Мозг. Чердак, лабиринт или опора для шляпы?

Почему внешняя поверхность мозга имеет складки?

Отвечают Клаус К. Хильгетаг, нейробиолог из Бременского университета Якобса (Германия) и Хелен Барбас, нейробиолог из Бостонского университета:

За восприятие, эмоции, мышление и другие виды когнитивной деятельности отвечает кора больших полушарий, снаружи покрывающая остальной мозг. В ходе эволюции животные «осваивали» все бо́лее сложные когнитивные процессы. В итоге им потребовалась бо́льшая площадь поверхности серого вещества, чем есть на внутренней поверхности черепа, так как складчатость позволяет увеличить поверхность коры больших полушарий без увеличения размеров головы.

Складки на внешней поверхности мозга есть у собак, кошек, человекообразных обезьян, а у животных с менее развитым мозгом их нет. Площадь поверхности коры больших полушарий у человека примерно в три раза больше площади внутренней поверхности черепа. Однако узор складок нельзя назвать произвольным в отличие от скомканного листа бумаги. В XIX в. ученые полагали, что в основе свойств отдельных частей мозга лежат простые механистические принципы, а функция определяется формой поверхности мозга (морфологическими особенностями).

Пучки нервных волокон тугие, как натянутая резинка. Области мозга, плотно связанные между собой, притягиваются друг к другу, создавая поверхностные выпячивания – бугры на рельефе мозга. Слабо связанные области расходятся, образуя впадины в коре. Растяжение и сжатие тканей мозга также накладывает отпечаток на архитектуру коры и форму отдельных нервных клеток, влияя, вероятно, и на функционирование мозга.

Функциональная асимметрия речевых центров в правом и левом полушариях мозга наглядно иллюстрирует данное положение. В каждом полушарии массивный пучок волокон соединяет переднюю и заднюю части речевых областей, однако слева пучок волокон более тугой, а значит, «тянет сильнее», что подтверждает представление о доминирующей роли левого полушария в речевых функциях у большинства людей. Такие наблюдения привели к тому, что современные ученые возвращаются к идеям, выдвинутым анатомами еще в XIX в. В конечном счете современные технологии позволяют увидеть, как рельеф поверхности головного мозга коррелирует с функциями мозга.

Почему правая часть мозга управляет левой стороной тела и наоборот?

Отвечает Марк А. В. Эндрюс, профессор физиологии, колледж остеопатической медицины, Лейк-Эри:

С древних времен человек не раз задавал этот вопрос. Так, знаменитый древнегреческий врач Гиппократ задумывался над тем, почему повреждение половины головы с одной стороны приводит к нарушениям работы противоположной стороны тела. Только около 100 лет назад испанский нейроанатом и нобелевский лауреат Сантьяго Рамон-и-Кахаль смог впервые объяснить данный феномен на примере развития зрительной системы. И хотя сейчас мы знаем, что даже у животных с рудиментарной или полностью отсутствующей зрительной системой также присутствует перекрест нервных волокон, объяснение Рамон-и-Кахаля определило важные понятия в области стимул-реакция.

На сегодняшний день причины перекреста нервных волокон в центральной нервной системе до конца не ясны. Известно, что этот феномен возникает в ходе эмбрионального развития. Так, согласно современным исследованиям факторы роста, такие как roundabout, commissureless, Sax-3, netrin и sonic hedgehog, указывают направление роста для нейронов или нервных клеток. И да, у большинства животных, включая рыб, червей, плодовых мушек и всех позвоночных, присутствует перекрест нервных путей. Но откуда он возник? Ученые ищут ответ на этот вопрос повсюду.

Эволюционно более древние животные дают нам ключ к разгадке этой особенности строения нервной системы. Давайте представим, например, реакцию червя на болевой стимул. В ответ на действие обидчика червь, сокращая мышцы противоположной (контрлатеральной) стороны тела, отклоняется в противоположную от раздражителя сторону. Для того чтобы сократить мышечные клетки контрлатеральной стороны тела, нервный импульс, возникший на ипсилатеральной стороне (ближней, расположенной в той же части тела), должен пересечь среднюю линию.

Так, перекрест нервных волокон относительно средней линии дает животному определенное преимущество для выживания. А как уже известно биологам, благоприятные для выживания признаки, раз возникнув в эволюции, сохраняются у более «развитых» животных (тех, которые возникли позже в процессе эволюции), если, конечно, не утрачивают свое преимущество.

В процессе эволюции зрительной системы возник перекрест и нервных волокон. Строение головы у большинства позвоночных таково, что оба глаза расположены по бокам, независимы и имеют разные зрительные поля. Это значит, что зрительные образы от правого и левого глаз совершенно разные, и мозг должен совместить полученные изображения в один полноценный образ. Для этого все волокна зрительного нерва пересекают среднюю линию, что обеспечивает животному возможность выживания в условиях опасности.

