Читать книгу "Мозг и его «Я». Кто мы? Откуда мы? Куда мы идем?"

Рене Декарт. Схемы взаимодействия тела и разума.

Гравюры из трактата De homine («О человеке»), Париж, 1662 г.

В работах Декарта нервы и мозг отвечают за передачу ощущений и движений, тогда как разум сохраняет независимый статус и лишь соприкасается с телом. Эпифиз изображен как точка сопряжения человеческого разума и телесных процессов.

Когда мы вспоминаем великие имена эпохи Возрождения и Просвещения, мы нередко сводим их к привычным ярлыкам – художник, ученый, философ, – которые скрадывают реальный масштаб их интересов. Подобно Леонардо да Винчи, великий французский философ и математик Рене Декарт (1596–1650 гг.) не был ни медиком, ни анатомом. Однако и он многократно наблюдал в Лейдене и Амстердаме за вскрытиями человеческих тел и проводил долгие часы за препарированием тел и голов животных, привозимых им со скотобоен. И, хотя Декарт был очень привязан к своему псу, к которому обращался, как к человеку – Monsieur Grat («месье Чесун»), он проводил вскрытия и живых животных. Его, как и Леонардо, волновал вопрос о природе души и ее связи с мозгом.

Свои размышления на эту тему Декарт изложил в 1633 году в Traite de l’homme («Трактате о человеке»). Но когда рукопись была уже готова для типографии, из Рима пришла весть об аресте инквизицией Галилео Галилея за публикацию им «Диалога о двух системах мира». Опасаясь подобной судьбы, Декарт отказался от издания, и «Трактат о человеке» увидел свет лишь в 1662 году – спустя двенадцать лет после смерти философа.

Тем не менее предложенное им решение стало известно еще при его жизни. В системе Декарта тело человека представляло собой сложный механизм, управляемый потоками «животных духов». Душа действовала на него через крохотный непарный орган мозга – эпифиз, где, по его представлениям, сходились телесные воздействия и волевые акты. Декартовская гипотеза проводила строгое разделение души и тела.

Критика последовала почти сразу. Анатомы указывали на отсутствие у эпифиза особых механических и физиологических свойств для раскачивания его душой и распространения животных духов по телу, а философы и юная корреспондентка Декарта, принцесса Елизавета Богемская – ставили главный вопрос: как вообще нематериальная субстанция может вызывать физическое движение?

И все же, несмотря на анатомическую наивность этих идей, направление мысли Декарта на века определило историю исследований мозга и логику рассуждений о связи мозга с душой и разумом. Английский математик и философ Альфред Норт Уайтхед писал в «Науке и современном мире» (1925 г.): «Краткое и достаточно полное описание интеллектуальной жизни европейских народов на протяжении последних двух с четвертью веков заключается в том, что они жили за счет накопленного капитала, оставленного гением семнадцатого века».

Томас Уиллис. Нижняя поверхность мозга человека.

Гравюра из Cerebri Anatome («Анатомия мозга»), Лондон, 1664 г.

На гравюре по рисунку Кристофера Рена с высокой точностью изображены структуры основания мозга, нервы и сосуды – круг Уиллиса. При этом вся кора больших полушарий обозначена одной буквой, без какого-либо функционального разделения.

Среди основателей созданного в 1660 году Лондонского королевского общества – одного из самых влиятельных научных обществ Европы – находились два друга из оксфордского кружка интеллектуалов, называвших себя Virtuosi. Один из них, виртуозно владевший пером художника, – Кристофер Рен (1632–1723 гг.), математик, астроном и архитектор собора Святого Павла в Лондоне. Другой – виртуозно владевший скальпелем врач и анатом Томас Уиллис (1621–1675 гг.), создавший при участии Рена одну из важнейших книг в истории науки о мозге – Cerebri anatome («Анатомия головного мозга», 1664 г.). Это работа не имела себе равных ни в момент своего появления, ни много лет спустя.

Именно Уиллису мы обязаны такими терминами, как hemisphere (полушарие), lobe (доля), corpus striatum (полосатое тело) и, наконец, neurology (неврология). Ему также принадлежит первое использование в английском языке слова «психология», а термин reflexion, от которого происходит reflex (рефлекс), был введен именно им, а не Декартом.

