Хотя Гейдж и выздоровел физически, скоро стало ясно, что травма изменила его личность. Прежний уравновешенный, дружелюбный, энергичный, трудолюбивый уважаемый всеми человек стал трудно сдерживаемым, нерешительным, несговорчивым и «отчаянным сквернословом». Это был, как говорили его друзья, совершенно другой человек. История Гейджа показывает, что особенности нашей личности и эмоции связаны с функционированием определенных областей мозга. Повреждение лобной доли коры головного мозга привело к неуместному поведению Гейджа и к потере социальных тормозов.
Другим несчастным, чей недуг приоткрыл завесу тайны над локализацией различных функциональных областей мозга, был месье Леборн, который не мог говорить и произносил только слово «тан», когда Поль Брока осматривал его в 1861 г. Вскоре после этого Леборн скончался, и вскрытие показало, что небольшая область левого полушария его головного мозга была повреждена. Эта часть мозга, увековеченная как область Брока, отвечает за управление речевой функцией. Несколько лет спустя Карл Вернике нашел несколько человек, страдающих другим расстройством речи: они, хотя и могли ясно и бегло произносить слова, говорили бессвязно, их фразы представляли собой бессмысленный поток слов, однако структура предложений была более-менее правильной, например: «Я не могу говорить все, что я делаю, и часть части я могу идти как надо, но я не могу отличить других людей». Сейчас мы знаем, где находится область мозга, участвующая в управлении речью. Область Вернике находится на некотором отдалении от области Брока ближе к задней части мозга.
Для большинства целей левое и правое полушария нашего мозга симметричны. Речевой центр, однако, находится в основном в левом полушарии. Нарушение кровообращения левого полушария может, таким образом, привести к параличу правой половины тела и к потере речи. В то же время нарушение кровообращения правого полушария приводит к параличу левой половины тела, но очень незначительно затрагивает речь. Удивительно, но люди с повреждением области Брока могут спеть слова, которые они не в состоянии произнести, — по всей видимости, пением управляет совершенно другая часть мозга. Внешнее стимулирование как инструмент исследования
Другим способом определения, какую функцию выполняет та или иная область мозга, является прямое стимулирование слабым электрическим током. Одним из первых, кто стал систематически пользоваться этим способом, был Эдуард Гитциг. В середине 1800-х гг. он экспериментировал на прусских солдатах, у которых в результате ранения был раздроблен череп и часть мозга оказывалась обнаженной. Гитциг заметил, что воздействие слабым электрическим током непосредственно на мозг вызывает непроизвольное сокращение мышц. Позднее эксперименты на собаках показали, что небольшой участок коры, который сейчас называют двигательной областью коры головного мозга, управляет движениями определенных частей тела.
Аналогичным образом были локализованы области коры, которые отвечают за восприятие звуков, зрительных образов, а также за осязание. На верхней части головного мозга находится соматосенсорная система. Здесь сигналы, поступающие от рецепторов в коже, организуются таким образом, что один и тот же участок кожи связывается с одной и той же областью мозга: голени, стопы, пальцы рук и пальцы ног связаны со своими собственными частями мозга. Более чувствительным частям тела, таким как губы, пальцы и гениталии, соответствуют более крупные области мозга с более значительным числом нейронов, чем менее чувствительным частям, например пояснице. Аналогичным образом сигналы от каждой части поля зрения глаз поступают к своему участку зрительного центра коры в задней части мозга, а звуки распределяются в соответствии с частотой в слуховой зоне коры головного мозга. На самом деле похоже, что для каждого чувства в мозге создаются несколько подобных карт: в мозге, как в хорошей машине, может предусматриваться дублирование. Информация, однако, не поступает в центры обработки напрямую, она проходит через множество ретрансляционных станций и в значительной мере обрабатывается по пути.
