Механизмы головного мозга, управляющие движением 3 страница
Хотя в настоящее время зрительная система является одной из лучше всего изученных частей мозга, нейробиологам еще далеко до понимания того, как происходит восприятие или опознание предметов. Правда, объем сведений, приобретенных за несколько лет, прошедших с момента создания микроэлектродов, позволяет думать, что такой отдел головного мозга, как кора больших полушарий, со временем будет доступен — во всяком случае в принципе — сравнительно простому объяснению.
На выходе нервной системы механизм, каким нейрон посылает импульс к мышечному волокну, в последнее время стал в основном понятен, и уже более 50 лет нам известны те части головного мозга, которые управляют движением. Однако, что именно делают в действительности эти структуры, когда человек движется или собирается двигаться, все еще во многом неизвестно. Изучение идет медленно главным образом потому, что исследовать произвольные движения надо у бодрствующих и хорошо обученных животных, тогда как изучать сенсорные системы можно у наркотизированных животных. Одно из основных усилий направлено сейчас на то, чтобы проследить за ходом моторного импульса от мотонейрона обратно к таким структурам, как моторная кора и мозжечок, с целью узнать, как на решение совершить движение влияют разные сигналы, идущие от входа нервной системы (см. статью Э. Эвартса).
На выходе важно не сокращение отдельного волокна, а координированное сокращение и одновременное расслабление многих мышц; например, при сжимании кисти в кулак или схватывании предмета недостаточно просто согнуть пальцы, сократив сгибатели в предплечье, - надо также сократить разгибатели, чтобы мышцы-сгибатели пальцев не согнули кисть. Это противодействующее разгибание кисти происходит автоматически, без размышлений (это можно проверить, сжав руку в кулак и почувствовав при этом, как сокращаются мышцы-разгибатели на наружной стороне предплечья).
|
|
|
Очевидно, что команда сжать кисть в кулак, идущая от головного мозга, включает в себя импульсацию клеток, удаленных на несколько переключений от выхода нервной системы, — клеток, аксоны которых распределяются по разным мотонейронам и тормозным нейронам, снабжающим в свою очередь все мышцы, участвующие в выполнении команды. При других движениях действуют другие цепи, в которые могут быть включены те же мышцы, но в других комбинациях.
Таким образом, не трудно представить себе ряд такого рода функций, осуществляемых нервной системой, особенно близ ее сенсорного и моторного кондов. Недостает сведений главным образом относительно обширной промежуточной области — лобная и теменная доли, лимбическая система, мозжечок и так далее, и так далее, — хотя об их анатомии известно немало. В некоторых случаях известна своего рода физиология основной схемы связей, например установлено, какими нейронами возбуждаются или тормозятся другие нейроны. Для мозжечка не только описана в деталях схема связей, но и ясно, какие синапсы возбудительные, а какие тормозные; для некоторых видов синапсов с достаточной степенью надежности химически идентифицированы медиаторы. Но как работает мозжечок, известно только самым неопределенным образом. Он несомненно участвует в регуляции движений, мышечного тонуса, равновесия, но как такие функции выполняются этой великолепно построенной, упорядоченной и фантастически сложной машиной, совершенно неизвестно.
|
|
|
На выходе нервная система активирует мышечное волокно по концевым аксонным веточкам мотонейрона. Эта микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа Б. Риз и Т. Ризом из Национального института инсульта, неврологических и коммуникативных нарушений. Одна концевая веточка лежит (в некоторых местах она отодвинута) в бороздке мышечного волокна. Нервное волокно в значительной части окружено оболочкой, образуемой шванновской клеткой, тело которой видно слева внизу. Бороздку пересекают узкие складки постсинаптической мышечной мембраны. Каждая складка примыкает к «активной зоне» нервного волокна; когда к синапсу приходит импульс из этой зоны через «окна» в оболочке, образованной шванновской клеткой, выделяется химический медиатор ацетилхолин. Молекулы ацетилхолина активируют рецепторы на мышечной мембране, вызывая таким образом мышечное сокращение.