Хотя название Cerebri anatome указывало на чисто анатомический характер труда, обсуждение функций мозга проходит через всю книгу. Уиллис пришел к выводу, что мышление рождается не в желудочках, а в самом веществе мозга; желудочки он считал лишь «пустотой, возникающей при складывании границ мозговой ткани». Отныне желудочкам не принадлежала никакая роль в локализации души и разума. Память и произвольные действия Уиллис связывал с извилинами коры, воображение – с полушариями мозга.

Однако, как и мыслители тысячелетий до него, Уиллис полагал, что источником жизненных свойств остаются сердце и кровь: кора, по его мнению, порождала spiritus animales («животные духи») из того, что поступало к ней с кровью. Если внимательно рассмотреть нижнюю поверхность мозга, детально вырисованную Реном и подписанную Уиллисом, обнаружится нечто весьма примечательное. Центральные структуры мозга обозначены терминами, заимствованными из анатомии мужской телесности: testes cerebri, penis cerebri и nates cerebri – «мозговые яички», «мозговой пенис» и «мозговые ягодицы». И здесь не просто вопрос внешнего сходства – это функциональная модель. Первым приписывалась роль волевого ядра, второму – функция канала передачи животных духов, третьим – контроль и «запирание» их движения, подобно сфинктерам.

Науке о мозге предстояло пройти еще долгий путь.

Френологические инструменты и метод исследования черепа.

Вверху: измерительные приборы для краниометрии; иллюстрация из G. Combe, Elements of Phrenology («Элементы френологии»), Эдинбург, 1824 г.

Внизу: размеченная френологическая карта головы; J. G. Spurzheim, Phrenology, or the Doctrine of the Mind («Френология, или учение о разуме»), Лондон, 1825 г.

Френология впервые делает кору больших полушарий главным объектом изучения психических способностей. Приборы и схемы демонстрируют попытку превратить изучение разума в измерительную процедуру.

Многим, даже далеким от истории нейронауки, знакомо слово «френология» – обычно как обозначение наивной и давно опровергнутой теории. Гораздо меньше известно, что ее создатель, австрийский врач Франц Йозеф Галль (1758–1828 гг.), был одним из наиболее талантливых нейроанатомов своего времени и внес важный вклад в изучение строения мозга. Именно он ввел последовательное различение серого вещества мозга – области тел нервных клеток – и белого вещества, образованного проводящими путями.

Сам Галль рассказывал, что импульс к его будущей теории объективного выявления способностей мозга возник еще в детстве. В девять лет он заметил, что один из его одноклассников обладал поразительной вербальной памятью. У этого мальчика были выпуклые глаза – les yeux a fleur de tete («коровьи глаза»). «Хотя у меня не было предварительных знаний, – писал Галль позже, – меня осенила мысль, что глаза, сформированные таким образом, являются признаком отличной памяти… И это дало мне первый импульс для всех моих исследований».

Из этой догадки выросла целостная теория. Для ее создания Галль собрал более 300 черепов людей, чьи психические особенности были установлены при жизни, а также более 120 слепков черепов живых современников. В обобщающем шеститомном труде Sur les fonctions du cerveau et sur celles de chacune de ses parties («О функциях мозга и каждой его части…» 1825 г.) Галль формулирует основные положения френологии. Кора головного мозга является органом разума и сознания; она состоит из отдельных областей, каждая из них функционирует относительно независимо. Развитие способности связано с размером соответствующей области, а степень этого развития, по мысли Галля, отражается в форме черепа.

В своей системе Галль выделял 27 функциональных областей коры; его ближайший соратник Иоганн Шпурцгейм (1776–1832 гг.) позднее добавил еще восемь зон. Для проверки своих предположений они разрабатывают метод, получивший название краниометрии: измерение и пальпация черепа, использование специальных циркулей и линейных инструментов. Позже Шпурцгейм вводит для этого подхода термин «френология». Психические способности впервые получают пространственное, картографическое представление. Учение Галля сразу вызвало сопротивление, и прежде всего со стороны церкви. Его лекции были запрещены в Австрийской империи как противоречащие христианскому учению о душе, и в 1807 году, покинув Вену, он поселяется в Париже, где его присутствие также воспринимается с явной настороженностью – в том числе императором Наполеоном Бонапартом.

Френологическая карта психических способностей.

Рисунок, Великобритания, первая половина XIX века.

Поверхность головы разделена на десятки областей, каждая из которых подписана как отдельная способность или черта характера – от памяти и рассудка до тщеславия и склонности к преступлению.