Возможность вызывать ощущение и действие простым стимулированием определенной области мозга имеет очень большую клиническую значимость. Она нередко используется при проведении операций на мозге, поскольку позволяет убедиться, например, в том, что хирург, удаляющий опухоль, иссекает нужный участок и ничего больше. Во время такой операции пациент находится в сознании и может сказать, что он чувствует: операция безболезненна по той причине, что в мозге нет болевых рецепторов, чувствительность болевых волокон в коже, покрывающей череп, подавляют с помощью местной анестезии. Подобные операции также дают полезную информацию о том, где находятся центры памяти и обработки слов. Мозговые волны
Поначалу к исследованию мозга подходили во многом подобно маленькому ребенку, разбирающему новую заводную игрушку, чтобы посмотреть, как она устроена. Позднее появились неинвазивные методы изучения работы мозга, которые позволяют просто наблюдать за происходящим с помощью регистрации активности мозга.
Первым из таких методов стала электроэнцефалограмма (ЭЭГ), т.е. запись мозговых волн. Если электрическую активность клеток сердца можно зарегистрировать с помощью электродов, прикрепляемых к грудной клетке, то происходящее в мозге можно записать через множество электродов, прикрепляемых к черепу с помощью электропроводного геля. Электроды воспринимают ничтожные изменения напряжения, возникающие в результате активности миллионов нервных клеток в поверхностном слое мозга. Мозговые волны выглядят как колебания напряжения, частота и амплитуда которого непрерывно меняется в зависимости от того, какие области мозга проявляют активность, а какие переходят в состояние покоя. ЭЭГ сложнее снять, чем электрокардиограмму, и намного труднее расшифровать. Это немного смахивает на попытку получить представление о сложных взаимоотношениях между людьми в большом городе, прослушивая одновременно все их телефонные разговоры: несколько не связанных друг с другом разговоров ни о чем не говорят, а когда их количество огромно, выделить отдельные разговоры становится невозможно.
Это означает, что ЭЭГ имеет довольно ограниченную ценность как исследовательский инструмент. Тем не менее она все же дает некоторое представление о том, что делает мозг, и особенно полезна при исследованиях сна и приступов эпилепсии, во время которых происходит заметное изменение ЭЭГ. Первая ЭЭГ была снята в 1924 г. Гансом Бергером, однако лишь несколько лет спустя ее клиническая ценность стала очевидной, когда заметили, что эпилептический припадок сопровождается очень значительным усилением активности мозга — фактически «электрическим землетрясением». Позднее выяснилось, что ЭЭГ можно использовать не только для регистрации приступа, но и для выяснения его происхождения.
ЭЭГ применяется также для контроля глубины анестезии и для того, чтобы определить, умер человек или он находится в коме. В большинстве стран смерть определяется как прекращение электрической активности мозга, и юридически человек считается умершим, когда исчезают мозговые волны, хотя остальные клетки могут сохранять жизнедеятельность еще долго после этого. Такое определение не только разумно, но очень важно для трансплантации органов. Оно означает, что сокращения сердца умершего, а вместе с ним и жизнь большинства органов можно поддерживать искусственно, сохраняя их для трансплантации и спасения другого человека. Наблюдение за работой мозга
В последние десятилетия новые средства визуализации значительно расширили наши возможности по изучению живого мозга. Сканирование позволяет глубоко заглянуть в мозг и дает намного более качественную картину происходящего в разных областях, чем ЭЭГ. В отличие от ЭЭГ при сканировании не происходит прямой регистрации электрической активности мозга. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), например, обеспечивает регистрацию кровотока в мозге, а позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метаболическую активность клеток головного мозга. Оба эти метода считаются связанными с электрической активностью мозга, поскольку повышение активности нервной клетки сопровождается ростом потребления энергии и, следовательно, усилением обмена веществ. Нервные клетки не имеют внутренних запасов питательных веществ, и поэтому, чем выше их активность, тем больше глюкозы должна доставлять к ним кровь. В результате приток крови к активизировавшейся области мозга тоже повышается.
Функциональная магнитно-резонансная томография является ценным инструментом изучения работы мозга, поскольку этот метод можно применять для обследования добровольцев, находящихся в сознании. Он показал, как меняется характер электрической активности мозга во время сна, при анестезии, при эпилепсии и при выполнении обыденных задач вроде обучения, запоминания, разговора и даже обдумывания. Простое сканирование мозга человека, когда ему задают вопросы, показывают картинки или просят подумать о чем-нибудь, позволяет идентифицировать активную область мозга. Попросите кого-нибудь подумать об игре в теннис, и поступление крови к двигательной области коры головного мозга возрастет при мысли о взятии свечи или о сильной подаче. Области Брока и Вернике включаются, когда вы говорите, подтверждая то, что было обнаружено при обследовании больных с поврежденным мозгом, а центры удовольствия резко активизируются, когда курильщик думает о сигарете.
