Информация от органов чувств поступает через чувствительные нервы в виде электрических импульсов в головной мозг. Таким образом, прямая стимуляция чувствительных нервов, минуя органы чувств, должна вызывать соответствующие ощущения. Это очень наглядно продемонстрировал Исаак Ньютон в середине 1660-х гг. Он пишет, что при надавливании небольшой тупой иглой на область между глазным яблоком и задней частью глазной впадины «появляется несколько белых, темных и цветных кругов». Впрочем, в столь опасном эксперименте нет необходимости, цветные круги можно увидеть, легонько надавив на закрытое веко. Надавливание стимулирует сетчатку и, таким образом, зрительный нерв, и мы воспринимаем его как свет. Прямое стимулирование электрическим током той области мозга, которая отвечает за зрение, оказывает такое же действие даже у слепых.
Ньютон также отмечает: «Круги становились наиболее отчетливыми, когда я массировал глаз кончиком тупой иглы, а когда глаз и игла были неподвижными, хотя надавливание не прекращалось, круги бледнели и нередко исчезали до того момента, пока глаз или игла не начинали двигаться». Как вы теперь понимаете, общим свойством нервной системы является постепенное ослабевание реакции на постоянно действующий раздражитель. Мы запрограммированы так, что сильнее всего реагируем на изменения в окружающей среде и перестаем обращать внимание на то, что не меняется. Такая способность дает очевидное эволюционное преимущество.
Чувственное восприятие затем передается в виде электрических сигналов. Это мозг интерпретирует шквал нервных импульсов и определяет — исходя из того, откуда они пришли, — что они означают. Когда мозг перестает обращать внимание на входящие сигналы, мы можем смотреть на мир, но ничего не видеть, а когда сигналы конфликтуют, возникают иллюзии. Мозг работает не просто как приемник, он может настраивать чувствительность наших органов чувств и модифицировать информацию, которую они получают. Наше восприятие зрительных образов, звуков, запахов и т.д., таким образом, является результатом двухстороннего взаимодействия органов чувств и мозга. Перейдем теперь к тому, какую роль наш мозг играет в этой пляске чувств, как модифицирует и обрабатывает разрозненную информацию, поступающую от органов чувств, как объединяет ее для получения полной чувственной картины мира. Для этого нам нужно сначала понять, как мозг связан с органами чувств.
Глава 10 Все связано
Люди должны знать это от мозга, только в мозгу рождаются наслаждение, радость, смех и шутки, а также наши печали, боль, скорбь и слезы. С его помощью мы, в частности, думаем, видим, слышим, отличаем уродливое от красивого, хорошее от плохого, приятное от неприятного.
Гиппократ. Трактат «О священной болезни»
Здравствуйте! Я рада встрече с вами, и мне особенно приятно, что вы добрались до этого места. Надеюсь, что вам было интересно читать. Или вы просто взяли эту книгу и она случайно открылась на этой странице? Как бы то ни было, задумайтесь на мгновение о том, насколько удивительно то, что я могу так легко общаться с вами через пространство и время. Сделать это мне позволяет огромное число таинственных электрических чудес, происходящих в вашем мозге.
Когда вы читаете (или слышите) мои слова, чувствительные клетки глаз или ушей воспринимают информацию, которую несет свет или звук, и преобразуют ее в электрические сигналы. Но это только начало процесса — информация затем преобразуется в химический сигнал и вновь в электрический однократно или много раз, пока она дойдет от органа чувств до мозга. И информация, которая сначала была разбита на небольшие удобоваримые фрагменты, потом обрабатывается и вновь объединяется в несколько сенсорных карт в поверхностных слоях мозга. Еще более удивительно то, что такая информация — распределение электрических сигналов, проскакивающих по вашим нервным клеткам, — интерпретируется как язык, а дополнительный набор электрических разрядов позволяет распознать слова и понять, что я имею в виду. Если вам нравится, что я говорю, вы можете улыбнуться. А если вы не понимаете меня или считаете мои слова пустыми, то можете чувствовать раздражение и даже (надеюсь, до этого не дойдет) скуку. Это тоже эмоции, вызываемые моими словами, результат химических всплесков в вашем мозге, стимулирующих еще больше нервных клеток. Но самое поразительное, самое невероятное заключается в том, что личность, разговаривающая, пишущая эти слова, — да и ваша личность тоже — заключена в небольшом комке желеобразной массы, которая умещается в пригоршне, весит не более полутора килограмм и называется мозг. Мы электрические создания, вы и я, и представляем собой всего лишь невероятно сложную и непрерывно изменяющуюся совокупность электрических и химических сигналов. Маленькие серые клеточки
Наш мозг — одно из самых сложных устройств на планете. В нем около 100 млрд нервных клеток, и каждая из них связана с многими тысячами других. Это триллионы соединительных линий — их столько же, сколько во всех телефонных системах земного шара вместе взятых, и слишком много, чтобы полностью осознать. Однако мозг — это не просто огромная масса взаимосвязанных нервных клеток, это высокоорганизованная структура, разные части которой специализированы и нацелены на выполнение разных задач.
