Текст книги "Мозг. Инструкция пользователя"

3. Топография

Примерно 525 миллионов лет тому назад на нашей планете появились первые позвоночные животные. Это были существа, вдоль всей спины которых протягивалась специальная структура – позвоночник. Именно с них начался процесс так называемой энцефализации, отделения мозга, который после многих миллионов лет развития привел к образованию особой части тела – головы.

На протяжении долгих лет доисторического развития мозг становился постепенно все больше и больше, все сложнее и эффективнее и в конце концов разделился на два практически симметричных полушария. В центре полушария соединены мозолистым телом, пучком нервных волокон. Но функционируют они на самом деле в асимметричном режиме: участок мозга, отвечающий за речевые способности, находится почти всегда в левом полушарии у правшей (95 %) и чуть реже (70 %) у левшей. Топография мозга воспроизводит во многих своих чертах ход эволюции: человеческий мозг унаследовал в ходе длинной и удивительной истории развития структуру предшественников.

Американский невролог Пол Маклин в 60-х годах прошлого столетия разработал теорию, получившую название triune brain («триединый мозг»). Согласно его выводам, в мозге сохранились архаичные участки, принадлежавшие когда-то предшественникам человека, и эти участки помогают понять историю возникновения и развития самой сложной машины на Земле. По мнению ученого, эволюция сочла более рациональным и удобным добавлять улучшения и дополнительные устройства в уже существовавшие модели мозга, чем для каждого существа переписывать программу заново. Конечно, и на это потребовались миллионы лет.

Итак, в самой глубине мозга спрятана самая его древняя и маленькая часть – рептильный мозг. Этот мозг контролирует самые примитивные жизненные функции, от дыхания до сердцебиения, от температуры тела до тех действий, которые называются инстинктивными, в том числе древний инстинкт защиты территории. Эти задачи выполняются без всякого вмешательства мысли или воли.

На следующем уровне расположен отдел, связанный прежде всего с появлением млекопитающих, – лимбическая система. В нем запрятан ключ к эмоциям, побуждениям, поведенческой мотивации и долгосрочной памяти, к бессознательному. Этот отдел мозга необходим для социального поведения млекопитающих, он отвечает за привязанность и способность ее выразить.

И на высшем уровне расположена кора мозга, укутывающая мозг серым веществом: она появилась у приматов, развилась у гоминидов и приобрела важнейшее значение у человека. В коре формируются сознание, мышление, находится центр речи и все иные способности, отличающие человека, такие, например, как способность прогнозировать последствия поступков и будущие события [см. стр. 79].

Разумеется, все три отдела мозга эволюционировали в течение многих миллионов лет, в течение всей истории животного мира. Части мозга неотделимы друг от друга, это не разборная матрешка, наоборот, они плотно соединены запутанной сетью нейронов. И нельзя сказать, что в голове у человека мозг рептилии, – нет, это некие структуры, унаследованные от наших общих с рептилиями предков. Разделить мозг на части невозможно – в конечном итоге он един.

3.1. «Рептильный мозг»

Предок, первый обладатель «рептильного мозга», бороздил воды океана около 500 миллионов лет назад. Его примитивный мозг состоял всего из нескольких сотен нейронов. Но прошли миллионы лет, и мозг усложнился, вместе со своими носителями – морскими животными. Когда некоторые виды вышли на сушу, чтобы колонизировать новую среду обитания, им пришлось научиться выживать в совершенно иных условиях и приспособиться к новым опасностям. Примерно 250 миллионов лет назад как раз и сформировался орган, который сегодня называется «рептильным мозгом». Возникнув у относительно более сложных существ – амфибий, этот мозг стал прообразом всех будущих мозгов на Земле. Базовые свойства этого мозга можно обнаружить как у современных рептилий, так и у современных млекопитающих, в том числе и у человека, хотя, конечно, за долгие миллионы лет эволюции накопились и огромные различия.

Самая древняя часть человеческого мозга состоит из мозжечка и мозгового ствола и контролирует такие жизненные функции, как сердцебиение, равновесие, дыхание и поддержание температуры тела.