Летом 1850 года образовательный клуб коммунистических рабочих Лондона устроил пикник. Среди его участников были молодой немецкий социалист Вильгельм Либкнехт и уже знаменитый тридцатидвухлетний Карл Маркс. Либкнехт вспоминал, что Маркс не только «экзаменовал его вопросами», но и ощупывал его череп, «заставляя пальцы плясать по голове, как настоящий знаток». Маркс был приверженцем френологии и практиковал ее как способ оценки новых членов при приеме в Коммунистический союз. В середине XIX века в этом не было ничего необычного: френология стала языком, на котором общество говорило о личности.

Френологические карты применялись не к абстрактному человеку, а к конкретным фигурам – политикам, преступникам, писателям, «гениям» и «безумцам». Появлялись не только заказные «френологические портреты», но и френологические карты головы Шекспира, Наполеона, «главы страны», сатирические и политические версии карт черепа. Журналы вроде American Phrenological Journal соединяли псевдонаучные интерпретации, моральные наставления и бытовые советы.

Френология проникла и в литературу: она упоминается в «Джейн Эйр» Шарлотты Бронте, в «Отце Горио» Оноре де Бальзака и в рассказах о Шерлоке Холмсе. Многие известные личности XIX века – от Марка Твена до Джорджа Элиота – испытывали ее влияние. В одной только Великобритании было создано 29 френологических обществ, а популярные книги по френологии расходились сотнями тысяч экземпляров. Такой успех во многом был связан с деятельностью шотландского юриста Джорджа Комба, сделавшего акцент на самосовершенствовании. Его книга Constitution of Man (1827 г.) уступала по тиражам лишь Библии.

Критика френологии существовала с самого начала. Наполеон I язвительно отмечал, что никакая выпуклость не объяснит склонностей, возникающих из социальных условий. В 1845 году кембриджский учитель Дарвина профессор Адам Седжвик называл френологию «выгребной ямой человеческой глупости». Во второй половине XIX века многие френологические общества начали распадаться.

Однако угасание было медленным. Уже и тогда, когда научные основания были подорваны, френологические схемы продолжали циркулировать. Их вытеснение потребовало новых инструментов – микроскопа, эксперимента и клинического наблюдения.

И даже с их появлением визуальный язык френологии – картирование мозга, функциональные зоны – продолжил существовать, пережив собственные теоретические основания.

Николай Иванович Пирогов. Анатомические срезы головы и мозга.

Литографии из Anatome topographica… («Иллюстрированная топографическая анатомия…»), Санкт-Петербург, 1859 г.

Пирогов впервые представляет мозг не путем препарирования, а серией срезов замороженной головы, выполненных в ортогональных плоскостях. Метод сохраняет пространственные соотношения структур и делает видимым их взаимное расположение.

Пока Западная Европа и Америка были увлечены картированием выпуклостей черепа, принципиально иной метод картирования тела и мозга изобретал в холодном Санкт-Петербурге молодой и необычайно талантливый хирург Николай Иванович Пирогов (1810–1881 гг.).

Идея метода возникла у Пирогова зимой 1835–1836 годов, когда он наблюдал, как на Сенном рынке Санкт-Петербурга мясники разрубали замороженные свиные туши. Вид сохранявшегося на ровных плоскостях естественного положения тканей навел его на мысль о трехмерной анатомии, основанной на послойных ортогональных распилах замороженного человеческого тела.

В рамках «ледяной», или, по выражению самого Пирогова, «северной» анатомии (anatomia borealis) тела охлаждались до температуры ниже –18 °C, при которой ткани приобретали плотность «самой твердой древесины». Затем с помощью специальной «фулярной» пилы, аналогичной инструментам краснодеревщиков, выполнялись распилы тела в трех взаимно перпендикулярных плоскостях – сагиттальной, фронтальной и горизонтальной. Минимальная толщина спилов составляла 0,5–1,0 см. Контуры органов и тканей со срезов переносились на бумагу посредством стеклянной панели с координатной сеткой, обеспечивавшей максимальную точность изображения. Иллюстрации выполнялись несколькими профессиональными художниками. Один из них, друг семьи Пироговых, живописец Михаил Мохов создал пугающе реалистичные изображения распилов замороженного тела в естественных цветах; в окончательном издании они были воспроизведены в виде монохромных литографий.

Опубликованная в 1859 году на латыни монументальная Anatome topographica… («Иллюстрированная топографическая анатомия распилов замороженного человеческого тела, проведенных в трех направлениях») состояла из четырех томов, включала 995 рисунков и 240 таблиц. Первый том был посвящен распилам головы, шеи и позвоночного столба. В нем впервые было представлено естественное взаимное расположение структур головного мозга человека. Среди прочего Пирогов иным, чем у Леонардо да Винчи, методом показал реальную трехмерную форму мозговых желудочков, которые, как отмечал еще Томас Уиллис, неизбежно спадаются при извлечении мозга из черепа.

