Мозг против мозга. Mind vs brain

Глава 1. Думающий «грецкий орех» Научный взгляд на извилины

Надо сказать, что, в отличие от остальных органов, мозг наиболее загадочен уже с первого взгляда. Если взять автомат Калашникова или простой автомобиль, то даже человеку, не знакомому с техникой («физиологией машин»), нетрудно, во-первых, определить их назначение; во-вторых, понять функциональную роль каждой детали. Однако если взять современный навороченный автомобиль или современное оружие, то там появляются элементы, которые выглядят просто ящичками. Что они делают – неясно. Это приборы управления, бортовые компьютеры. Если вскрыть корпус компьютера («трепанация»), то появятся еще ящички, открыв которые мы ничего механически понятного не увидим: кристаллы и проводники.

Так и с мозгом. Несмотря на невероятную сложность физиологии почки, печени и других органов, в общем понятно, для чего они существуют и как работают. А заглянув под черепную коробку, можно увидеть лишь слабо пульсирующую субстанцию, пронизанную сосудами. Можно также заметить, что мозг состоит из двух симметричных полушарий. Дальше мы обнаружим деление на глубокие структуры и покрывающую их кору, образующую извилины и борозды. Однако понять, опираясь на эти наблюдения, даже простейшие принципы работы мозга совершенно невозможно.

Как же, с помощью каких методов исследователям удалось в определенной степени сложить из отдельных деталей картину (или по крайней мере нарисовать эскиз)? Это была чрезвычайно кропотливая и сложная работа. Каждый, кто распутывал «бороду» из лески на спиннинге или моток шерсти, знает, как это непросто. А теперь представьте себе, что нервная клетка (нейрон) состоит из тела клетки (сомы) и длинного отростка (аксона), уходящего вдаль (рис. 5). И вот все эти аксоны перепутаны. Их по меньшей мере 10 миллиардов. Ничего себе клубочек!

Клубок этот начали распутывать еще древние. Марк Твен был прав, когда говорил, что знания, которыми не обладали древние, были огромны, но и знания, которыми они обладали, были немалыми. В царствование Птолемея I Лагосского (IV–III вв. до н. э.) было разрешено вскрывать трупы и даже исследовать анатомию живых преступников. Врач Герофил именно на основе этих исследований пришел к выводу, что головной мозг представляет собой орган мышления и является центром нервной системы. В труде «Анатомика» он подробно описал нервную систему, показал, что спинной мозг является продолжением головного, описал части головного мозга, его оболочки и желудочки. Он считал, что движения связаны с нервами, а параличи вызваны нарушениями в их работе.

Рис. 5. Строение нейрона: 1 – дендрит; 2 – ядро; 3 – клеточное тело (сома); 4 – аксон; 5 – миелиновая оболочка

К сожалению, в Средние века практически полное главенство захватила концепция действительно величайшего ученого Античности Аристотеля. Это сыграло отрицательную роль в развитии науки вообще и науки о мозге в частности. В то время преобладало пренебрежение опытом и возвышение логики. Так, исходя из логики, Аристотель считал, что у женщин меньше зубов, чем у мужчин. Даже будучи дважды женатым, он не удосужился пересчитать у своих жен зубы. Однако учение и философия Аристотеля столь огромны и запутаны в многочисленных комментариях, что в этой книге я не буду его приводить. А логику человеческого организма мы не понимаем до сих пор.

Прошло два тысячелетия, прежде чем догадки Герофила и его последователя Галена утвердились в умах европейских ученых. Немного позднее врач-исследователь Эразистрат из Кеоса (около 300–240 гг. до н. э.) развил исследования Герофила. Он также проводил вскрытия, на основе которых описал макроскопическое строение головного мозга, в том числе – мозговые извилины, отверстия между третьим и боковыми желудочками, мембрану, отделяющую мозжечок от мозга. Он обнаружил двигательные и чувствительные нервы. Кстати, именно он впервые ввел термины «мозг» и «мозжечок» (1)[1], «паренхима» (2), «плетора» (3), «булимия» (буквально – «бычий голод») (4), «анастомоз» (5) (точнее, «synanastomosis»; приставку «syn» позднее отбросил Гален), «артерия». Эразистрат (рис. 6) обратил внимание на извилины коры мозга, связав их количество с умственным превосходством человека над животными. Он впервые создал психофизиологическую концепцию механизма сознания, согласно которой душа располагается в желудочках мозга, и кровь, проходя сквозь мозг, соприкасается с душой и «вырабатывает» сознание.