|
|
|
По общему признанию, работать с мозжечком трудно; он образует водораздел между сенсорными и моторными процессами в совершенно незаполненной части приведенной на рисунке схемы. Виды сигналов, поступающих на его входы — специфическое значение импульсов, приходящих в мозжечок из коры больших полушарий, спинного мозга и так далее, — известны недостаточно; нейронные структуры, к которым направлены его выходы и которые в свою очередь связаны с мышцами, тоже мало изучены. По тем же причинам и другие части мозга в большинстве своем все еще мало понятны. Несмотря на методические успехи последних лет, крайне необходимы новые революционные методы. В качестве одного лишь примера можно указать, что сейчас не существует способа изучать сигналы отдельных клеток у человека, не вскрывая его черепа на операционном столе, последнее же совершенно недопустимо. Тем не менее достигнуты большие успехи в понимании некоторых высших функций человеческого мозга (см. Н. Гешвинд «Специализация человеческого мозга»), но чтобы действительно понять такую специально человеческую функцию, как речь, нужно разработать способы экстракраниальной регистрации активности отдельных нейронов.
|
|
|
Указать, как соединены между собой нейроны и как они работают в каждый данный момент — это лишь одна из конечных целей нейрофизиологии. Некоторые важные аспекты деятельности мозга лежат за этой гранью. Например, память и обучение безусловно представляют собой кумулятивные процессы, связанные с изменением во времени, а о механизмах, лежащих в их основе, известно еще очень мало.
Пожалуй, нейробиология особенно склонна к увлечениям, из-за которых порой она чуть не сходит с рельсов. Несколько лет тому назад возникла мысль, что следы памяти могут откладываться в форме крупных молекул, причем информация кодируется последовательностью мелких молекул подобно тому, как генетическая информация закодирована в ДНК. Мало кто, знакомый с высоко упорядоченной специфичностью связей в головном мозгу, принял эту идею всерьез, и тем не менее немало времени было потрачено во многих лабораториях на то, что животных обучали выполнению какой-либо задачи, затем растирали их мозг, а далее находили или химические отличия в их мозге, или «статистически значимое» усиление способности обучаться тем же задачам у животных, которым был введен экстракт мозга обученных животных. Увлечение это угасло, но факт тот, что не всегда нейробиология двигалась вперед или даже стояла на месте — временами она даже откатывалась назад.
В конечном счете изучение памяти, вероятно, будет касаться двух совсем разных ее компонентов. Первый компонент составляют изменения, которые вероятнее всего происходят в синапсах в результате многократного использования нейронных цепей. Например, возможно повышение эффективности одного синапса за счет других на той же клетке. Определенные комбинации стимулов, повторяясь, могут таким образом усиливать один из многих проводящих путей данной нейронной структуры.
Исследования такого плана трудно осуществимы на высших животных; их гораздо легче производить на малых системах нейронов, которые составляют полностью или частично нервную систему некоторых низших животных. В отдельные клетки этих животных удается легко ввести микроэлектрод, и, что еще важнее, такие клетки часто обладают индивидуальностью; говоря, например, о клетке №56 в определенном ганглии у рака, можно быть уверенным, что у всех других раков она занимает буквально то же положение и обладает теми же связями. (В этом глубокое различие между мозгом многих беспозвоночных и мозгом человека. Дать номер какому-нибудь нейрону в человеческом мозгу невозможно так же, как невозможно дать номер волосу на голове или поре на коже.)
Изящные опыты проводились на уровне отдельных нейронов у беспозвоночных при их обучении (см. Э. Кэндел «Малые системы нейронов»). Например, показано даже, что при выработке реакции или ее забывании у животного происходят доступные определению изменения в передаче сигналов через те или иные синапсы. Разумеется, обучение здесь простое, но, по-видимому, истинное. Снова и снова на беспозвоночных делались открытия, которые потом были распространены высшие формы. Поэтому маловероятно, что исследователи откажутся работать на таких животных, убоявшись насмешек начетчиков над невероятным звучанием таких тем, как «Решение задачи пиявкой».
