Пинель считал, что психические расстройства поражают людей, имеющих к ним наследственную предрасположенность и испытывающих чрезмерное общественное или психологическое давление. Его представления о психических болезнях были удивительно близки к современным.
Хотя Пинель оказал огромное моральное влияние на психиатрию, гуманизировав лечение пациентов, прогресса в понимании психических расстройств затем не было вплоть до начала XX века, когда великий немецкий психиатр Эмиль Крепелин основал современную научную психиатрию. Влияние Крепелина невозможно переоценить, и на страницах этой книги я снова и снова буду обращаться к его достижениям, поскольку они пронизывают все этапы истории неврологии и психиатрии.
Крепелин был современником Зигмунда Фрейда, однако если Фрейд полагал, что психические болезни хоть и локализуются в мозге, но приобретаются в ходе жизненного опыта – часто из-за травматических переживаний в раннем детстве, – то Крепелин усматривал в них биологическое происхождение, генетическую основу. Из этого он заключал, что психические заболевания можно отличать друг от друга так же, как и любые другие: наблюдая за их первыми проявлениями, клиническим течением и долгосрочными исходами. Это заключение сподвигло Крепелина выстроить современную систему классификации психических болезней, которой мы пользуемся по сей день.
Взглянуть на психические болезни с биологической точки зрения Крепелина вдохновили Пьер Поль Брока́ и Карл Ве́рнике – врачи, которые впервые продемонстрировали, что мы можем многое узнать о себе, изучая болезни мозга. Брока и Вернике обнаружили, что конкретные неврологические расстройства можно связать с конкретными областями мозга. Их прорывные исследования заложили фундамент современной науки о мозге, поскольку помогли понять, что психические функции, обеспечивающие нормальное поведение, тоже можно связать с конкретными областями мозга и их совокупностями.
В начале 1860-х Брока заметил у одного из своих пациентов – страдавшего сифилисом мужчины по фамилии Леборн – весьма любопытный дефект речи. Леборн прекрасно понимал речь, но не мог выражать свои мысли. Он понимал, что ему говорили, поскольку мог в точности выполнять указания, но всякий раз, когда он пытался заговорить сам, из его уст вырывалось лишь нечленораздельное бормотание. Его голосовые связки не были парализованы – он без труда напевал мелодии, – но его мысли почему-то не облекались в слова: он не мог ни говорить, ни писать.
После смерти Леборна Брока изучил его мозг, надеясь найти объяснение этому недугу. Он обнаружил в передней части левого полушария область, пораженную болезнью или травмой. Впоследствии Брока нашел еще восемь пациентов с такой же речевой патологией и выяснил, что у всех них повреждена одна и та же область в левой половине мозга, позже названная зоной Брока (рис. 1.1). На основании этого Брока сделал вывод, что за нашу способность к речи отвечает левое полушарие мозга, или его же словами: “Мы говорим левым полушарием”4.
В 1875 году Вернике наблюдал зеркальную картину дефекта Леборна. Один из его пациентов свободно владел речью, но не мог ее понимать. Если врач говорил ему “положить предмет А на предмет Б”, пациент терялся в догадках, о чем же его просят. Вернике связал дефицит понимания речи с повреждением задней части левого полушария, теперь известной как зона Вернике (рис. 1.1).
Он же выяснил, что такие сложные психические функции, как речь, нельзя локализовать в одной области мозга: они задействуют несколько взаимосвязанных областей. Подобные сети формируют нейронную “проводку” мозга. Вернике показал не только то, что за понимание и производство речи отвечают разные области мозга, но и то, что эти области связаны друг с другом дугообразным пучком. Информация, которую мы получаем при чтении, через глаза передается в зрительную кору, а информация, которую мы слышим, через уши поступает в слуховую кору. Затем информация из этих двух участков коры объединяется в зоне Вернике, где преобразуется в нейронный код[7] для понимания речи. Только после этого информация передается в зону Брока, позволяя нам выражать свои мысли (рис. 1.1).
Вернике предсказал, что однажды кто-нибудь выявит расстройство речи, вызванное разрывом связи между зонами Вернике и Брока. Так и оказалось: люди с поврежденным дугообразным пучком не испытывают трудностей с пониманием речи и изъяснением, однако эти функции осуществляются независимо. Это немного напоминает президентскую пресс-конференцию: информация поступает, информация выходит, но между первой и второй нет никакой логической связи.
Сегодня ученые считают, что и другие сложные когнитивные навыки требуют участия разных, но взаимосвязанных областей мозга.
Рис. 1.1. Анатомический путь понимания (зона Вернике) и производства (зона Брока) речи. Зоны связаны дугообразным пучком.
Хотя нейронная схема владения речью в итоге оказалась еще более сложной, чем полагали Брока и Вернике, их открытия стали основой для современных представлений о неврологии речи и даже о неврологических расстройствах. Сосредоточив внимание на локализации заболеваний (место, место и еще раз место!), Брока и Вернике обеспечили значительный прогресс в диагностике и лечении неврологических расстройств. Конечно, ущерб от неврологических болезней в мозге обычно хорошо заметен, и потому выявлять их гораздо проще, чем большинство психических расстройств, поражающих мозг гораздо деликатнее.