Это одна из самых безотказных деталей церебрального аппарата, он работает 24 часа в сутки в полностью автоматическом режиме, не требуя никакого участия пользователя. «Рептильный мозг», к примеру, никогда и ни при каких обстоятельствах не сможет позабыть дышать. Его древнее происхождение определяет его простой, однако самостоятельный и своенравный вклад в работу мозга. «Рептильный мозг» участвует практически во всех жизненных процессах, при этом мудрая эволюция компенсировала его недостатки тем, что отвела ему особую роль в процессе мышления.

Если смотреть на мозг со стороны основания, то можно увидеть нечто, похожее на кабель или трубку (следовало бы назвать ее «нервотрубкой»), соединяющую его с телом. Мозговой ствол, по-английски изящно именуемый brainstem (стебель головного мозга), в буквально смысле стоит у истоков мозговой деятельности и вместе с другими важными задачами регулирует такие базовые потребности, как дыхание, сердцебиение, сон и голод.

Любая информация, поступающая от тела к мозгу и обратно, проходит через ствол. В мозг информация идет по сенсорным путям, по ним поступают сигналы боли, сигналы о повышении температуры, осязательные ощущения, мышечное восприятие тела в пространстве и частей тела относительно друг друга [см. стр. 115]. В обратную сторону, по пучкам аксонов [см. стр. 32], начинающимся в двигательных нейронах мозгового ствола и оканчивающимся в спинном мозге, спускаются сигналы, управляющие движением. Но это еще не все – из трех частей мозгового ствола (продолговатый мозг, мост и мозжечок) выходят десять из двенадцати пар черепно-мозговых нервов – нервов, берущих начало непосредственно в мозговых полушариях и управляющих моторикой и сенсорикой лица, глаз и внутренних органов.

Ствол сплошь пронизан нейронными сетями, сотни подобных образований контролируют состояние бодрствования, посылая через регулярные промежутки времени последовательность сигналов в кору. Стоит последовательности сигналов замедлиться, человек ощущает сонливость. Нейронные сети играют ключевую роль и в механизме концентрации внимания [см. стр. 175]. Таким образом, ответственность ствола за работу сердечно-сосудистой и дыхательной систем тесно переплетается с его участием в обретении знаний и умений, то есть в формировании сознания. В итоге можно сказать, что мозговой ствол находится в основе всего, во всех смыслах.

• Продолговатый мозг

Без него жизнь невозможна. Продолговатый мозг самостоятельно, без всякого участия носителя управляет базовыми функциями организма – дыханием, сердцебиением и кровяным давлением. Он служит для непосредственного соединения спинного мозга и головного и как часть мозгового ствола осуществляет коммуникацию между центральной и периферической нервными системами и играет ключевую роль в работе вегетативной нервной системы: через нее он регулирует респираторные, кардиологические и вазомоторные функции, многочисленные безусловные рефлексы, бессознательные реакции на различные раздражители (таковых насчитывается около 45). Это продолговатый мозг стоит за кашлем, чиханием, рвотой, зевотой.

• Мост

Если смотреть вдоль мозгового столба, между спинным мозгом и средним мозгом можно заметить мост. По-латыни он называется pons, также его именуют Варолиевым мостом, в честь итальянского анатома XVI века Костанцо Варолия, впервые его описавшего. Мост имеет слегка выпуклую форму.

Мост соединяет разные области мозга и обеспечивает жизненно важный обмен информацией между корой и мозжечком. Его пересекают четыре пары черепно-мозговых нервов, и он участвует в работе слуха, вкуса, осязания и в поддержании равновесия; также в его ведении находятся моторные функции, такие, как жевание и движение глаз. Варолиев мост заведует, как предполагается, быстрой фазой сна и насылает сны.

• Средний мозг

Средний мозг имеет в длину всего около 2 сантиметров и находится на самом конце мозгового столба. Это самая крошечная часть столба, однако заслуживающая всяческого уважения, поскольку играет решающую роль в эмбриональном развитии будущего человека.