Метод «ледяной анатомии» Пирогова нередко сравнивают с современной компьютерной и магнитно-резонансной томографией. Он стал пределом возможностей макроскопической визуализации мозга в XIX веке. Чтобы продвинуться дальше – к глубинам, где скрываются тайны души, – потребовалась иная революция: проникновение на микроскопический уровень.

Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Одиночные нейроны.

Вверху: нейрон, выявленный методом «черной реакции»; рисунок Гольджи, конец XIX века. Внизу: пирамидный нейрон коры головного мозга человека; рисунок Кахаля, 1904 г.

Оба изображения получены благодаря методу окрашивания, открытому Гольджи. Он позволил впервые увидеть форму отдельного нейрона целиком.

Когда ученик Томаса Уиллиса английский физик Роберт Гук (1635–1703), в 1665 году увидел под усовершенствованным им микроскопом ячеистую структуру среза пробки, он обозначил открытые им образования термином, уже использовавшимся в средневековом учении о «ячейках» души, – cells (лат. cellula). Но потребовалось более двухсот лет, чтобы стал раскрываться глубокий смысл этого совпадения.

В начале 1873 года в итальянском городке Аббьятиграссо тридцатилетний врач Камилло Гольджи (1843–1926 гг.), работал вечерами в импровизированной лаборатории на кухне своей маленькой квартиры при хосписе Pia Casa degli Incurabili. Под свечами он случайно пролил нитрат серебра на нервную ткань, обработанную до этого дихроматом калия. Образец, казалось, испортился – почернел. Но под микроскопом Гольджи увидел, что окрасилась лишь малая часть клеток, зато каждая – полностью, со всеми отростками. Так появилась знаменитая la reazione nera – «черная реакция». В возбуждении Гольджи написал другу, офтальмологу Николо Манфреди, что нашел реакцию, позволяющую «продемонстрировать структуру … коры головного мозга даже слепым».

Такое же потрясение испытал и впервые увидевший этот метод в 1887 году молодой испанский врач Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852–1934): «Какое неожиданное зрелище! Можно было подумать, что это рисунки китайской тушью на прозрачной японской бумаге… Пораженный, я не мог оторваться от микроскопа… Это метод Гольджи!»

Удивительно, но мы и до сих пор не знаем, почему данное окрашивание захватывает лишь 1–5 % нервных клеток. Однако именно эта избирательность превратила метод Гольджи в поворотный момент науки о мозге.

Уже в 1888 году Кахаль с помощью новой окраски описал «шипики» – тысячи похожих на шипы роз крошечных выростов на ветвлениях нервных клеток. Сами эти ветвления лейпцигский анатом Вильгельм Гис (1831–1904 гг.) в 1890 году назвал дендритами – от греческого «дерево»; отходящий от нервной клетки «осевой отросток» Альберт фон Кёлликер (1817–1905 гг.) в 1896 году обозначил как «аксон», а термин «нейрон» ввел в 1891 году берлинский анатом Вильгельм фон Вальдейр (1836–1921). Оксфордский физиолог Чарльз Шеррингтон (1857–1952) закончил этот список в 1897 году понятием «синапс» (от греч. «застежка») – место соединения нейронов. Так к концу XIX века сложились все элементы «нейронной доктрины». Проникновение в тайны мозга перешло на следующий уровень.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Нейронные сети коры и гиппокампа.

Рисунки коры больших полушарий (1899) и гиппокампа (1901), окраска по методу Гольджи.

Показаны нейроны, организованные в слои и поля. Стрелками отмечено направление движения информации. Эти изображения делают видимым как клетки соединяются и взаимодействуют друг с другом, образуя упорядоченную нейронную сеть.

В конце XIX века в руках ученых оказались очень схожие микроскопы и методы окраски нервной ткани. Но видели они разное. И Гольджи, и Кахаль изображали нейроны, выявленные одним и тем же методом окрашивания. Однако у Кахаля на дендритах ясно показаны многочисленные шипики, отсутствующие на рисунках Гольджи. Это не означает, что Гольджи не наблюдал этих выростов: просто многие исследователи считали их артефактами окраски.