Стремление локализовать функции мозга резко набрало обороты в 1930–1940-х. В те годы прославленный канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд оперировал пациентов с эпилепсией, вызванной рубцеванием в мозге после травмы головы. Пенфилд пытался провоцировать у них ауру – особые ощущения, нередко предваряющие эпилептический приступ. Если это получалось, врач понимал, какой крошечный фрагмент мозга необходимо удалить, чтобы облегчить течение болезни, не нарушив важные функции вроде речи или способности двигаться.
Во время операции пациенты Пенфилда пребывали в сознании – в мозге нет рецепторов боли – и говорили ему, что ощущают, когда он стимулировал разные области их мозга. Проведя за несколько лет почти 400 операций, Пенфилд установил, какие зоны мозга отвечают за осязание, зрение, слух и движения разных частей тела. Его карты сенсорных и двигательных функций используются по сей день.
Но одно из открытий Пенфилда поистине поразительно. При стимуляции височной доли мозга – той его части, которая находится прямо над ухом, – пациент мог вдруг сказать: “Такое впечатление, что я о чем-то вспоминаю. Cлышу звуки, песни, фрагменты симфоний”. Или: “Я слышу колыбельную, которую пела мне мама”. Пенфилд задумался, можно ли локализовать столь сложный и таинственный психический процесс, как память, в конкретных областях мозга. В конце концов он сам и другие ученые пришли к выводу, что это вполне реально.
Нейроны: структурные единицы мозга
Открытия Брока и Вернике показали, где в мозге локализованы те или иные психические функции, но не объяснили, как мозг их выполняет. Врачи не смогли ответить на основополагающие вопросы: какова биологическая организация мозга и каковы принципы его работы?
Биологи уже установили, что тело состоит из отдельных клеток, но мозг казался иным. Изучая ткани мозга под микроскопом, они видели беспорядочные переплетения, у которых нельзя было вычленить ни начала, ни конца. Поэтому многие ученые представляли нервную систему единой, сплошной сетью из переплетенных волокон и сомневались в существовании отдельных нервных клеток.
Затем в 1873 году итальянский врач Камилло Гольджи совершил открытие, которое буквально перевернуло представления о мозге. Вводя в срезы мозга растворы дихромата калия и нитрата серебра, он наблюдал, как небольшая часть клеток – по причине, не установленной до сих пор, – вбирала в себя краситель и становилась черной: из непроглядного массива нервной ткани вдруг выступала изящная, элегантная структура отдельных нейронов (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Окрашивание по Гольджи
Первым ученым, который извлек пользу из открытия Гольджи, был молодой испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль. В конце XIX века он применил метод Гольджи к мозговым тканям новорожденных животных. Это был мудрый шаг: на ранних стадиях развития в мозге меньше нейронов и форма их проще, поэтому по сравнению с нейронами зрелого мозга рассматривать их легче. Окрашивая по Гольджи фрагменты недоразвитого мозга, Рамон-и-Кахаль получил возможность различать клетки и изучать их по отдельности.
Одни клетки напоминали развесистые кроны старых деревьев, другие увенчивались компактными “кустиками”, а “ветви” третьих, изогнувшись, устремлялись в невидимые области мозга – Рамон-и-Кахаль видел, что формы этих клеток значительно отличались от простых, строго определенных форм других клеток тела. Несмотря на такое поразительное многообразие нейронов, Кахаль установил, что у каждого из них есть четыре основных анатомических компонента (рис. 1.3): тело клетки, дендриты, аксон и пресинаптические терминали, которые оканчиваются тем, что мы сейчас называем синапсами. Основной компонент нейрона – это тело, которое содержит ядро (хранилище генов клетки) и бо́льшую часть цитоплазмы. Многочисленные тонкие отростки клетки, напоминающие небольшие ветки дерева, – это дендриты. Они получают информацию от других нервных клеток. Единственный толстый отросток называется аксоном. Он передает информацию в другие клетки, при этом его длина может достигать целого метра. На конце аксона находятся пресинаптические терминали, которые формируют синапсы с дендритами клеток-мишеней и передают им информацию через узкий зазор, называемый синаптической щелью. Мишенями могут быть соседние клетки, клетки из других областей мозга или даже мышечные клетки на периферии тела.
Рис. 1.3. Строение нейрона
Рис. 1.4. Четыре принципа нейронной доктрины Рамон-и-Кахаля
В конце концов Рамон-и-Кахаль объединил всю эту информацию в теорию, которая теперь называется нейронной доктриной (рис. 1.4). Ее составляют четыре принципа. Первый гласит, что каждый нейрон представляет собой отдельный элемент, который служит основной структурной и сигнальной единицей мозга. Второй – что нейроны взаимодействуют друг с другом только посредством синапсов. Таким образом они формируют сложные нейронные сети, которые позволяют им передавать информацию от одной клетки к другой. Третий принцип постулирует, что нейроны образуют контакты лишь с избранными нейронами-мишенями, расположенными в определенных местах. Такая специфичность контактов объясняет поразительно точное функционирование сетей, предназначенных для выполнения сложнейших задач вроде восприятия, деятельности и мышления. Четвертый принцип вытекает из первых трех и гласит, что информация движется лишь в одном направлении – от дендритов к телу клетки, от тела к аксону, от аксона к синапсу. Теперь эту направленность информационного потока в мозге мы называем принципом динамической поляризации.