Самой важной областью мозга — той, что отвечает за наши мыслительные процессы и действия, — является передний или большой мозг. На него приходится примерно 80% массы человеческого мозга, и он разделен на два зеркальных полушария, каждое из которых взаимодействует в основном с одной стороной тела. По неизвестным причинам каналы связи в нем располагаются крест-накрест: нервы от левой стороны тела идут к правому полушарию, а от правой стороны — к левому. Полушария связаны друг с другом мозолистым телом, информационной супермагистралью мозга: перережьте ее, и вы не сможете сказать, что находится в левой половине поля зрения, поскольку ее образ формируется в правой части мозга, а речь обрабатывается в левой части.
На поперечном разрезе мозга человека представлены его основные области.
Наружный слой переднего мозга, так называемая кора головного мозга, образован тонким слоем нервных клеток, имеющим множество складок, которые увеличивают площадь поверхности. Кроме того, складки позволяют более полно использовать внутричерепное пространство. Складчатая структура мозга делает его похожим на ядро грецкого ореха. Именно этот слой клеток толщиной четыре миллиметра позволяет нам думать, осознанно совершать действия, чувствовать, обучаться и помнить, в нем существуют области, специализирующиеся на выполнении разных функций. Под внешней оболочкой из нервных клеток находятся нервные волокна, которые тянутся в разных направлениях и связывают нервные клетки коры друг с другом. Этих соединений так много, что кора головного мозга большую часть времени разговаривает сама с собой.
Под передним мозгом лежат области, которые участвуют в управлении эмоциями, в регулировании аппетита и сна и которые действуют как ретрансляционные узлы, обрабатывающие информацию от органов чувств и направляющие ее в кору головного мозга. Еще ниже, у основания мозга, находится стволовая часть, которая связывает верхние области головного мозга со спинным мозгом. Она управляет всеми нашими бессознательными действиями: здесь находятся центры, регулирующие дыхание, кровяное давление, частоту сердцебиений, пищеварение и т.д. Эти области могут жить и функционировать, даже когда нарушаются функции головного мозга более высокого уровня, такая патология известна как устойчивое вегетативное состояние, а людей, пребывающих в нем, нередко называют «овощами». Стволовая часть мозга имеет структуру, сходную с той, что есть у многих других живых существ, и она выполняет ту же роль — иногда ее даже называют рептильным мозгом.
В задней части мозга чуть выше стволовой части расположен мозжечок (или «малый мозг»), который помогает сохранять равновесие и координирует движения. Он участвует в выполнении сложных моторных задач, таких как катание на велосипеде, вождение автомобиля и исполнение заглавной партии в балете «Сильфида». Повредите его, и вы не сможете ходить нормально, а будете шататься как пьяный.
Главный герой многих повестей Агаты Кристи, детектив Эркюль Пуаро, очень гордился своими «маленькими серыми клеточками». Он называл их так потому, что, хотя живой мозг имеет розовато-коричневую окраску, заспиртованные нервные клетки становятся серыми, и их называют серым веществом. В то же время нервные волокна выглядят белыми в заспиртованном виде (из-за миелиновых оболочек), поэтому их называют белым веществом. Мозг, однако, состоит не только из нервных клеток. В нем почти столько же поддерживающих клеток, называемых глией, которые помогают ориентировать развивающиеся нервные клетки в нужном направлении, снабжают их питательными веществами, покрывают миелиновой оболочкой и защищают от инфекций. Деликатные ткани мозга окружены мембранами (оболочками головного мозга) и защищены черепом. В черепной коробке мозг плавает в море цереброспинальной жидкости, которая выполняет роль амортизатора и защищает мозг от повреждения при ударах головы точно так же, как околоплодная жидкость защищает ребенка в утробе матери.
