Что известно сегодня науке о структуре и работе мозга?
Современные морфологические и физиологические исследования мозга все больше убеждают специалистов в том, что функциональной деятельности центральной нервной системы, а также ее структуре присущи две формы организации: одна - стабильная, генетически закрепленная, другая - подвижная, динамичная, эволюционирующая.
Подобная изменчивость структурной и функциональной организации мозга обнаруживается и подтверждается благодаря тонким аналитическим методам, быстро совершенствующимся в последние годы на базе новейших достижений физики, химии, электронной и вычислительной техники. С помощью этих методов удалось выявить удивительные особенности микромира мозга, проникнуть в тончайшие детали его конструкции и функций. Достаточно сказать, что исследования, проводимые в нашем институте и некоторых других учреждениях, позволяют вести анализ сложных мозговых процессов на субмолекулярном уровне - регистрировать мембранные и синаптические реакции.
Но чтобы лучше понять суть и смысл новых идей в познании мозга, вероятно, необходимо хотя бы бегло ознакомиться со строением этого удивительного и сложнейшего творения природы.
Мозг состоит из многих миллионов нервных клеток - нейронов. Они связаны между собой многочисленными отростками, образующими фиксированные контакты,- синапсами («синапс» по-гречески «застежка»). Нервная клетка с оканчивающимися на ней и на ее ответвлениях синапсами представляет собой универсальную, фантастическую химическую лабораторию - столь совершенны реакции, происходящие в ее недрах, столь избирательны к химическим веществам ее синапсические ансамбли.
Синапсы и нейроны действуют в целом посредством распространения по нервной ткани мозга электрических потенциалов. Успех в изучении элементарных механизмов возникновения и передачи этих потенциалов позволил раскрыть наиболее общие закономерности деятельности нервных единиц. Можно предполагать, что изменения активности синапсов как бы записываются на белковых молекулах цитоплазмы нейронов. По мере поступления новых порций возбуждения эти записи как бы считываются в теле нейрона. Не исключено, что именно этот механизм лежит в основе способности каждой отдельной нервной клетки к элементарному запоминанию...
Основных форм нервных клеток всего три. Их называют пирамидальными, звездчатыми и веретенообразными нейронами. Все физико-химические процессы в структурах мозга достаточно стабильны. И тем не менее деятельность мозга необычайно разнообразна и многогранна. Объясняется это, как выяснилось в ходе многолетних наблюдений и экспериментов, особой организацией нейронов и проводящих путей. Новая наука, анализирующая общие принципы «устройства» мозга, получила название «цитоархитектоника». Она изучает, если сильно упростить, основной «скелет» строения мозга. Выявляет только тела нервных клеток, не касаясь расположения отростков, одни из которых (аксоны) несут возбуждение от клеток, в то время как другие (дендриты) собирают основную информацию, поступающую к клеткам.
Уже немало сделано для определения законов структурной организации мозга. Созданы карты-руководства и атласы по клеточному строению коры больших полушарий и подкорковых образований. Эти карты показывают плотность и характер распределения нервных клеток, закономерную упорядоченность их расположения, позволяют классифицировать наиболее важные образования мозга, например, разделить кору больших полушарий на области и поля, уточнить «географию» нижележащих нейронных структур, связанных с обеспечением жизненно важных функций.
Важным шагом в развитии морфологии мозга стало изучение информационных каналов нейронов: анализ взаимоположения аксонов и дендритов, их распространения. Строение дендритов, количество и распределение их ветвей, законы расположения аксонов одних систем клеток и дендритов других систем - чрезвычайно важный показатель «архитектуры» отдельных образований мозга. Особенно интересно выяснить, как организованы синапсы в различных структурах и системах мозга, то есть в аппаратах, где происходит таинство передачи возбуждения с одной нервной клетки на другие. Синапсоархитектоника позволила установить динамичный, изменчивый характер связей между нервными клетками, зависящий от различных воздействий и функциональной нагрузки. Например, при длительной стимуляции мелькающим светом у животных может увеличиваться число синапсов в образованиях зрительной системы, в то время как при содержании животных месяцами в полной темноте число таких синапсов уменьшается. У крысы, запертой в лабиринте и научившейся находить дорогу к кормушке, увеличивается число контактов в двигательных структурах коры больших полушарий. Другими словами, данные синапсоархитектоники позволяют утверждать, что реорганизация, связанная с новообразованием и ослаблением связей между нейронами, является одним из важнейших механизмов адаптации, обучения и, по-видимому, памяти.