В последние десятилетия новые средства визуализации значительно расширили наши возможности по изучению живого мозга. Сканирование позволяет глубоко заглянуть в мозг и дает намного более качественную картину происходящего в разных областях, чем ЭЭГ. В отличие от ЭЭГ при сканировании не происходит прямой регистрации электрической активности мозга. Функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), например, обеспечивает регистрацию кровотока в мозге, а позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) — метаболическую активность клеток головного мозга. Оба эти метода считаются связанными с электрической активностью мозга, поскольку повышение активности нервной клетки сопровождается ростом потребления энергии и, следовательно, усилением обмена веществ. Нервные клетки не имеют внутренних запасов питательных веществ, и поэтому, чем выше их активность, тем больше глюкозы должна доставлять к ним кровь. В результате приток крови к активизировавшейся области мозга тоже повышается.
Функциональная магнитно-резонансная томография является ценным инструментом изучения работы мозга, поскольку этот метод можно применять для обследования добровольцев, находящихся в сознании. Он показал, как меняется характер электрической активности мозга во время сна, при анестезии, при эпилепсии и при выполнении обыденных задач вроде обучения, запоминания, разговора и даже обдумывания. Простое сканирование мозга человека, когда ему задают вопросы, показывают картинки или просят подумать о чем-нибудь, позволяет идентифицировать активную область мозга. Попросите кого-нибудь подумать об игре в теннис, и поступление крови к двигательной области коры головного мозга возрастет при мысли о взятии свечи или о сильной подаче. Области Брока и Вернике включаются, когда вы говорите, подтверждая то, что было обнаружено при обследовании больных с поврежденным мозгом, а центры удовольствия резко активизируются, когда курильщик думает о сигарете.
Технология сканирования мозга изменила наши представления о работе мозга и том, что мы думаем о самих себе. Однако не следует забывать, что даже самая маленькая область мозга, которую позволяет различить сканирование, содержит многие сотни или тысячи нейронов и регистрируется (косвенно) лишь их суммарная активность. Поэтому существует огромный разрыв между нашими глубокими и детальными знаниями о том, что происходит на уровне отдельной нервной клетки, и представлениями о взаимосвязанной работе нервных клеток, порождающей электрическую активность мозга.
МРТ- и ПЭТ-сканеры являются также бесценными диагностическими инструментами в клинической практике. Они позволяют выявлять поврежденные области мозга, опухоли и участки мозга, с которыми связаны эпилептические припадки. В случае операции наличие детальной картины с точным расположением проблемного участка и его связями с ключевыми областями мозга снижает вероятность побочных повреждений.
Не так давно группа ученых из Кембриджского и Льежского университетов показала, что можно связываться с мозгом людей напрямую, если просто попросить мысленно ответить на заданный вопрос «да» или «нет», а потом проанализировать томограмму. Не то чтобы можно определить, думает ли человек «да» или «нет», но если вас приглашают поиграть в теннис и вы соглашаетесь, то можно зарегистрировать реакцию двигательной области коры вашего мозга, а если вам предлагают показать, где находится ваш дом, а вы не хотите этого делать, то возбуждается совсем другая область мозга. Локализация активности мозга настолько характерна, что даже неопытный наблюдатель может идентифицировать ответ испытуемого почти со 100%-ной точностью. Хотя такая возможность общаться с кем-нибудь кажется довольно фантастической, еще более невероятным является тот факт, что четыре из 23 больных в устойчивом вегетативном состоянии могут давать правильные ответы на вопросы при условии, конечно, что они сохранили по крайней мере минимальное сознание и способность слышать, но полностью отрезаны от мира в результате абсолютной неподвижности и отсутствия возможности даже моргать. Как мозг видит
Исследования ясно показывают, что разные области мозга специализируются на разных функциях. Загадка заключается в том, как мозг кодирует и обрабатывает информацию и как разные части мозга взаимодействуют друг с другом. Хотя мы очень далеки от полного понимания этих процессов, в последние полвека достигнут значительный прогресс. Возьмем для примера зрение.