Примерно на двадцать восьмой день внутриутробного развития эмбриона нервная трубка разделяется на три первичных пузыря, которые впоследствии станут мозгом. Это ромбовидный мозг, средний мозг и передний мозг. Через несколько недель от среднего мозга отделяется вторичный мозговой пузырь, или задний мозг, впоследствии развивающийся в мост и мозжечок, и продолговатый мозг. А из переднего мозга формируются полушария мозга, покрытые корой, и промежуточный мозг (гипоталамус, таламус и др.). А средний мозг оказывается действительно в середине и остается средним мозгом. Стратегическим положением среднего мозга объясняется присутствие в нем слоев белого вещества, соединяющих мост с таламусом, то есть «рептильный мозг» с лимбической системой, и обмен информацией идет в обоих направлениях. Кроме того, в среднем мозге есть несколько крупных вкраплений серого вещества, в которых осуществляется контроль за такими функциями организма, как смена сна и бодрствования, ощущение боли, слух, движения головы и глаз.

Средний мозг принято делить на три части – крышу, среднемозговую покрышку и ножки. Первые две части разделены центральным протоком (по которому поступает спинномозговая жидкость [см. стр. 51]), а ножки отделены друг от друга черной субстанцией, служащей одним из основных источников дофамина.

• Черная субстанция

Она также называется «черное вещество» и плотно насыщена нейронами, потемневшими от большого количества меланина – пигмента, которому мы обязаны загаром. И черная субстанция не является однородной, а поделена на две разные части с разными функциями, pars compacta и pars reticulata, компактный слой и сетчатый слой. Компактный слой содержит дофаминергические нейроны, которые связываются с другими структурами мозга – полосатым телом – и высвобождают дофамин в его структурах. Сетчатый слой состоит в основном из ГАМК-ергических нейронов [см. стр. 39], связывающихся с разными отделами мозга.

• Вентральная область покрышки

Эта крошечная структура прилегает к области черной субстанции, на краю покрышки среднего мозга, и играет весьма важную роль, будучи связанной с самыми отдаленными уголками мозга, от мозгового ствола до префронтальной коры. Это самый важный узел путей выработки и распространения дофамина и системы вознаграждений [см. стр. 159]. Вентральная часть покрышки (известна также под аббревиатурой VTA) вовлечена в формирование мотивации [см. стр. 171], закрепление результатов обучения [см. стр. 179] и, по разряду совсем иных удовольствий, оргазма [см. стр. 137]. Однако эта область связана также с формированием наркозависимости, токсикоманией и тяжелыми мозговыми патологиями.

На латыни эта часть мозга называется cerebellum, то есть «маленький мозг». Так он был назван из-за своих размеров и вида. Он действительно похож на мозг в миниатюре, чуть больше размером, чем мячик для пинг-понга. У мозжечка тоже есть два полушария, правда не покрытых извилинами коры. Он находится в глубине задней части мозга, под височными долями, и тесно связан со спинным мозгом. По спинному мозгу он отправляет приказы мозга (порой без всякого участия сознания) всем остальным частям тела.

Мозжечок – неизменная и обязательная часть мозга всех позвоночных: рептилий, рыб, птиц и млекопитающих. Уже давно, несколько столетий назад, ученые установили, что мозжечок ответственен за движения тела, равновесие и координацию в пространстве, – исследователям удалось увидеть своими глазами последствия его повреждения. Однако мозжечок вида Homo sapiens эволюция загрузила дополнительными обязанностями, весьма важными. Согласно последним исследованиям, эту часть мозга «маленькой» называть просто несправедливо.

Мозжечок прежде всего обеспечивает обучение разнообразным движениям, в особенности тем, что имеют сложный рисунок. Без участия мозжечка невозможно выучить хитро подкрученную подачу в теннисе или же исполнить фугу Баха. Мозжечок – драгоценное наследство, полученное человеком от предков. Конечно, по сравнению с корой головного мозга, внешней, почти демонстративно гипертрофированной частью головного мозга человека, он кажется приветом из далекого эволюционного прошлого. Однако, занимая всего 10 % объема мозга, он включает в себя 69 миллиардов нейронов, в то время как кора их насчитывает только 20 миллиардов. Секрет столь высокой плотности в том, что около 46 миллиардов клеток в мозжечке – гранулярные, самые крошечные нейроны из существующих.