Второй компонент, которым придется овладевать при изучении памяти, будет гораздо труднее. Все то, что человек помнит (в любом смысле этого слова, кроме самого рудиментарного), связано с восприятием или с движениями, или с жизненным опытом. Для проникновения в механизм памяти в любом истинном смысле нужно знать, что происходит, когда человек воспринимает, действует, думает и испытывает, для того чтобы понять, что из всего этого воспроизводится, когда он вспоминает что-то или чему-то научается. Из этих двух компонентов первый — синаптический — представляется мне сравнительно легким, а второй неимоверно трудным.
Понять работу мозга у взрослого животного — задача достаточно трудная; понять, как мозг становится мозгом, пожалуй, по меньшей мере так же трудно. Как развивается нервная система до и после рождения? Центральная задача состоит в том, чтобы раскрыть, как информация, закодированная в молекулах ДНК, трансформируется в связи между клетками внутри структур, в пространственные соотношения этих структур и связи между ними. Зрительный нерв, например, содержит около миллиона волокон, каждое из которых начинается в определенной точке маленького участка сетчатки. В свою очередь каждое волокно соединено в определенном порядке с плоским латеральным коленчатым телом в головном мозгу, и таким образом на коленчатом теле создается в известном смысле карта сетчатки. Каким образом во время развития волокна выходят из сетчатки, доходят до коленчатого тела и распределяются там с абсолютной топографической точностью? Такие же наборы связей, подобных проводам, смонтированные по своим особым схемам и соединяющие между собой топографически организованные области, имеются по всей нервной системе, а как собираются эти точные схемы, остается одной из важных неразрешенных проблем (см. У. Коуэн «Развитие мозга»).
Изучение развития мозга потенциально важно не только потому, что оно проливает свет на работу мозга, но и потому, что о многих нервных болезнях известно точно, а о многих предположительно, что они возникают в период развития. Сюда относится большинство врожденных аномалий, синдром Дауна, некоторые виды мышечной дистрофии, вероятно, некоторые обычные формы эпилепсии и множество более редких заболеваний.
Остается только гадать о том, сколько пройдет времени, пока можно будет сказать, что мозг — или разум — в общем и целом понят (снова эти расплывчатые слова). Еще недавно, в 1950 г., того, кто предсказал бы, что через 10 лет процессы, лежащие в основе жизни, будут разгаданы, — сочли бы оптимистом, если не чудаком, а между тем, так и случилось. Думаю, что понадобится гораздо более 10 лет, чтобы понять мозг, просто потому, что он так многогранен, — это шкатулка, до краев наполненная остроумными решениями огромного множества задач. Весьма возможно, что человеческие существа никогда не разгадают всех тех отдельных задач, которые задает им мозг. Но можно надеяться, что по мере того, как будут рассмотрены одна за другой все области мозга, станет все яснее и яснее, что функции мозга упорядочены и доступны уразумению в понятиях физики и химии, без привлечения непознаваемых, сверхестественных процессов (см. Ф. Крик «Мысли о мозге»).
На этом пути будут отдельные главные вехи. Например, может быть раскрыт некий единый механизм, посредством которого работает память (ее синаптический компонент), или некий единый процесс, который объясняет, как в процессе развития нервные волокна находят места свoero назначения. Однако это не значит, что в будущем в какой-то момент будет сделано открытие или ряд открытий, в результате которых мозг станет совершенно понятным. Исследования мозга прогрессируют медленно. Методические усовершенствования нескольких последних десятилетий заметно ускорили этот процесс, но, безусловно, не привели К каким-либо внезапным переворотам, подобно тем, какие были совершены Коперником, Ньютоном, Дарвином, Эйнштейном или Уотсоном и Криком.