Рис. 6. Портрет Эразистрата (Дидье Декуэн, 1860). Эразистрату принадлежит первая в истории попытка сформулировать психофизиологическую концепцию механизма сознания: душа (пневма) располагается в желудочках мозга, самым главным из которых является четвертый

Гиппократ (рис. 7) считал, что в мозгу имеется три желудочка, каждый из которых занят обеспечением конкретного вида деятельности. Провидение гения: интеллект он «разместил» в переднем желудочке, то есть во фронтальной коре (рис. 8), куда его «помещают» и по сей день.

Рис. 7. Гиппократ (ок. 460 до н. э. – ок. 370 до н. э.). Крупнейший врач эпохи Античности, прозванный «отцом медицины»

Рис. 8. Модель трех желудочков Гиппократа. В переднем желудочке – интеллект

Скорее всего, представления древних о роли мозга связаны с тем, что функции остальных органов были более или менее понятны (сердце – насос и т. п.). С другой стороны, наблюдения показывали, что повреждение именно мозга приводило к расстройствам психики. Кстати, именно это соображение и, конечно, боевые раны привели к развитию нейрохирургии у древних. Пластинками закрывали травмы черепа, и наоборот, для выпускания «злого духа» в черепе сверлили отверстия. Последнее уже в чистом виде можно назвать психохирургией. Несмотря на общий уровень медицины того времени, археологи находят черепа людей, не только выживших, но и долго проживших после таких операций (рис. 9, 10).

Рис. 9. Трепанация черепа в эпоху неолита (археологические находки, Южная Америка)

Рис. 10. Трепанация черепа в эпоху Средневековья (иллюстрация из медицинской рукописи, Франция, XIV век)

В XVII веке Декарт (1596–1650), задаваясь вопросами о том, как «животные духи», содержащиеся в нервах и мышцах, обеспечивают управление организмом, как мозг регулирует бодрствование и сон, как внешний мир с его разнообразием звуков, цветов, запахов воздействует на ощущения и влияет на мир идей, по сути, предложил идею рефлекса. Разделяя понятия тела и разума, он пытался решить проблему их соотношения, то есть психофизиологическую проблему, и предложил эпифиз (6) на роль вместилища души.

Однако, пожалуй, первой научной гипотезой обеспечения мозгом психической деятельности – не психологической, а именно физиологической гипотезой, основанной на анализе работы мозга, – была многократно высмеянная френология (7). Основателем ее был Франц Йозеф Галль (1758–1828) – австрийский врач и анатом (рис. 11).

Рис. 11. Франц Йозеф Галль (1757–1828) – австрийский врач и анатом, основатель френологии – учения о взаимосвязи между психикой человека и строением поверхности его черепа

В ее основе лежит здравая мысль о том, что определенные функции обеспечивают конкретные участки мозга. По сути, такое направление современных нейронаук, как картирование мозга, основано на развитии этой гипотезы (рис. 12). Строго говоря, локализационизм (так называется это направление по-научному) в чистом виде не прошел проверку временем, так же как и холизм (представление, что весь мозг занимается каждой из задач), и сегодня говорят скорее о системном подходе. То есть каждая функция обеспечивается не одним участком, а распределенной системой. (Об этом чуть позже.) Однако двести лет назад такая гипотеза была более чем прогрессивна.

Рис. 12. Американский френологический журнал (1880)

Далее делался логичный вывод, что если какая-то функция развита сильнее, то и соответствующий участок будет больше. (Сейчас можно было бы сказать, что не участок больше, а система сложнее, что усложнение – это не обязательно гипертрофия.) Гипотеза была ошибочна, но вполне правдоподобна и логична. И далее предполагалось, что гипертрофия участка коры «выдавит» череп и в этом месте появится шишка. Для измерения головы даже был изобретен специальный прибор, определяющий локализацию неровностей (рис. 13).

Рис. 13. Психограф – френологический аппарат для считывания рельефа головы

Сегодня, когда опубликованы результаты исследований, доказывающие отсутствие какой-либо корреляции между формой мозга и черепа, легко критиковать гипотезы френологии. Но в то время она, несомненно, сыграла положительную роль, поскольку способствовала поиску закономерностей в работе мозга.