Главный герой многих повестей Агаты Кристи, детектив Эркюль Пуаро, очень гордился своими «маленькими серыми клеточками». Он называл их так потому, что, хотя живой мозг имеет розовато-коричневую окраску, заспиртованные нервные клетки становятся серыми, и их называют серым веществом. В то же время нервные волокна выглядят белыми в заспиртованном виде (из-за миелиновых оболочек), поэтому их называют белым веществом. Мозг, однако, состоит не только из нервных клеток. В нем почти столько же поддерживающих клеток, называемых глией, которые помогают ориентировать развивающиеся нервные клетки в нужном направлении, снабжают их питательными веществами, покрывают миелиновой оболочкой и защищают от инфекций. Деликатные ткани мозга окружены мембранами (оболочками головного мозга) и защищены черепом. В черепной коробке мозг плавает в море цереброспинальной жидкости, которая выполняет роль амортизатора и защищает мозг от повреждения при ударах головы точно так же, как околоплодная жидкость защищает ребенка в утробе матери.
Мозг обильно снабжается кровью, и многие умирают, а еще больше людей становятся инвалидами в результате закупорки или разрыва кровеносных сосудов мозга, например при инсульте. Прекращение кровоснабжения в этом случае приводит к гибели прилегающих нервных клеток из-за недостатка кислорода и питательных веществ, а также накопления токсичных продуктов жизнедеятельности. Нервные клетки, однако, не имеют непосредственного контакта с кровью, их защищает гематоэнцефалический барьер. Он представляет собой слой клеток, выстилающих мельчайшие кровеносные сосуды и так плотно прижатых друг к другу, что они не допускают смешения крови и цереброспинальной жидкости. Гематоэнцефалический барьер — это надежная защита от токсичных веществ и возбудителей инфекции, таких как бактерии и вирусы, переносимые током крови.
Ствол головного мозга соединяется непосредственно со спинным мозгом. Когда вы хотите пошевелить пальцами рук и ног, сигналы головного мозга идут к их мышцам через спинной мозг и периферийные нервы. Нервы, которые выходят из спинного мозга в поясничной области и ниже, обслуживают мышцы ног; а те, что выходят из него в области шеи, передают сигналы рукам. Повреждение нервов спинного мозга ведет к прерыванию передачи электрических сигналов и к параличу или потере чувствительности, поскольку все, что находится ниже повреждения, перестает функционировать должным образом. Люди с повреждениями спинного мозга в средней части спины теряют способность ходить, но по-прежнему могут дышать и двигать руками. А при переломе шеи человек может потерять подвижность и чувствительность рук. Некоторые повреждения приводят даже к потере способности самостоятельно дышать.
Поврежденные нервные волокна головного и спинного мозга так и не восстанавливаются, и люди с такими повреждениями навсегда остаются инвалидами. Это было известно еще древним египтянам, которые указывали, что человек со «смещением шейных позвонков» не чувствует рук и ног и не поддается излечению. За прошедшие 3700 лет ничего не изменилось. Однако это не относится к периферическим нервам. Мой отец поранил пальцы и повредил их нервы, когда регулировал лезвие в старой газонокосилке. Его пальцы потеряли чувствительность, и это было страшным ударом для гончара. Но потом, примерно в течение года, чувствительность восстановилась — нервы отрастают очень медленно, менее чем на два миллиметра в день. Как увидеть отдельную клетку
Отдельные клетки головного мозга настолько крохотны, что их невозможно было увидеть до изобретения микроскопа. Но даже и после этого огромная масса переплетенных клеток мозга и нервных стволов не позволяла ясно разглядеть отдельные клетки без специального контрастного красителя. Именно такой краситель и создал Камилло Гольджи в 1871 г.
Гольджи работал врачом в психиатрической больнице в северной Италии, но его истинным увлечением было изучение анатомии головного мозга, которым он занимался на своей старой кухне, переоборудованной в лабораторию. После многочисленных проб и ошибок он обнаружил, что сочетание бихромата калия и нитрата серебра окрашивает произвольно отдельные нервные клетки, но зато целиком. Как ни парадоксально, самым главным в методе Гольджи является то, что он срабатывает исключительно редко, но благодаря этому окрашиваются лишь несколько клеток и появляется возможность разглядеть паутинообразную структуру отдельной клетки во всей ее красе со множеством тончайших дендритов и нитевидным аксоном.
Рисунок нейрона Пуркинье (А) и шарового нейрона (В) из мозга голубя, выполненный Сантьяго Рамоном-и-Кахалем в 1899 г. Клетки окрашены с помощью метода Камилло Гольджи. Небольшие «узелки» на дендритах — это дендритные шипики.