Но речь шла не о незначительных деталях. Кахаль полагал, что нейроны являются независимыми клетками, а шипики служат точками контакта между ними. Гольджи же был убежден, что клетки мозга образуют посредством слияния аксонов непрерывную сеть – ретикулум. В такой системе активность любой клетки должна распространяться по всей сети. «Конечно, – писал Гольджи, – речь идет не об изолированном действии отдельных клеток, но об одновременной активности обширных групп».

Следствия из этого были далеко идущими. «Нельзя сказать, – заключал он, – чтобы концепция так называемой локализации мозговых функций каким-либо образом подтверждалась результатами анатомических исследований мельчайших структур». Гольджи при этом резко критиковал не только нейронную доктрину, но и персонально Кахаля за то, что тот придерживается столь нелепых взглядов. Это была подлинная драма – драма идей.

И все же в одном исследователи, увидевшие мозг изнутри, сходились единодушно. «Мы видели, – как выразил это Кахаль, – что точное понимание устройства мозга представляет величайший интерес для построения рациональной психологии. Понять мозг, говорили мы, равносильно выяснению материального пути мысли и воли».

Самое поразительное в зарисовках Кахаля – даже не их ясность и артистическая красота, а стрелки, которыми они сопровождаются. Эти маленькие стрелки несут идущую еще от схем Ибн аль-Хайсама и Декарта идею: подобно «духам» прошлого, информация передается по материальным путям нервной системы – но теперь уже в рамках новой всеобъемлющей концепции – гигантской клеточной нейронной сети.

«Подобно энтомологу, ищущему разноцветных бабочек, – писал Кахаль, – мое внимание привлекли сады серого вещества, содержащие клетки нежных и изящных форм, таинственные бабочки души, взмах крыльев которых однажды – кто знает – может раскрыть нам тайны разума».

В 1906 году Камилло Гольджи и Сантьяго Рамон-и-Кахаль разделили первую Нобелевскую премию за изучение нервной системы. Шло третье тысячелетие проникновения человека в глубины собственного мозга.

Грег Данн и Брайан Эдвардс. Self-Reflected.

Нейронная структура человеческого мозга. Техника отражательного микротравления, США, 2016 г.

На гравюре отображены 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека.

На протяжении всей нашей истории мы видели, что мозг издавна привлекал внимание не только ученых, но и художников. Произведение Self-Reflected – уникальное слияние искусства и нейронауки, созданное нейробиологом и художником Грегом Данном в сотрудничестве с физиком Брайаном Эдвардсом. Эта визуализация является крупнейшим в мире художественным изображением человеческого мозга, основанным на реальных данных о его микроструктуре.

На гравюре отображено около 500 тыс. индивидуально вырисованных нейронов с реконструированными траекториями аксонов и дендритов, полученными из диффузионного МРТ и анатомических атласов мозга человека. В отличие от традиционных анатомических схем, изображение создано с применением алгоритмов симуляции траектории сигналов в коре головного мозга и белом веществе, включая аксоны, дендриты и синаптические пути. Для его построения авторы специально разработали технику отражательного микротравления (reflective microetching), создающую микрорельефы – тончайшие наклонные гребни, которые меняют угол отражения света в зависимости от положения зрителя и освещения. Гравюра выполнена на 1750 листах тончайшего 22 каратного золота, объединенных в полотно размерами 244×330 см, на котором реконструирован один срез мозга человека в масштабе ×22. Освещение полотна организовано сотнями программируемых светодиодов, подсветка которыми визуализирует путешествия волн сигналов через нейронное пространство мозга. Авторы, работавшие над проектом более двух лет, описывают его словами: «это то, как выглядит ваше сознание».

Реальный мозг взрослого человека содержит примерно 86 млрд нейронов – число того же порядка, что и общее количество когда-либо живших на Земле людей. В коре головного мозга плотность нейронов составляет около 90 тыс. на мм³, а контактов между ними – примерно 700 млн на мм³. Каждый нейрон образует в среднем около 7 000 синапсов, а общее число межнейронных связей в мозге достигает порядка 10¹⁴–5×10¹⁴ (100–500 трлн). Около 80 % из них приходится на локальные связи, а оставшиеся 20 % – на длинные волокна протяженностью до нескольких десятков сантиметров. Суммарная длина всех отростков нейронов в мозге одного человека оценивается примерно в 850 тыс. км, что равно более чем двадцати оборотам вокруг Земли (~40 тыс. км).

Вся наша вселенная заключена в этом поразительном органе. Его истинную сущность нам еще только предстоит постичь.