Вообразите плывущую в океане рыбу. А теперь представьте, что справа от этой рыбы неожиданно возникает хищник. Свет, отраженный от хищника, попадает в глаз рыбы и формирует изображение на сетчатке. Это изображение посредством перекреста волокон зрительного нерва попадает в противоположную половину мозга, и нервная система сразу реагирует: мышцы контрлатеральной стороны тела сокращаются. Все это приводит к тому, что рыба уплывает в противоположную от стимула (хищника) сторону.

Все значительно усложняется у животных со стереоскопическим зрением, глаза которых направлены вперед, как у человека. Перекрест нервных путей все равно присутствует. Однако в таком случае только половина нервных импульсов от каждого глаза направляется в противоположное полушарие для обеспечения стереоскопического зрения.

Давайте теперь разберем, что же происходит, когда у животного имеются конечности. У животных без конечностей (например, рыбы или червя) нервные импульсы к мышцам проходят по неперекрещивающимся двигательным волокнам. Только сенсорные волокна перекрещиваются, что вызывает мышечный ответ с той стороны тела, куда пришел нервный импульс, а значит, нет необходимости в дополнительном перекресте. Однако, в случае наличия у животного конечностей, вклад в ответную реакцию может вносить не только контрлатеральная сторона тела, но и ипсилатеральная. Для обеспечения такой свободы действия двигательные волокна перекрещиваются обратно, на сторону исходного стимула. Другими словами, с появлением конечностей двигательные волокна, так же как и сенсорные, перекрещиваются. А значит, левое полушарие мозга преимущественно контролирует руку и ногу правой стороны тела, а правое полушарие управляет рукой и ногой левой стороны.

Кроме того, ученые предполагают, что перекрест нервных путей с их структурной асимметрией может приводить к дифференцированию обеих половин мозга. Функциональной асимметрией мозга можно объяснить задействованность левого полушария в таких сферах, как общение, аналитическое мышление и управление движениями, и специализацию правого полушария на сенсорной информации, пространственных отношениях и творческих способностях.

Какие есть различия в строении мозга у животных с самосознанием и других позвоночных?

Отвечает Роберт О. Дункан, изучающий проблемы поведения в Йоркском колледже, городской университет Нью-Йорка:

Наличие самосознания отличает человека от других видов животных. Психологи определяют самосознание как метапознание, осознание своей способности мыслить. Считается, что у человека за самосознание и другие сложные когнитивные навыки, такие как социальные способности, планирование и рассуждение, отвечает префронтальная кора.

Если предположить, что за самосознание отвечает только префронтальная кора, то ответ на заданный выше вопрос будет очень простым: у видов, которые не демонстрируют признаков самосознания, не развиты области мозга, аналогичные префронтальной коре человека. Однако префронтальная кора отвечает за еще многие другие когнитивные процессы и тесно связана с другими областями мозга, поэтому нельзя говорить о том, что данная область является единственным очагом для локализации самосознания. Другими словами, наличие префронтальной коры может быть необходимо, но недостаточно для формирования самосознания. Некоторые психологи считают, что зачатки самосознания могут появляться уже у животных с более развитыми когнитивными способностями, бо́льшим размером мозга или относительно высокой степенью взаимосвязанности областей мозга.

Четко выделить различия в строении мозга, которые связаны с наличием или отсутствием у животных самосознания, – задача невероятно трудная. А самое главное – невозможно точно определить и сравнить слабовыраженные морфологические различия у видов из-за более значительных межвидовых различий в строении мозга. Так, признаки самосознания демонстрируют как дельфины, так и шимпанзе, однако строение их мозга сильно различается.

Более того, отсутствие надежных поведенческих тестов для определения проявлений самосознания затрудняет выявление животных, обладающих им. В 1970 г. Гордон Дж. Гэллап (младший) из Университета штата Нью-Йорк в Олбани разработал «зеркальный тест» для выявления самосознания у шимпанзе. Тест считался пройденным успешно, если шимпанзе с помощью зеркала рассматривал нанесенную краской отметку на своем лице. И несмотря на то что большинство представителей рода шимпанзе успешно справляются с зеркальным тестом, есть особи, которые проваливают его, что вызывает сомнение в адекватности данной методики.

Трудности, с которыми сталкиваются ученые при изучении самосознания, указывают на то, что это сложно устроенная функция, а также подтверждают тот факт, что в ее обеспечении участвует не одна область мозга. Таким образом, можно назвать префронтальную кору критичной для развития метапознания, однако самосознание возникает только тогда, когда эта область формирует обширные тесные взаимосвязи с другими областями мозга.

Почему мозг не чувствует боли?

