Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека
Шрифт:
В историческом отношении корни этой теории могут восходить к немецкому физику Герману фон Гельмгольцу (1821–1894), который считал, что восприятие является ничем другим, как проверкой гипотез. По его мнению, мозг в той или иной мере действует как ученый, который выдвигает гипотезу (модель) и проверяет эмпирическим (посредством познания через органы чувств) путем ее состоятельность посредством контролируемого эксперимента. Так, например, когда я встречаю какого-нибудь человека, то делаю выводы о его намерениях по отношению ко мне, наблюдая за его лицом и мимикой. У него неприступное выражение лица и он нахмурил брови? По всей видимости, я ему малосимпатичен. Он широко улыбается? Скорее всего, он будет вести себя довольно доброжелательно по отношению ко мне… Взаимодействуя с человеком, я проведу эксперимент, результаты которого подтвердят или опровергнут эту гипотезу, или позволят мне скорректировать
Так что хотя наш мозг и не является «самым сложным объектом во Вселенной», тем не менее он наделен мощной силой: благодаря только что описанным процессам, он минимизирует неприятные сюрпризы и возможные риски, возникающие в повседневной жизни.
Глава 2
Краеугольные камни мозга
В 1906 году итальянец Камилло Гольджи и испанец Сантьяго Рамон-и-Кахаль стали лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине, разделив ее за работы по структуре нервной системы. Разумеется, оба ученых были на седьмом небе от счастья, но Гольджи вызвал всеобщее удивление во время своего выступления на церемонии вручения: вместо того чтобы признать вклад Кахаля, он подверг резкой критике теорию коллеги, чтобы защитить свою собственную теорию, которая между тем уже устарела. Какая же муха его укусила?
Давно известно, что все биологические ткани (печень, почки, легкие и так далее) состоят из клеток, имеющих ядро и окруженных мембраной. Между тем мозг продолжал сбивать с толку ученых: с помощью микроскопа можно было разглядеть не эти пресловутые клетки, а хаотичное и непонятное нагромождение волокон и ядер. После многих лет упорной работы Гольджи в одиночку разработал так называемую «черную реакцию» – метод окрашивания отдельных клеток с использованием нитрата серебра, позволяющий получить представление о структуре нервной ткани. В отличие от обычных красителей, проникающих во все клетки, нитрат серебра пропитывал только небольшую часть нервных клеток (от 1 % до 5 %) по причинам, которые до настоящего времени все еще остаются неразгаданными. Некоторые окрашенные клетки резко выделялись среди других, которые оставались невидимыми. В результате Гольджи удалось добиться отличного изображения нервных клеток (рисунок 7).
На этих изображениях представлены темные скопления со странными отростками. Гольджи не догадался о то, что это отдельные клетки; он думал, что их отростки сливаются в непрерывную сетку, образуя единое целое с несколькими ядрами, – так называемый синцитий. Вот эту ошибочную теорию он и защищал в Стокгольме на вручении Нобелевской премии. Что касается Кахаля, то он понял, что нервные клетки были отдельными образованиями: он пришел к этому выводу в 1880-е годы, изучая метод, открытый Гольджи, что и привело Нобелевский комитет к решению о присуждении премии обоим ученым. Вскоре после наблюдений Кахаля эти клетки получили название «нейроны».
7. Изображение, сделанное с помощью окрашивания Гольджи. На иллюстрации представлены клеточные тела, центральная часть нейрона, получающие информацию дендриты (разветвленные волокна вокруг ядра) и аксон (длинный вертикальный отросток), который передает эту информацию
Диалог клеток
Сегодня мы знаем о нейронах гораздо больше. Одним из фундаментальных их свойств является способность вступать в контакты между собой посредством отростков, дендритов и аксонов. Подобно ветвям дерева, дендриты нейрона разветвляются вокруг центральной части, которая называется клеточным телом, с целью установления контакта с другими нервными клетками и получения от них информации. Другой отросток, который называется аксоном, передает затем эту информацию другим нейронам. Речь идет об открытом Кахалем законе «динамической поляризации»: информационный поток проходит только в одном направлении от одного полюса нейрона (один из его дендритов или клеточное тело) к другому (аксону), откуда он передается другим нейронам (рисунок 8). Место контакта между двумя нейронами называется синапсом.