Роль мозжечка поистине невозможно переоценить. Он работает в постоянном контакте с корой головного мозга, они трудятся практически в паре: мозжечок участвует не только в управлении двигательными функциями, ради которых он был создан природой, но и в регулировании новых когнитивных функций, появившихся у человека.

3.2. «Мозг млекопитающего»

Над мозговым стволом и под корой расположена лимбическая система, состоящая из большого количества маленьких или имеющих сложную извилистую форму структур, связанных друг с другом. В зачаточном виде система существует и у беспозвоночных, особое развитие получила в связи с возникновением и развитием млекопитающих – в их мозге она начала играть важную роль.

У млекопитающих мозг удвоился – все структуры были повторены в правом и левом полушариях, однако получили в результате разные функции. Таламус, миндалевидное тело и гиппокамп получили зеркального двойника. Исключением стал гипоталамус.

Сегодня известно, что лимбическая система, долгое время считавшаяся чем-то вроде «эмоционального центра», на самом деле значительно сложнее по своим функциям. Конечно, она участвует в таких человеческих переживаниях, как страх или любовь, однако ее задачи существенно сложнее: она участвует и в процессе обучения, формировании мотиваций и побудительных мотивов и руководит памятью.

И именно благодаря лимбической системе человек чувствует удовольствие от еды или секса, лимбическая система виновна в депрессии и разочаровании, это из-за ее козней хронический стресс приводит к повышению артериального давления. И это именно она побуждает нас послать кого-либо – справедливо или нет – к черту: это не руководство к действию и тем более не оправдание.

Мозг постоянно накрывает настоящее цунами информации, и ему просто необходима эффективная система сортировки, которая могла бы мгновенно разделять и направлять потоки данных в соответствующие участки коры. Такой сортировочный центр существует и называется таламусом. Он состоит из двух симметричных частей размером с орех и слегка вытянутых, соединенных микроскопическим мостиком из серого вещества. Таламус расположен практически в центре мозга. Он выполняет столь жизненно важные задачи, что любые повреждения его структуры ведут к необратимой коме.

Через таламус проходят все сигналы от органов чувств [см. стр. 116] за исключением разве что обоняния [см. стр. 115], им обрабатывается и проприоцепция (ощущение собственного тела, его положения в пространстве и положения разных частей тела относительно друг друга), и данные наиболее важного органа чувств человека – кожного покрова.

Представить себе сложность процесса можно на конкретном примере: картинка, видимая правым глазом, передается на левую половину таламуса, а она, в свою очередь, посылает ее на левую затылочную долю [см. стр. 77], то есть в ту часть коры, которая отвечает за зрение. Таламус не ограничивается ролью почтальона – он получает и обратный сигнал из затылочной доли. Подобный механизм воспроизводится во всех других отделах коры головного мозга, занятых обработкой сенсорной и двигательной информации.

Из этих связей формируется плотный круговорот информации таламус-кора-таламус, регулирующий чередование состояний сна и бодрствования и переключение внимания, один из важнейших компонентов «волшебства», порождающего сознание [см. стр. 144].

Задачей миндалин, которых две, по одной в каждом полушарии, является мгновенная реакция на возникшую эмоцию и сохранение этой реакции в памяти. Среди всего богатства эмоций самой важной является страх, чрезвычайно важное для выживания переживание. Миндалевидные тела и были созданы эволюцией для управления реакцией на страх [см. стр. 134]. Своим названием они обязаны отдаленному сходству по форме с миндальным орехом.