Отвечает Марк А. В. Эндрюс, профессор физиологии, колледж остеопатической медицины, Лейк-Эри:

Для восприятия любого стимула, включая болевой, необходима активация специальных клеток – сенсорных (чувствительных) нейронов. Во внутренних органах, в том числе в мозге, находится незначительное число таких нейронов. Более того, во внутренних органах располагается только 2–5 % от всего числа сенсорных клеток. Такое распределение чувствительных клеток позволяет нам тщательно исследовать мир вокруг нас (вероятно, это связано с тем, что угрозы организму находятся преимущественно во внешней среде), лимитируя при этом наше восприятие изменений, происходящих внутри организма.

Чувствительные нейроны, специализирующиеся на восприятии боли, называют ноцицепторами (от лат. nocere – причинять вред) или болевыми рецепторами. Наибольшая плотность болевых рецепторов расположена на тех частях нашего тела, которые непосредственно взаимодействуют с внешней средой, таких как кожа, кости, суставы и мышцы. Основная роль болевых рецепторов там – охранять и предупреждать нас о возможных повреждающих действиях, чтобы мы смогли в дальнейшем избежать более серьезных последствий.

В мозге болевые рецепторы расположены в сосудах и в мозговых оболочках (трех тонких пленках, покрывающих со всех сторон и защищающих спинной и головной мозг). Современные исследования указывают на то, что активация именно болевых рецепторов в мозговых оболочках может вызывать мигрени. Для других внутренних органов также характерно расположение болевых рецепторов в окружающих тканях, что обеспечивает их чувствительность к сжатию и растяжению. Любопытно, что активация только нескольких болевых рецепторов внутреннего органа приводит к ощущению боли в другом месте, на поверхности тела, т. е. возникает иррадиирующая боль. Данный феномен объясняет тот факт, что болевые ощущения, которые могут сопровождать инсульт, очень часто отмечают в мышцах и суставах плечевого пояса. При этом, конечно, повреждения происходят в мозге, но пострадавший не чувствует там боли.

Когда половина мозга лучше, чем целый мозг?

Отвечает Чарльз Чой:

Гемисферэктомия – операция по удалению одного полушария мозга. Это звучит безумно, и еще большим безумием кажется само выполнение такой процедуры. Однако только в прошлом веке были проведены сотни таких операций для лечения мозговых нарушений, которые не поддавались никаким другим способам воздействия. Самое невероятное, что эти операции не оказали значимого эффекта на свойства личности или память пациентов.

Впервые гемисферэктомия была выполнена в 1888 г. немецким физиологом Фридрихом Гольцем на собаке. А в 1923 г. в университете Джонса Хопкинса нейрохирург Уолтер Денди впервые провел такую операцию на пациенте с опухолью мозга. (После операции пациент прожил более трех лет и скончался от рака.) Гемисферэктомия относится к разряду самых радикальных операций на мозге. «Нельзя удалить больше половины. У вас возникнут проблемы, если удалить весь мозг», – шутит невропатолог Джон Фриман из университета Джонса Хопкинса.

В 1938 г. после проведения гемисферэктомии 16-летней пациентке, перенесшей инсульт, канадский нейрохирург Кеннет МакКензи отметил один эффект от операции. У девушки прекратились судорожные припадки. В настоящее время гемисферэктомию проводят пациентам, страдающим от десятков судорожных припадков в день, которые не купируются лекарственными препаратами и причина которых локализована в одном полушарии мозга. «Такое заболевание очень быстро прогрессирует и при отсутствии лечения приводит к повреждению всего мозга», – говорит нейрохирург Гари Матерн из университета Калифорнии в Лос-Анжелесе. Ему вторит Фриман: «Гемисферэктомию проводят в том случае, когда все другие альтернативные способы лечения значительно хуже».

Анатомическая гемисферэктомия подразумевает удаление всего полушария целиком, тогда как во время функциональной гемисферэктомии извлекают только части полушария мозга, а также рассекают мозолистое тело, которое представляет собой пучки нервных волокон, соединяющих два полушария. Образовавшуюся после извлечения полушария полость оставляют пустой, и она с течением времени заполняется спинномозговой жидкостью.

Нейрохирурги университета Джонса Хопкинса специализируются на проведении анатомической гемисферэктомии. Ее преимущество заключается именно в удалении полушария целиком, так как, по словам нейрохирурга Фримана, «если оставить часть пораженного полушария, то эпилептические припадки могут вернуться», в то время как нейрохирурги из университета Калифорнии в Лос-Анжелесе предпочитают проводить функциональную гемисферэктомию в связи с меньшей потерей крови во время операции. «Возраст наших пациентов обычно менее двух лет, и у них просто меньше крови, которую можно потерять». Возраст большинства пациентов в университете Джонса Хопкинса от 5 до 10 лет.