Кстати, это один из хороших примеров опасности применения логики в науке о мозге. Дело в том, что логика имеет дело скорее с моделью, чем с реальной системой. Поэтому логические построения хороши тогда, когда мы знаем принципы и правила работы системы. А мы-то их не знаем! Именно поэтому логичная и правдоподобная френология оказалась несостоятельной. Логичность или нелогичность теории в науке о мозге не может считаться критерием ее верности. Хотя нам известно о мозге достаточно много, мы не знаем основных принципов его работы, и в частности – как поведение нейронов преобразуется в мысль. Логика – наука точная, где существуют строгие правила. Если они применяются правильно, то ее выводы непогрешимы. Однако крайне важны исходные основания для ее применения. Если мы постулируем, что пространство плоское, то появляется евклидова геометрия (8), если рассматриваем сферу, то геометрия Римана (9). Вообще почти все законы физики и химии представляют собой упрощенные модели. Даже в точной физике закон Ома гласит: «Сила тока пропорциональна напряжению». На самом же деле, если делать его экспериментальную проверку, то в результате получим, что сила тока при определенных условиях, в определенном диапазоне напряжений приблизительно пропорциональна приложенному напряжению. (Именно такой результат я получил, когда на физфаке нас учили проводить экспериментальные исследования.)

Огромное преимущество физики в том, что, как правило, мы знаем, чем можно пренебречь при построении модели, поскольку существует общая теория. В биологии (тем более в физиологии мозга человека) мы еще далеки от создания такой теории. Мы не всегда знаем, что оказывает значительное влияние, а чем можно пренебречь. Кроме того, есть множество данностей, которые не объяснить логически. Например, почему у человека пять пальцев? Шесть пальцев были бы также логичны. Очень многие особенности строения организма человека и животных, по-видимому, обусловлены мутацией в генах, которая закрепилась, и дальше развитие пошло в ту или иную сторону, то есть обусловлено случайностью. А затем уже начинают действовать логичные законы. Пример френологии показывает, как правильные логические построения приводят к неверному выводу, поскольку базируются на неверных предпосылках.

И все же вернемся к локализационизму. Значимым до сего дня прорывом в исследованиях работы мозга были клинико-анатомические сопоставления, сделанные учеными Полем Брока (рис. 14) и Карлом Вернике (рис. 15).

Рис. 14. Поль Пьер Брока (1824–1880) – французский хирург, этнограф, анатом и антрополог

Рис. 15. Карл Вернике (1848–1905) – немецкий психоневролог

Они сопоставляли локализацию некоторых поражений мозга (травм) с изменениями психических функций. Оказалось, что поражение определенных областей в левом полушарии приводило к нарушениям речи. Поль Брока в 1861 году опубликовал результаты исследования больного с поражением мозга, потерявшего способность говорить. В 1873 году Карл Вернике опубликовал результаты исследования больного с поражением мозга, потерявшего способность понимать речь. Эти области, отвечающие за речь, так и названы: областями Брока и Вернике (рис. 16).

Рис. 16. Области головного мозга, отвечающие за обработку речи: 1 – зона Брока, отвечающая за артикуляцию; 2 – зона Вернике, отвечающая за понимание речи на слух

Казалось бы, вот оно: найдены центры речи! Задумаемся, что это такое – области, отвечающие за речь. Это зоны мозга, поражение которых приводит к нарушениям в артикуляционной речи (Брока) и в восприятии речи на слух (Вернике).

Вспоминается известный анекдот про исследование слуха у тараканов. Хлопнули в ладоши – они побежали. Оторвали ноги. Снова хлопнули в ладоши – не бегут. Значит, слух в ногах. Абсурд. Это показывает ограниченность клинико-анатомических сопоставлений. Кстати, позже выяснилось, что слуховыми органами у тараканов и правда являются ноги. Вот так…

Последующие исследования и многочисленные сопоставления показали, что области Брока и Вернике действительно имеют отношение к речи. Но оказалось также, что система мозгового обеспечения речи ими далеко не ограничивается. Дело в том, что клинико-анатомические сопоставления основаны на соотношении крупных поражений мозга и серьезных нарушений функций. Однако современный набор методов исследования позволяет регистрировать тонкие сигналы, связанные с работой мозга. В нашей лаборатории мы наблюдали сигналы, связанные с обеспечением грамматики речи в области, традиционно ассоциировавшейся с обеспечением движения и чувствительности. Это значит, что деятельность мозга управляется не центрами, а распределенной в пространстве и изменчивой во времени системой. (Это один из результатов моей докторской диссертации.)