Оба миндалевидных тела прилегают сбоку, справа и слева, к височным долям и функционируют вместе. Однако в их действиях исследователи отмечают некоторые различия – правое миндалевидное тело принимает на себя негативные эмоции и страх (это проверено в ходе эксперимента с электростимуляцией органа), в то время как левое больше расположено к позитиву и вовлечено, вероятно, в систему удовольствий. Обе миндалины получают информацию от нейронов, ответственных за зрение, обоняние, слух и чувство боли, и посылают приказы двигательному аппарату и сердечно-сосудистой системе.

В случае опасности миндалевидное тело приказывает телу замереть, сердцу биться ускоренно и гормонам стресса начать вершить свою работу [см. стр. 216]. Миндалины регулируют не только непосредственную реакцию на угрозу, но и выработку условных рефлексов, связанных со страхом [см. стр. 79]. Если крысе удалить миндалины из мозга, она не делает даже попытки сбежать при виде кота. Кроме того, миндалевидные тела участвуют в механизме долгосрочной памяти [см. стр. 83].

Современная технология «фотографирования» мозга [см. стр. 253] показала, что нарушения в работе миндалевидных тел, генетического происхождения, или спровоцированные недостаточностью нервных импульсов, могут лежать в основе тревожных состояний, аутизма, депрессии, фобий и посттравматического стресса [см. стр. 203]. Психическая травма, полученная на войне или при переживании сексуального насилия, может физически повредить миндальное тело в течение достаточного короткого периода времени. Возможно, это наиболее подверженная половому диморфизму структура головного мозга, и именно миндалины хранят в себе отличия мужского и женского мозга [см. стр. 196].

Гиппокамп, наверное, одна из наименее изученных частей мозга, после лобной коры, и вызывает самые ожесточенные споры в научной среде. Он постоянно порождает загадки и гипотезы, ученые пишут о нем невероятно толстые книги. Последний рекорд – изданная Оксфордским научным издательством книга толщиной в 840 страниц.

Гиппокамп формой отдаленно напоминает морского конька, он был открыт в XVI веке болонским анатомом Джулио Чезаре Аранци. Гиппокамп имеет парную структуру, его симметричные части расположены в обоих полушариях мозга, между таламусом и височными отделами. Кратко его задачу можно описать двумя словами – память и пространство.

Гиппокамп отвечает за краткосрочную память, то есть фиксацию собственного опыта [см. стр. 83], играет роль и в семантической памяти, запоминании как элементарных жизненных правил, так и сложных социальных ритуалов и понятий. И самое главное – участвует в процессе консолидации памяти, перехода данных из кратковременной в долгосрочную память. Экспериментально доказано, что повреждение гиппокампа делает невозможным только создание новых воспоминаний, притом что воспоминания, сформированные до травмы, остаются неизменными (хранятся в другом отделе мозга). Вдобавок человек сохраняет также способность обретения новых навыков ручного труда (за них тоже отвечает другой отдел мозга).

Обе части гиппокампа реагируют на трансмиссию серотонина, дофамина и норадреналина [см. стр. 36]. Исследователи обнаружили также загадочные электромагнитные волны, так называемые тета-колебания частотой от 6 до 10 Гц, которые проходят через гиппокамп каждые 6–10 секунд [см. стр. 29]. Недавние эксперименты в университете Беркли показали, что тета-колебания разной частоты тоже служат для передачи информации: вживленные в мозг мыши электроды помогли ей ориентироваться в лабиринте. Навигация в пространстве оказалась еще одной важной функцией гиппокампа – изучение мозга лондонских таксистов, обязанных выучить наизусть карту огромного города, чтобы получить лицензию, показало у них заметное увеличение задней части гиппокампа.

Будучи одной из важнейших составляющих лимбической системы, гиппокамп насыщен рецепторами кортизола [см. стр. 45], что делает его уязвимым перед воздействием длительного стресса. Экспериментально доказано, что у людей, страдающих от посттравматического синдрома, доли гиппокампа частично атрофируются [см. стр. 216]. Ученые полагают, что нарушение работы гиппокампа может быть связано и с тяжелой депрессией, и с шизофренией [см. стр. 220].