Каждая из таких революций отличалась тем, что переводила какой-нибудь очень важный раздел проводимых человеком исследований природы в область рационального и экспериментального анализа, уводя его от сверхестественного. Если Коперник показал, что Земля не является центром мироздания, а Галилей увидел в небе не ангелов, а звезды и планеты; если Дарвин установил, что человек состоит в родстве со всеми остальными живыми существами; если Эйнштейн ввел новые представления о времени и пространстве, о массе и энергии; если Уотсон и Крик показали, что биологическая наследственность объяснима в физических и химических понятиях, то наряду с этими открытиями, сужающими границы сверхъестественного, главное, что еще остается науке решать, — это, очевидно, проблема мозга и то, представляет ли он собой нечто большее, чем чрезвычайно сложную великолепную машину.
Этот вопрос затрагивает само существо человека, и поэтому принципиальные изменения в наших взглядах на человеческий мозг не могут не оказывать глубокого влияния на наши взгляды на нас самих и на окружающий мир. Разумеется, такие достижения произведут значительное воздействие и на другие области исследования. Будут до некоторой степени захвачены те разделы философии, которые занимаются природой мышления и восприятия, а также, я полагаю, некоторые части психологии, которые пытаются получить ответы на подобные вопросы косвенным путем. Если будут открыты механизмы обучения и памяти, это отразится на всей области воспитания.
В нейробиологии революция истинно коперниковских или дарвиновских масштабов во всяком случае не совершится одним ударом, возможно, никогда не совершится, а если произойдет, то постепенно, в течение многих десятилетий. С каждым ее этапом человеческие существа, несомненно, будут все ближе к пониманию самих себя.
Ч. СТИВЕНС
Нейрон
Это отдельная нервная клетка, строительный блок мозга. Она передает нервные импульсы по единственному длинному волокну (аксону) и получает их по многочисленным коротким волокнам (дендритам)
Нейроны, или нервные клетки, являются строительными блоками мозга. Хотя они имеют те же самые гены, то же самое общее строение и тот же самый биохимический аппарат, что и другие клетки, они обладают и уникальными особенностями, которые делают функцию мозга совершенно отличной от функции, скажем печени. Важными особенностями нейронов являются характерная форма, способность наружной мембраны генерировать нервные импульсы и наличие уникальной структуры, синапса, служащего для передачи информации от одного нейрона другому.
Нейрон зрительной коры кошки, представленный на микрофотографии, был окрашен путем инъекции фермента — пероксидазы хрена. Тела нейронов, образующие фон, докрашены фуксином. Все волокна, отходящие от тела клетки, являются дендритами, получающими информацию от других нейронов. Передающее информацию волокно, аксон, намного тоньше и его нелегко увидеть при таком увеличении. Самое толстое волокно, направленное вертикально вверх, называют апикальным дендритом; в данный срез попала лишь небольшая его часть. При данном увеличении полная длина апикального дендрита должна составлять около 75 см. (Его ход можно проследить по соседним срезам.) При регистрации активности этой клетки у живой кошки обнаружено, что она реагирует на границу светлое-темное, идущую под углом 60° к вертикали. Благодаря его форме этот нейрон называют пирамидной клеткой. Это один из двух наиболее многочисленных типов нейронов в коре млекопитающих. Микрофотография получена Ч. Джильбертом и Т. Визелем из Гарвардской медицинской школы.