Однако процесс образования новых связей не беспределен, он имеет определенные границы. В какой мере и как воздействовать на реорганизацию резервов мозга? Когда мы сможем ответить точно на этот вопрос, мы сможем и сделать работу мозга более эффективной. Естественно, это требует чрезвычайной осторожности. Надо быть абсолютно уверенными в безопасности для мозга искусственного форсирования резервных возможностей по образованию новых связей между нейронами. Ведь эти связи непосредственно зависят, как мы теперь знаем, от роста тончайших разветвлений аксонов и дендритов, что, в свою очередь, зависит от способности клеток синтезировать белок и от их энергетического обмена. Слишком большая или длительная нагрузка может привести к срыву внутриклеточных механизмов синтеза белка, что вызовет серьезное заболевание этих клеток и нарушит функциональную организацию той системы, в которой эти клетки действуют.
Есть и еще один аспект, которым никак нельзя пренебречь. Образование новых синапсов может создать не только полезные и нужные для организма формы связей, но и такие, что изменяют нормальную работу мозга, приобретают характер болезнетворных процессов. Так, в лаборатории ультраструктуры мозга нашего института получены данные, на основе которых можно заключить, что при некоторых стойких нарушениях психики меняется архитектоника синапсов.
Весьма важным открытием явилось и то, что не все типы синапсов способны меняться в равной степени. Часть их пластична, а часть стабильна и в определенной мере генетически обусловлена. Причем разные по типу, они оказывают и неравномерное по силе воздействие на нейрон. Результаты свето- и электронно-микроскопических исследований позволили выдвинуть гипотезу о структурной основе различной информативности синапсов. Это позволяет практической медицине анализировать развитие заболеваний мозга. А науке о мозге гипотеза дает возможность показать, как функциональные или реактивные изменения нервных клеток превращаются в необратимые закрепленные в структуре, а также выделить некоторые системы связей, имеющие особое значение в обеспечении работы того или иного образования мозга. Это прежде всего относится к коре больших полушарий, выполняющей наиболее сложные, комплексные функции.
Можно ли объединить сведения, полученные о клеточной структуре и, возможно, о функциях отдельных из миллиардов «звездочек» нервных клеток и синапсов, то есть о цито- и синапсоархитектонике, со структурой и функциями «звездных скоплений» и «галактик» - ведь именно они как поврозь, так и в совокупности в основном объединяют то, что мы называем «поведением», «сознанием», «памятью»?
- Это исключительно важный для науки вопрос. В самом деле: каким образом из сотен тысяч и миллионов однообразно повторяющихся единиц возникают стройные ансамбли мозговой конструкции, каждому из которых присуща индивидуальность? Многолетние исследования самыми современными методами с помощью специальных оптико-электронных и вычислительных устройств, а также бесчисленные эксперименты на животных приблизили нас к его решению.
Прежде всего речь идет об основных принципах организации того или иного ансамбля, закономерном соотношении одних типов нейронов с другими. Сформулированные принципы нейронной организации и проводящих путей различных систем и отделов мозга позволили нам с новых позиций подойти к проблеме проведения нервного возбуждения как в высших структурах мозга, так и между высшими и нижележащими уровнями его. Электронно-микроскопические методы и приемы синапсоархитектоники позволили перевести исследования синапсов на макромолекулярную ступень. Эти работы еще только начинаются, но о некоторых достижениях уже можно говорить. Узловым вопросом межцентральных взаимоотношений - связей между различными образованиями мозга - был и остается вопрос о взаимодействии отделов коры между собой и с подкорковыми системами. Именно это взаимодействие определяет целостность деятельности мозга.
В решении этого вопроса неоценимы сравнительное морфологическое изучение мозга животных, постижение аналогов тех функций, которые составляют основу мозга человека.
Я уже упомянул вначале о двух формах организации структур или систем мозга - стабильной, генетически закрепленной, и динамичной, эволюционирующей.
Неврология давно уже выделяет в мозге системы, получившие название проекционные и ассоциативные. Проекционные (они еще известны как сенсорные или анализаторные) в эволюционном отношении достаточно древние образования, хотя и среди них можно выделить более старые, идущие из внутренних органов, например от сердца, почек, и более молодые - телецентивные, обеспечивающие слух, зрение, обоняние. Вообще же проекционные системы ответственны в первую очередь за восприятие, анализ и динамическую переработку таких возбуждений, которые позволяют различать, скажем, цвет, контуры, звуки, вкус, запахи, источник боли.
