами. С левой стороны незаметно и каждый раз в разных местах будет появляться точка. Мы попросим вас показать пальцем место ее появления.

Давид согласился. Для нескольких десятков проецируемых на экране точек он указывал место, в котором предполагал их появление. И, превосходя ожидания ученых, каждый раз показывал правильное положение, утверждая, что ничего не видит.

– Отлично, теперь перейдем к следующему эксперименту. Мы покажем точки двух разных цветов, а вы скажете, красного или зеленого цвета будет появившаяся точка.

– Все с той же стороны, с которой не вижу? Я по-прежнему должен угадывать?

– Вот именно – следуйте своей интуиции!

Давид был озадачен, но тем не менее продолжил участие в эксперименте. И снова почти ни разу не ошибся – создавалось впечатление, что у него не было никаких проблем со зрением.

За этим экспериментом последовали другие, почти такие же, и каждый раз Давиду удавалось безошибочно сказать, образовывали ли точки на экране горизонтальные или вертикальные линии, крестики или кружочки, хоть он их и не видел. Когда тесты были завершены и ученые сообщили Давиду результаты, показывающие, что практически всегда он давал правильные ответы, тот пришел в изумление:

– Но ведь я ничего не различал! Я лишь пытался угадывать! – воскликнул он.

И был абсолютно искренен в своих словах.

К сожалению, утраченное в ходе операции зрение с левой стороны так и не вернулось к Давиду, но он продолжал участвовать в научных исследованиях. Через 35 лет после операции ученые снова провели с ним очередной эксперимент, включающий восприятие элементов, более сложных по сравнению с точками и линиями, – это были лица с различными эмоциями. Они выражали страх или радость, и Давиду каждый раз нужно было говорить, о каком из выражений шла речь.

В очередной раз Давид отвечал совершенно правильно, когда изображения появлялись как с правой, так и с левой стороны его зрительного поля, с которой он не видел. И везение здесь было совершенно ни при чем! Он демонстрировал те же физические характеристики, что и любой обычный человек, которому показывают испуганное или счастливое лицо: в первом случае его зрачок расширялся, а брови незаметно хмурились, словно в ответ на угрозу, в то время как во втором слегка сжимались скуловые мышцы, готовясь к улыбке.

Итак, все исследования с участием Давида и других пациентов, пораженных, как и он, кортикальной слепотой, доказали, что окружающий мир может восприниматься по-прежнему, хоть и бессознательно, даже после кортикального нарушения зрения, когда пациент полностью или частично становится слепым. Этот феномен по-английски называется blindsight – псевдослепота или зрячая слепота – и убеждает нас в том, что глаза видят многое даже тогда, когда мы этого не знаем!

Тем, кто хочет знать больше

ПУТЬ ЗРЕНИЯ

Казалось бы, что может быть естественнее, чем открыть глаза и увидеть? Этот когнитивный процесс не требует никакого усилия, но в то же время имеет сложную структуру. Как раз в этот момент вы держите в руках книгу и читаете ее. Если говорить подробнее, свет, отражаемый страницами книги, попадает в оба ваших глаза и проецируется на сетчатке, которая трансформирует сигнал в нервный импульс. Этот импульс перемещается вдоль зрительного нерва и, немного задержавшись в области таламуса, доходит до задней части мозга, до затылочной доли, где находится зрительная кора.

ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ

Читая эти строчки, вы прежде всего воспринимаете в общих чертах черный и бежевый цвета, передающие некоторые неподвижные формы. Затем в комбинации округлых и прямоугольных черточек вы узнаете буквы и уже можете прочитать их. Обработка всей этой информации происходит упорядоченно: сначала через зрительную кору, которая состоит из нескольких подструктур – каждая из них восприимчива к той или иной характеристике объекта (форма, цвет, движение). Потом области височных и теменных долей, расположенные в непосредственной близости, позволяют распознать этот объект (установить, идет ли речь о слове, стуле или лице) и определить его место в пространстве.

МНОЖЕСТВО ТИПОВ НАРУШЕНИЯ ЗРЕНИЯ

Такая организация, в соответствии с которой различные характеристики видимого предмета обрабатываются разными отделами коры головного мозга, обусловливает крайнее многообразие нарушений зрения для каждого такого отдела, поскольку то или иное поражение влечет определенные последствия. В случае кортикальной слепоты, как у Давида, поражается первый сектор зоны мозга, который называют первичной зрительной корой, поэтому больной ничего не видит. Если поражается другой сектор, человек перестает различать цвета (речь идет об ахроматопсии) и видит все в черно-белой гамме. Другой феномен – очень редкий – заключается в том, что движение больше не воспринимается, и человек живет словно в фильме с эффектом внезапного стоп-кадра: он только что видел неподвижную машину вдали, и вдруг, спустя какое-то мгновение, она оказывается рядом с ним, но он не мог видеть ее приближение.

АГНОЗИЯ: ВИДЕТЬ И НЕ УЗНАВАТЬ

Когда речь идет о поражениях секторов структуры визуальной обработки, расположенных еще глубже, люди видят мир так же идеально, как мы с вами, но неспособны различить некоторые составляющие его элементы, – в таком случае речь идет о зрительной агнозии. Например, описывая стол, они говорят о «плоской поверхности с четырьмя ногами». Или другой, еще более специфический пример: страдающие алексией не смогут прочитать эти строчки, потому что не узнают слова, хоть и различают их. Другие люди не узнают лица (это прозопагнозия, или лицевая агнозия) и идентифицируют своего собеседника по звуку голоса, его движениям или по какой-то характерной черте вроде усов или очков с толстыми стеклами. Один из таких пациентов рассказал следующую историю: «Однажды вечером в клубе я увидел какого-то странного человека, который пристально смотрел на меня, и я спросил у хозяина заведения, кто это такой. Вы будете смеяться, но это был я – просто смотрел на свое отражение в зеркале…»

ТАИНСТВЕННЫЙ ФЕНОМЕН BLINDSIGHT

Вернемся к пациентам, пораженным корковой слепотой, как Давид. Чем можно объяснить их эффективность в задачах, требующих зрения? Описанная ранее последовательность обработки изображения на самом деле характерна для сознательного визуального восприятия. Примечательно, что приблизительно 25 % нервных волокон не доходят от сетчатки наших глаз до зрительной коры, но формируют пути, связанные с другими структурами. Поэтому при повреждении первичной зрительной коры информация, предназначавшаяся для нее, не утрачивается полностью, а воспринимается подсознательно. Этот феномен blindsight («зрячая слепота») приносит большую клиническую пользу, поскольку с помощью определенных методов реабилитации удается восстановить зрение у некоторых пациентов. Еще одно поразительное доказательство нейропластичности!