Нейрохирурги выполняли такую операцию даже у младенцев в возрасте трех месяцев. И что самое удивительное, память и личность у них развивались нормально. Как показало недавно проведенное исследование, у 86 % из 111 детей, которым была проведена гемисферэктомия в университете Джонса Хопкинса в период с 1975 по 2001 г., эпилептические припадки либо полностью отсутствуют, либо не выражены и не требуют приема лекарственных препаратов. Те пациенты, которые продолжают страдать от приступов, как правило, имеют врожденные пороки или патологии развития, когда повреждение затрагивает области обоих полушарий, как объясняет Фриман.

Другое исследование показало, что у детей, перенесших гемисферэктомию, даже улучшалась успеваемость в школе после исчезновения эпилептических припадков. «Одна наша пациентка стала чемпионом класса в боулинге, другой пациент – чемпионом штата по шахматам, остальные успешно учатся в колледжах», – говорит Фриман.

Разумеется, что у такой операции есть и негативные последствия. «Вы можете ходить, бегать, некоторые даже танцуют, но вы теряете способность пользоваться рукой на противоположной к удаленному полушарию стороне тела. Вы практически полностью утрачиваете возможность владеть рукой, и зрение также пропадает на этой стороне», – говорит Фриман.

Стоит отметить, что после операции наблюдаются и другие нарушения. Если удалено левое полушарие, то «большинство людей испытывают трудности с речью. Раньше считали, что если удаление левого полушария происходит в возрасте старше двух лет, то человек не овладеет речью. Мы это опровергли», – говорит Фриман. «Чем младше пациент на момент проведения гемисферэктомии, тем меньшие нарушения будут наблюдаться в дальнейшем. Куда в правом полушарии перемещается речевой центр и какие функции он замещает, никто не знает».

Недавно Матерн с коллегами впервые исследовали с помощью функциональной магнитно-резонансной томографии, как меняется мозг в процессе реабилитации пациентов после гемисферэктомии. Изучение того, как оставшееся полушарие берет на себя речевую, сенсорную, двигательную и другие функции, «может пролить свет на пластичность мозга, на его способность изменяться», – отмечает Фриман. И все равно, потеря половины мозга, а значит, и способность владеть только одной рукой, и потеря одной половины поля зрения – состояние, которого любой хотел бы избежать всеми силами.

Какую роль играют коннектомы в нашем сознании?

Отвечает Александр Форнито, доцент из института когнитивных и клинических нейронаук Монаша в Мельбурне, Австралия:

Человеческий мозг – уникальная и очень сложная сеть, состоящая из более 86 млрд нейронов, которые связаны между собой при помощи 100 млрд синапсов. Коннектом – это обширная карта таких связей, т. е. «схема проводки» мозга.

Современный уровень технологий не позволяет нам составить карту нейронных связей мозга, которая включала бы абсолютно все нейроны и синапсы. Вместо этого, используя, например, магнитно-резонансный томограф, ученые могут картировать связи между областями мозга размером в несколько миллиметров, которые состоят из тысяч нейронов.

На таком макроскопическом уровне каждая область мозга содержит специализированные нейроны, вместе обеспечивающие отдельные функции, которые в свою очередь вносят вклад в когнитивную деятельность человека. Так, разные области зрительной коры содержат нейроны, обрабатывающие определенный вид зрительной информации, например ориентацию линии или направление ее движения. Одни области мозга участвуют в обработке информации (звук, запах, прикосновение) от остальных органов чувств, в то время как другие контролируют движение, отвечают за эмоциональные реакции и т. д.

Все эти функции не существуют в изоляции, а интегрированы друг в друга для обеспечения единого и ясного восприятия мира. Считается, что такое слияние функций происходит при синхронизации активности разных популяций нейронов. Пучки нервных волокон, соединяющих разные области мозга, как провода в коннектоме, служат основой для синхронизации активности нейронов. Благодаря такому построению связей активность мозга больше похожа на слаженную симфонию, а не на непонятную какофонию.

Если нейронные связи нужны для координации нейронной активности, можно ли предположить, что у людей с различающейся структурой нейронных связей будут и разные когнитивные способности? Некоторые исследования показали, что люди с хорошо развитыми связями между областями мозга, интегрирующими информацию, лучше выполняют тесты на общий интеллект. При этом пациенты с различными расстройствами, например шизофренией, имеют менее развитую структуру нейронных сетей. Повреждение области мозга, тесно связанной со многими другими областями, приводит к особенно выраженным когнитивным нарушениям. Эти данные указывают на то, что нейронные связи в мозге вносят значительный вклад в обеспечение когнитивной деятельности.

Однако структура мозга не полностью определяет его функции. Если бы это предположение было верным, наш мозг был бы вовлечен в бесконечную циклическую активность, без какой-либо способности к обучению или приспособлению к новым условиям. Вместо этого коннектомы создают основу для модуляции и координации активности разных популяций нейронов, обеспечивая тем самым временные и многообразные объединения для слаженной работы.