Выдающийся испанский анатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль впоследствии сделал ряд изумительно красивых рисунков нервных клеток, визуализированных с помощью метода окрашивания Гольджи. У него были способности к рисованию, и он поначалу хотел стать художником, но отец убедил его заняться медициной. В этом случае ему понадобились две профессии. Опираясь на свои наблюдения, Кахаль предположил, что каждая нервная клетка является самостоятельным образованием и физически отделена от соседних клеток. Это привело к спору с Гольджи, который думал иначе. Правым, в конце концов, оказался Кахаль.
Поскольку окрашивание серебром визуализирует в деталях очень небольшое число нейронов, оно не позволяет увидеть, как нейроны взаимосвязаны. Для этого нужно было как-то пометить соседние клетки другими цветами. Необходимый процесс разработали в 2007 г., когда появилась возможность, используя молекулярно-генетические методы, пометить нейроны разными цветами. По аналогии с экраном телевизора, где всего три цвета воспроизводят множество оттенков, три разные генетически кодируемые флуоресцентные краски окрасили мозг мыши в разные цвета. В одной из областей похожего на радугу мозга мыши можно было различить более 90 разных оттенков и, таким образом, проследить соединения между нейронами. Получился не просто научный результат, а настоящее произведение искусства. Как разобрать мозг на части
Получение представления о том, как устроен мозг, как информация перетекает из одной области в другую и как информация кодируется и обрабатывается, является одной из самых сложных задач неврологии. В электронных приборах, например в радиоприемниках, электрическая схема детально раскрывает все соединения между компонентами и дает представление о том, как по цепи передается информация. На нашей планете есть только одно живое существо, для которого составлена полная схема нервной системы, и это существо — микроскопический червь Caenorhabditis elegans, живущий в почве. Он является научной супермоделью, которая привлекает к себе больше глаз, чем проход манекенщиц по подиуму во время демонстрации последних новинок моды. Поскольку червь так мал, а его нервная система предельно проста, мы знаем каждую его нервную клетку и все их соединения. У него 302 нейрона, около 5000 химических синапсов, 600 электрических синапсов и 2000 нервно-мышечных соединений.
Невероятная сложность мозга человека и трудность идентификации отдельных соединений превращает создание аналогичной схемы для нашего мозга почти в неразрешимую проблему. Вдобавок такая схема у каждого человека своя, да еще и изменяется по мере того, как он приобретает новые навыки и опыт. Вместе с тем нельзя сказать, что мы совершенно не знаем, как наш мозг работает.
Предположение о том, что разные части мозга специализируются на выполнении конкретных функций, впервые выдвинул Франц Йозеф Галль в начале XIX в. После тщательного изучения черепов своих друзей, пациентов, обитателей местной психиатрической лечебницы и заключенных в тюрьме он пришел к выводу, что разные области мозга отвечают за разные проявления мыслительной деятельности, такие как отвага, осторожность, целеустремленность, остроумие и технические навыки, и что это отражается на размере и форме окружающего мозг черепа. Харизматический оратор, Галль разъезжал по всей Европе с публичными лекциями, пропагандирующими его идеи, и даже как-то раз выступил перед королевской семьей в Германии. Он также собрал коллекцию из 300 человеческих черепов и более сотни гипсовых слепков. Однако, несмотря на то, что френология, т.е. практика определения характера человека по бугоркам на его голове, на некоторое время вошла в моду, у нее не было научной основы.
Первые реальные представления о том, какую роль играют разные области мозга, были получены путем наблюдения за людьми, мозг которых был поврежден в результате травмы или болезни. Один из самых известных случаев был связан с человеком по имени Финеас Гейдж. Гейдж был бригадиром и 13 сентября 1848 г. руководил группой рабочих, занятых на строительстве железнодорожного полотна недалеко от города Кавендиш в штате Вермонт. Он занимался подготовкой взрыва большого валуна и с помощью стального прута (диаметром около трех сантиметров, длиной больше метра и весом порядка шести килограммов) утрамбовывал порох в просверленном отверстии. К несчастью, прут выбил искру при ударе о камень, порох воспламенился, и прут пронзил череп Гейджа. Он вошел в левую щеку, повредил глаз, вышел через макушку и, пролетев 25 метров, упал на землю. Гейдж «опрокинулся на спину, его конечности несколько раз конвульсивно дернулись», но, как ни удивительно, уже через несколько минут он разговаривал, смог сидеть в экипаже, на котором его везли в гостиницу, и даже прошел один лестничный пролет. Врач, который первым осматривал его, отказывался верить в произошедшее, пока Гейджа не стошнило и «от спазма из его головы не выплеснулось на пол примерно полчашки мозгового вещества». Второй врач, прибывший через полтора часа, нашел Гейджа в сознании, но отметил, что «он и вся его кровать были перепачканы запекшейся кровью».