Полагают, что мозг человека состоит из 1011 нейронов: это приблизительно столько же, сколько звезд в нашей Галактике. Не найдется и двух нейронов, одинаковых по виду. Несмотря на это, их формы обычно укладываются в небольшое число широких категорий, и большинству нейронов присущи определенные структурные особенности, позволяющие выделить три области клетки: клеточное тело, дендриты и аксон. Тело содержит ядро и биохимический аппарат синтеза ферментов и других молекул, необходимых для жизнедеятельности клетки. Обычно тело нейрона имеет приблизительно сферическую или пирамидальную форму. Дендриты представляют собой тонкие трубчатые выросты, которые многократно делятся и образуют ветвистое дерево вокруг тела клетки. Они создают ту основную физическую поверхность, на которую поступают идущие к данному нейрону сигналы. Аксон тянется далеко от тела клетки и служит той линией связи, по которой сигналы, генерируемые в теле данной клетки, могут передаваться на большие расстояния в другие части мозга и остальной нервной системы. Аксон отличается от дендритов как по строению, так и по свойствам своей наружной мембраны. Большинство аксонов длиннее и тоньше дендритов и имеет отличный от них характер ветвления: если отростки дендритов в основном группируются вокруг клеточного тела, то отростки аксонов располагаются на конце волокна, в том месте, где аксон взаимодействует с другими нейронами.
Функционирование мозга связано с движением потоков информации по сложным цепям, состоящим из нейронных сетей. Информация передается от одной клетки к другой в специализированных местах контакта — синапсах. Типичный нейрон может иметь от 1000 до 10000 синапсов и получать информацию от 1000 других нейронов. Хотя в своем большинстве синапсы образуются между аксонами одной клетки и дендритами другой, существуют и иные типы синаптических контактов: между аксоном и аксоном, между дендритом и дендритом и между аксоном телом клетки.
Типичный нейрон позвоночного способен передавать нервные импульсы на значительные расстояния. У изображенного здесь нейрона все части увеличены пропорционально. Импульсы возникают в теле клетки и распространяются вдоль аксона, который имеет одну или несколько ветвей. Этот аксон, который для удобства изображен в виде гармошки, в действительности имеет в длину 1 см. Бывают аксоны длиной более 1 м. Конечные ветви аксона образуют синапсы более чем на 1000 других нейронов. Большинство синапсов связывает аксонные окончания одного нейрона с дендритами, образующими «дерево» вокруг клеточного тела другого нейрона. Таким образом, дендриты, окружающие нейрон на этой схеме, могли бы получать входные сигналы от десятков, сотен и даже тысяч других нейронов. Многие аксоны, такие, как этот, снабжены изолирующей миелиновой оболочкой, прерывающейся через определенные интервалы участками, называемыми перехватами Ранвье.
Тело нейрона содержит общий для всех клеток генетический материал и сложный метаболический аппарат. Однако в отличие от большинства других клеток нейроны после завершения эмбрионального периода не делятся; исходный их запас должен служить в течение всей жизни организма. От тела клетки отходит несколько дендритов и один аксон. Тело клетки и дендриты покрыты синапсами — бляшкообразными структурами, через которые поступает информация от других нейронов. Митохондрии снабжают клетку энергией. Белки синтезируются на эндоплазматическом ретикулуме. Транспортная система перемещает белки и другие вещества от тела клетки к тем местам, где они требуются.
В области синапса аксон обычно расширяется, образуя на конце пре-синаптическую бляшку, которая является передающей информацию поверхностью контакта. Концевая бляшка содержит мелкие сферические образования, называемые синаптическими пузырьками, каждый из которых содержит несколько тысяч молекул химического медиатора. По прибытии в пресинаптическое окончание нервного импульса некоторые из пузырьков выбрасывают свое содержимое в узкую щель, отделяющую бляшку от мембраны дендрита другой клетки, предназначенного для приема таких химических сигналов. Таким образом, информация передается от одного нейрона другому с помощью некоторого посредника, или медиатора. Импульсация нейрона отражает активацию воздействующими нейронами сотен синапсов. Некоторые синапсы являются возбуждающими, т. е. они способствуют генерации импульсов, тогда как другие — тормозные — способны аннулировать действие сигналов, которые в их отсутствие могли бы возбудить разряд нейрона.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 85; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!