То, что Рамон-и-Кахаль, изучая под микроскопом ограниченные множества нейронов, сумел представить, как работает вся нервная система, можно назвать экстраординарным проявлением научной интуиции. В 1906 году Гольджи и Рамон-и-Кахалю присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине: Гольджи – за его метод окраски, а Кахалю – за выяснение с помощью этого метода принципов строения и работы нейронов. Поразительно, но сделанные Рамон-и-Кахалем в 1900 году выводы считаются верными и по сей день.
Тайный язык нейронов
Чтобы обрабатывать информацию и тем самым определять поведение организма, нейроны должны взаимодействовать с другими нейронами и остальными клетками тела. Это необходимое условие для правильной работы мозга. Но как же нейроны разговаривают друг с другом? Ответить на этот вопрос удалось не сразу.
Эдгар Эдриан, пионер электрофизиологических исследований нервной системы и нобелевский лауреат 1932 года по физиологии и медицине, в 1928 году обнажил один из множества малых нервов – пучков аксонов – в шее пребывающего под наркозом кролика. Затем он удалил из нерва все аксоны, кроме двух-трех, и подключил электрод к оставшимся. Всякий раз, когда кролик делал вдох, Эдриан наблюдал всплеск электрической активности. Подключив к электроду громкоговоритель, он услышал частые щелчки, напоминающие передачу кода Морзе. Эти щелчки были электрическим сигналом, потенциалом действия, фундаментальным элементом нейронного общения. Эдриан слушал язык нейронов… Но что генерировало потенциалы действия, которые слушал Эдриан? Внутренняя поверхность мембраны, окутывающей нейрон вместе с его аксоном, заряжена относительно внешней поверхности отрицательно. Слабый отрицательный заряд возникает из-за неравномерного распределения ионов – электрически заряженных атомов – по поверхностям клеточной мембраны. В итоге каждый нейрон представляет собой крошечную батарейку, запасающую электричество, которое можно высвободить в любой момент.
Когда нейрон возбуждается – под действием фотона, звуковой волны или других нейронов, – на его поверхности открываются микроскопические ворота, называемые ионными каналами, которые позволяют ионам перемещаться через мембрану в ту или иную сторону[8]. Свободный ток ионов изменяет электрическую полярность клеточной мембраны, обращая заряд внутри нейрона с отрицательного на положительный и высвобождая электрическую энергию нейрона.
Быстрая разрядка заставляет нейрон генерировать потенциал действия. Этот электрический сигнал стремительно распространяется по нейрону, от тела клетки к кончику аксона. Когда ученые говорят, что нейроны какой-то области мозга активны, они имеют в виду, что эти нейроны “стреляют” потенциалами действия. Все, что мы видим, слышим, осязаем и думаем, начинается с крошечных всплесков электрической активности, прокатывающихся с одного конца нейрона до другого.
Далее Эдриан записал электрические сигналы отдельных аксонов зрительного нерва жабы. Он усилил сигналы таким образом, чтобы их в виде двухмерного графика смогла отобразить одна из ранних моделей осциллографа. Так Эдриан открыл, что потенциалы действия отдельно взятого нейрона довольно стабильны по величине, форме и продолжительности – это всегда одинаково небольшие всплески напряжения. Эдриан также обнаружил, что нейрон отвечает на стимулы по принципу “всё или ничего”: либо генерирует полномасштабный потенциал действия, либо не генерирует никакого. Единожды возникнув, потенциал действия без ослабления проходит от дендритов принимающей клетки к ее телу, а затем по аксону до синапса. Довольно любопытно наблюдать за этим, скажем, у жирафа, чьи нейроны протягивают свои аксоны на несколько метров – от спинного мозга к мышцам стоп.
Поскольку потенциалы действия – это события из разряда “всё или ничего”, возникает два интересных вопроса. Во-первых, как нейрон, реагирующий на сенсорные стимулы, сообщает об их интенсивности? Как он отличает легкое касание от сильного удара, а приглушенный свет от яркого? Во-вторых, используют ли нейроны, передающие информацию от разных органов чувств – зрения, осязания, вкуса, обоняния и слуха, – разные типы сигналов?
Эдриан обнаружил, что нейрон сообщает об интенсивности стимула, меняя не силу или продолжительность потенциалов действия, а частоту их генерации. Слабый стимул заставляет клетку дать лишь несколько редких “залпов”, тогда как сильный провоцирует “стрельбу” высокочастотными очередями. Более того, Эдриан научился определять длительность стимуляции по продолжительности генерации потенциалов действия (рис. 1.5).