Длина аксонов доходит до нескольких сантиметров, что в масштабах клетки является огромными размерами. Этот показатель даже может достигать длины один метр в случае с аксонами, управляющими работой мышц, – они идут от головного мозга к спинному мозгу. Аксоны часто собираются в большие пучки и образуют таким образом настоящие «автотрассы», обеспечивающие
8. Типичный синапс образуется между окончанием аксона и дендритом, клеточным телом или аксоном другого нейрона
Функционирование синапсов
На идущем сверху вниз срезе мозга человека видна типичная картина: сероватая кора с многочисленными извилинами, которая покрывает другие структуры, включая беловатый слой – так называемое «белое вещество» (рисунок 9). В то время как белое вещество состоит главным образом из пучков аксонов, кору мозга образуют клеточные тела и дендриты. У человека кора мозга объединяет приблизительно 16 миллиардов нейронов. Каждый нейрон устанавливает как минимум одну тысячу контактов с другими нейронами – поэтому число синапсов в мозге человека намного превышает общее число звезд в галактике Млечный Путь.
Как эти синапсы передают информацию? Давайте изучим обмен, который происходит между аксоном первого нейрона и дендритом второго нейрона. Окончание аксона и дендрит образуют между собой крошечное пространство в несколько десятков нанометров, которое называется синаптической щелью (рисунок 10).
9. Поперечное сечение головного мозга во фронтальной плоскости перпендикулярно его переднезадней оси. Видимые полости называются желудочками
10. Функционирование типичного синапса
В окончании аксона содержатся пузырьки, наполненные молекулами – нейромедиаторами (приблизительно 4 000 молекул в одном пузырьке). Когда электрический сигнал (потенциал действия) проходит через аксон и достигает его окончания, мембрана пузырьков сливается с мембраной нервного окончания, высвобождая нейромедиаторы в синаптическую щель. Это очень быстрый процесс: он продолжается приблизительно 0,6 миллисекунды. Высвободившиеся нейромедиаторы в синаптической щели вступают тогда в контакт с окончанием нейрона, получающего информацию. Часто речь идет о небольших мембранных выростах или дендритных шипиках, покрытых рецепторами, которые специфически подходят к нейромедиаторам – подобно тому, как замок подходит своему ключу. Эти молекулярные ключи открывают двери мембраны: поры, ионные каналы, позволяют ионам проходить через эту преграду. Проходящие через нейрон зараженные частицы (в основном ионы натрия и калия) меняют разность электрического потенциала между внутренней и внешней сторонами мембраны дендрита. Затем нейромедиаторы будут снова захвачены аксоном либо для повторного использования, либо они будут разрушены в синаптической щели.
Между возбуждением и торможением
Какую роль играет впоследствии эта разность потенциала на уровне постсинаптического нейрона (нейрон, к которому приходит сигнал)?
Одни нейромедиаторы, известные как возбуждающие типа глутаминовой кислоты, способствуют уменьшению разности потенциала (деполяризация); другие нейромедиаторы, известные как блокирующие типа гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), приводят к ее увеличению (гиперполяризация). Нейрон является не только ретранслятором сигнала, передаваемого через синапс, – он постоянно суммирует поступающие на его дендриты сигналы, чтобы «решить», будет ли он передавать в свою очередь разность потенциала действия дальше или нет. Когда разность потенциала падает ниже порогового уровня через несколько синапсов, то нейрон отправляет потенциал действия через свой собственный аксон и процесс начинается сначала: второй нейрон передает сигнал третьему нейрону и т. д. От одного синапса к другому нейроны образуют таким образом функциональные соединения с другими нейронами. В постоянном взаимодействии нейромедиаторов и электрических сигналов они получают и передают данные по мозговым цепям, размер которых варьируется от нескольких клеток до крупных сетей, полностью охватывающих весь мозг.