Тем не менее исследователям удалось описать различающиеся между собой области мозга. В коре – это зоны, состоящие из клеток определенного вида, отличающихся одна от другой (рис. 17). Это так называемые поля, или зоны, Бродмана, названные по имени описавшего их ученого.

Рис. 17. Корбиниан Бродман в 1909 году разделил кору головного мозга на 52 зоны по функциональному значению

В различных областях мозга преобладают нейроны различного вида (рис. 18). Плотность клеток определенного типа изменяется от одной области к другой. Это было использовано Бродманом для выделения определенных областей коры мозга.

Рис. 18. Типы нейронов: 1 – мультиполярные нейроны; 2 – биполярные нейроны; 3 – униполярные нейроны; 4 – безаксонные нейроны

Сейчас благодаря развитию технологий гистологических исследований известно, что поля Бродмана не являются однородными образованиями и подразделяются на области и зоны. Особенно это характерно для лобной доли.

Описаны сегодня и так называемые ядра в глубоких структурах и образования в коре. У них странные названия: зрительный бугор, или таламус, гиппокамп, что в переводе означает «морской конек», бледный шар, миндалина, скорлупа – ну прямо как названия созвездий. Русский нейрофизиолог и психиатр В.М. Бехтерев (рис. 19) описал «проводящие пути головного мозга». В 1887–1893 годах, работая в Казани, он открыл эти пути, показав связь между отдельными участками коры больших полушарий и определенными внутренними органами и тканями. Эта работа принесла ему мировую известность. Бехтерев исследовал сотни препаратов мозга, в результате из тонкой металлической проволоки была создана первая трехмерная схема проводящих путей (рис. 20).

Рис. 19. Владимир Михайлович Бехтерев (1857–1927) – крупнейший невролог и психиатр, исследователь мозга человека

Рис. 20. Модель проводящих путей головного мозга, собственноручно сделанная В.М. Бехтеревым в 1893 г. Хранится в музее истории Казанского государственного медицинского университета

Это направление работ продолжается до сих пор. В 1994 году в Университете Гэйнсвилла (Флорида) я видел препараты мозга, с которыми работали исследователи именно для решения этой задачи.

Итак, несмотря на ограниченность клинико-анатомических сопоставлений, были обнаружены центры или области, имеющие отношение к обеспечению различных функций. Стало известно, что затылочная кора (место расположения ясно из названия) имеет отношение к зрению, и так и была названа – зрительной корой. Обнаружены области, в которые приходит информация о различных участках тела, рядом с ней «через борозду» – область, «командующая» этими участками. Наиболее полно это иллюстрирует рисунок великого канадского нейрохирурга Уайлдера Пенфилда. Данные, полученные в ходе сотен операций на мозге, он использовал для создания функциональных карт коры (поверхности).

Пенфилд впервые точно нанес на карту корковые области, касающиеся речи. С помощью метода электрической стимуляции отдельных участков мозга Пенфилд установил точное «представительство» в коре головного мозга различных мышц и органов тела человека. Схематично его изображают в виде гомункулуса (человечка), части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены (рис. 21). Поэтому пальцы рук, губы и язык с большим числом нервных окончаний изображают крупнее, чем, например, туловище и ноги.

Вот и торжество логики френологии: можно найти если не «шишку», то мозговую область, отвечающую за любую деятельность. Эта концепция и называлась локализационизмом. Вроде бы действительно нашли центры. Но на самом деле это не центры, а области, которые непосредственно соединены с мышцами и чувствительными окончаниями. Они не могут управлять. Это, образно говоря, разъемы для управления.

Элементы обеспечения деятельности стали находить практически везде в мозге, что вызвало другую крайность: большинство исследователей опять кинулись в холизм и начали думать, что любая функция обеспечивается сразу всем мозгом. Особенно процветал холизм после открытия голографии (10). Голографическое изображение распределено по всей пластинке – может быть, так же и в мозге? Доходило до абсурда. На одной из конференций, которую проводил крупный советский нейрофизиолог профессор А.Б. Коган в начале 1980-х в Ростове-на-Дону, докладчик, показывая полосатую структуру мозга, утверждал, что эти полосы и есть голограмма (на голографической пластинке обычно видны бессистемные полосы). На это его оппонент рванул рубаху на груди и, показав тельняшку, сказал, что это тоже голограмма и она думает, как и мозг.