Зрение — это результат взаимодействия между глазами и мозгом, поскольку для чувственного восприятия одних органов чувств недостаточно. Откройте глаза, и вы увидите трехмерный цветной мир, однако на сетчатке реально формируется бесцветное, искаженное и перевернутое изображение, которое она преобразует в мириады электрических сигналов. Они в определенной мере обрабатываются в глазу, а затем передаются через зрительный нерв в мозг, различные области которого выполняют роль ретрансляционных и обрабатывающих станций. В конечном итоге информация в виде электрических импульсов поступает в зрительный центр коры головного мозга, находящийся в затылочной части.
Здесь электрические сигналы объединяются, формируются зрительные образы, здесь же происходит их осмысление. Нервные клетки, которые реагируют на один и тот же тип зрительных сигналов, сосредоточены в одной и той же части зрительного центра коры головного мозга. Разные нейроны выполняют разные задачи. Одни нервные клетки, по-видимому, специализируются на детектировании движения, другие активируются, только когда в поле зрения оказывается лицо человека, а третьи, называемые зеркальными нейронами, возбуждаются, когда выполняется определенное действие и при наблюдении, как это действие выполняется другими. После распознавания зрительного образа сигналы поступают в миндалевидное тело — эмоциональный центр мозга, где оценивается значимость этого образа. Кто к вам приближается — любимый человек или грабитель? Или это автобус, которого вы ждете? А может быть, вы просто любуетесь красивым пейзажем?
Вы должны затем решить, требует ли то, что вы видите, какого-либо действия. С этой целью сигналы посылаются в префронтальную кору, исполнительную область мозга, где принимается решение, например, помахать рукой, чтобы остановить автобус. В этом случае сигналы направляются в двигательную область коры, которая приводит в действие необходимые мышцы руки. Таким образом, сигналы, поступающие от глаз через зрительный нерв, приводят к генерированию шквала сложных сообщений, которые мгновенно передаются из одной части мозга в другую и обратно. Не забывайте, что мы еще не коснулись того, как зрительная информация интегрируется с информацией от других органов чувств и как складывается всеобъемлющая чувственная картина мира или как эта картина остается в памяти.
Глазам, конечно, нельзя полностью доверять. Мы не всегда видим именно то, что нам кажется, как показывает множество оптических иллюзий. Этот эффект используют многие художники. Зрительное восприятие ненадежно в силу того, как наш мозг обрабатывает информацию. Мы непрерывно предсказываем мир, предполагаем, например, куда отскочит мяч в игре, чтобы поймать его до того, как он коснется земли. Когда модели, которые мы конструируем в голове и по отношению к которым мы оцениваем чувственную информацию, не соответствуют реальности, возникают иллюзии. В левой части рисунка, приведенного далее, мы видим несуществующий треугольник, поскольку наш мозг подсознательно дорисовывает отсутствующие линии. В центре рисунка в соответствии с законами перспективы железнодорожное полотно сужается с удалением, и в результате нам кажется, что светлые полоски имеют разный размер, даже если кто-то говорит, что они одинаковы. На рисунке в правой части мы можем видеть либо два лица, либо подсвечник, но не то и другое одновременно. Понятно, что изображение не меняется, — это просто наш мозг так интерпретирует его. Как показывают такие иллюзии, наше восприятие реальности является результатом совместной деятельности мозга и органов чувств.
Это особенно легко продемонстрировать на примере цветного зрения. Белая бумага выглядит белой даже при желтом свете, поскольку мы привыкли к тому, что она белая. Удивительные картины Патрика Херона показывают, что мы судим о цветах в зависимости от окружения, в котором они находятся. Тот же желтый, например, выглядит иначе, когда находится рядом с другими цветами. Древние художники пользовались этим феноменом, чтобы создать иллюзию цвета, для которого не было подходящей краски (например, для розовато-лилового цвета). Мы можем даже видеть цвет, которого нет: черно-белое изображение кажется цветным, когда его быстро вращают. А если нарушается кровоснабжение зрительного центра коры головного мозга, то мир становится серым — такое иногда случается с боксерами после травм головы.