Ассоциативные системы - более поздние образования эволюции. Они обеспечивают в первую очередь анализ и синтез различных поступающих в мозг возбуждений, перегруппировку их и объединение в новый, более сложный информативный комплекс. Это служит основой таких сложных акций, как восприятие и узнавание.
В нашем институте в последние годы выделены еще и так называемые интегративно-пусковые системы мозговой организации. Примером их могут служить некоторые части новой коры с мощными выходами к конечным и исполнительным аппаратам нервной системы - мозгового ствола и спинного мозга, что позволяет возбуждению в минимально короткие сроки достигать эти аппараты и реализовывать ответное приспособительное поведение.
Естественно, выделенные три категории крупных систем не могут исчерпать всей сложности мозговых конструкций и их деятельности. Они не только относительны, но и схематичны. Тем не менее с их помощью легче воссоздавать и конструировать как частные, так и общие картины функционирования «вместилища разума», прослеживать пути и переплетения реакций от отдельных клеток до их ансамблей, от ансамблей до систем.
Вот, скажем, способность предвидеть, предусматривать, рассуждать. Это - достижение ума. Одно из высших проявлений психики человека. Но, оказывается, способность «предвидеть» свойственна не только людям. Еще Ч. Дарвин с определенностью утверждал, что животные обладают в некоторой степени «рассуждающей способностью». На общий характер различных форм рассудочной деятельности у человека и животных указывал в свое время и Ф. Энгельс.
Значительную часть территории коры мозга у человека и высших млекопитающих занимают системы, назначение которых нельзя свести к какой-то одной акции (например, зрению, слуху, обонянию, движению). К таким особенно бурно развивающимся ассоциативным системам принадлежат лобная, теменная и отчасти височная области коры, особенно сильно прогрессировавшие у человека и связанные с его способностью к абстрактному мышлению, выделению себя из окружающего мира, умению сознательно его переделывать. Эти способности возникли на основе трудовой деятельности и присущи только обладателям членораздельной речи.
Тем не менее одним из поздних и совершенных приобретений эволюции млекопитающих стало развитие лобных отделов мозга. Правда, если у человека поверхность этих отделов занимает более одной пятой площади всей коры: 20 - 25 процентов, то у кошек она составляет всего три с небольшим процента, у собак около восьми, зато у представителей обезьян - 12 - 14 процентов. Функции этой области мозга весьма многообразны. При поражении этих отделов у человека нарушается программирование произвольных движений, формирование высших потребностей и намерений, расстраивается механизм самоконтроля за своими действиями. Наряду с клиническими исследованиями поражений головного мозга у людей огромную ценность представляют эксперименты на мозге животных. Здесь можно создавать модели с точным, зависящим от целей экспериментатора местом, характером и объемом повреждения мозговой ткани. Изучение степени участия тех или иных структур и систем мозга в поведении различных животных позволяет лучше понять, как развивались эти структуры в процессе эволюции и какова их роль в тех или иных аспектах реакций организма на поступающую информацию.
Как в нашей стране, так и за рубежом с помощью разнообразных методик условных рефлексов проведены многочисленные исследования функций лобных областей у различных животных. Оказалось, что после операции, называемой лобоэктомией, то есть при удалении лобных долей, происходит резкое нарушение внутреннего, вырабатываемого в течение жизни, торможения. Животные либо надолго теряют способность различать раздражители, сопровождаемые пищей, от неподкрепленных кормом сигналов, либо у них нарушается процесс временного исчезновения условного рефлекса. Физиологи считают, что происходит расстройство краткосрочной памяти, то есть памяти на недавние события. В этой связи стоит заметить, что в клинической практике при контузиях или других повреждениях мозга прежде всего страдает память о недавних событиях, в то время как образы и картины прошлого зачастую хорошо сохраняются.
Вообще, на основе комплексных исследований можно считать, что, за лобной частью человека и большинства высокоорганизованных млекопитающих сохраняется существенная общая особенность - участие в прогнозировании будущей деятельности и оценке ее результатов, особенно при внезапном изменении отношений между предметами и явлениями в новой обстановке. Вместе с тем чрезвычайное усложнение и увеличение лобных отделов мозга человека вызвало качественные сдвиги в их функционировании. Эти структуры, наряду с другими образованиями, участвуют в абстрактном мышлении, трудовой деятельности, членораздельной речи, обеспечивая те особенности поведения человека, которых нет ни у одного из животных.
Выяснено также, что новая кора, и прежде всего высшие ее отделы, у здорового человека регулирует и подавляет некоторые физиологические и эмоциональные побуждения и даже потребности, связанные с глубинными, более древними структурами мозга. Причем чем выше развито существо, тем сильнее у него процессы торможения и самоконтроля. Поэтому можно решительно утверждать, что любые теории «природной агрессивности», «торжества слепых сил» в поведении людей, направленные на оправдание войн и агрессии, попросту антинаучны и спекулятивны.
Современные морфофизиологические и нейрохимические исследования макро- и микросистем мозга ставят целью поиск средств направленного воздействия на процессы формирования и перестройки межцентральных связей мозга, чтобы стимулировать его развитие в процессах обучения и защищать от заболеваний и расстройств. Перспективным путем к цели является дальнейший анализ общих особенностей конструкций и деятельности как больших систем, так и составляющих их ансамблей из отдельных клеток. И здесь ключ к успеху скрыт в тайне удивительной вариабельности, взаимозаменяемости как больших, так и малых систем. Разнообразие микросистем в составе макросистемы, как можно сегодня судить, является основой индивидуальности. Ученые нашего института четко показали, что структура мозга каждого человека так же уникальна, как рисунок кожи пальцев, как почерк и голос.
Как же примирить эти сведения и многочисленные другие данные об изменчивом участии разных мозговых ансамблей в тех или иных видах деятельности с генетической предопределенностью структурной организации системы в целом? Не значит ли это, что представления о локализации функций устарели?
- Анализ полученных результатов показывает, что никакого противоречия нет. Различия между разными системами относительны: каждая из них обусловливает поведенческую реакцию прежде всего в соответствии со своим основным функциональным предназначением.
С другой стороны, функциональная изменчивость той или иной системы мозга основана на интимных метаморфозах структуры нервных и соединительных элементов, а также капилляров. Исследования нашего института показывают, что такие изменения носят избирательный характер, обеспечивая соответствующую функцию. Это приподнимает завесу над тонкими структурными и молекулярными механизмами организации и компенсации функций живого организма не только в болезненном, но и в нормальном состоянии.
Пока нам еще не ясно, какие законы управляют вариабельностью систем, насколько широки ее границы. Здесь на помощь исследователю должны прийти количественные методы изучения с помощью оптико-электронных устройств, которые дадут возможность установить различные критерии упорядоченности клеточной и синаптической организации мозга, особенно тех, которые наиболее тесно связаны с целенаправленной деятельностью, речью, сложными формами движения. Задача эта нелегка, поскольку сложность мозга трудно даже представить. Это удивительно изменчивое образование, в котором структуры, обеспечивающие функции, постоянно перестраиваются в зависимости от предыдущего опыта, потребностей организма, физических свойств раздражителя и многого другого.
В нашем институте создана концепция о функциональной многозначности различных образований мозга: та или иная его структура, особенно тесно связанная с какой-либо функцией, например зрением, движением, слухом, может в то же время участвовать в реализации других видов деятельности. Но это не значит, что любая структура может участвовать в любых функциях. Это лишь подчеркивает развитие идей советских ученых о динамической локализации функций, о том, что при повреждении мозга, особенно в детском возрасте, нарушенные функции его могут быть скомпенсированы за счет других.
Каков предел этих компенсаторных возможностей и чем их можно стимулировать - вот одно из актуальнейших направлений сегодняшних теоретических исследований, столь необходимое практике.
В наши дни мозг изучается как на клеточном и молекулярном, так и на целостном уровнях. Не сомневаюсь, что исследователи недалекого будущего, разложив деятельность мозга до уровня молекулярной активности и объединив ее до целостного состояния, осуществят тем самым предсказание знаменитого русского физиолога И. П. Павлова о том, что придет час, когда материалистический анализ охватит величественными математическими формулами всю высшую нервную деятельность человека.
Человеческий мозг - высшая известная нам ступень развития материи. Теперь он познает сам себя, чтобы сделать человека могущественнее и счастливее.