Рис. 21. Схема представления в сенсорной и моторной коре тела человека, созданная канадским нейрохирургом Уайлдером Грейвсом Пенфилдом (гомункулус Пенфилда)

Последующие исследования (в частности, нашего института) показали, что для обеспечения мыслительной деятельности мозга формируется достаточно разветвленная (холизм), имеющая много центров (локализационизм) система из жестких и гибких звеньев, принципиально меняющаяся во времени. Задумаемся, что такое в этой логике центры? Согласно концепции клинико-анатомических сопоставлений, центры – это области, повреждение которых приводит к резкому изменению (разрушению) данного вида деятельности. Но подумаем, сколько элементов существует в любой радиосхеме (тем более в современном компьютере), воздействие на которые изменяет или сводит на нет выполнение задач.

Остановимся подробнее на этом определении – прежде всего на словах «жесткие и гибкие звенья». Что это такое? Мозг одновременно выполняет много работы. Вы должны думать, вести машину или идти, говорить и т. д. Есть очень много реализуемых одновременно и взаимоподчиненных видов деятельности. Представить себе, что для каждого из них есть один или пусть два мозговых центра обеспечения – слишком много центров понадобится. А если все занимаются всем – неразбериха, «толпа».

Концепция жестких и гибких звеньев вносит понятие штаба. Это определенные нервные клетки, которые являются «главными». В них зашита матрица того, как нужно выполнять определенный класс действий. Это жесткие звенья. Они «рекрутируют» солдат – другие нейроны – и организуют из них систему. При этом в систему входят те нейроны, которые в данный момент свободны. Поэтому каждый раз система меняется. Эти «рекруты» и называются гибкими звеньями. Именно поэтому система принципиально изменчива во времени. Система жестких и гибких звеньев – один из базовых механизмов работы мозга, открытый Н.П. Бехтеревой.

Для понятного объяснения на лекциях я обычно привожу следующую аналогию. Командир военного корабля принимает новобранцев, которые еще ничего не умеют. Он говорит: «Ты хорошо видишь – будешь впередсмотрящим; а у тебя умелые руки – будешь механиком. Ты стоишь ближе к камбузу – будешь коком». И так далее. Через несколько месяцев (это практически онтогенез) они становятся узкими специалистами. И в обычной обстановке каждый занимается своим делом под руководством командира своей БЧ. Но случись боевая тревога – кок и механик начинают подносить патроны под руководством штаба. После битвы кок возвращается в камбуз, но члены штаба всегда готовы к следующему бою.

Степень этой изменчивости может быть больше или меньше. Если взять стереотипную, часто повторяющуюся деятельность, то система ее обеспечения достаточно устойчива, иногда просто прошита анатомически. Это, кстати, относится и к очень важным для мозга и организма видам деятельности; понятно, что очень важную и прецизионную работу абы кому не доверишь. Например, работа гипоталамуса, который регулирует жизненно важные функции автономной нервной и нейроэндокринной систем, прошита наглухо. Чем сложнее и необычнее деятельность, тем изменчивее система ее обеспечения. Почему? Если мы начинаем необычную работу, мы еще не знаем, сколько сил нам потребуется. Поэтому берем с запасом.

Однако поскольку эта книга – не учебник по истории психофизиологии, то в нашу задачу не входит логическое повествование обо всех изгибах и узловых точках развития науки о мозге. Мы будем давать иллюстрации скорее интересным и проблемным моментам современного представления о том, как работает мозг.

Так вот, локализационизм – это очень логичное и очень удобное учение, но, как выяснилось, не совсем верное. Однако до сих пор приходится слышать о существовании различных постоянных центров в мозге. Пресловутого «центра удовольствия», например. Ну нет его! А что есть? Что мы считаем центрами? Обычно то, что называют центром чего-либо, на самом деле является частью системы обеспечения этого «чего-либо». Несомненно, области Брока и Вернике имеют прямое отношение к речи, но дальнейшие исследования, в том числе наши, показали, что зоны, связанные с ее обеспечением, распределены по всему мозгу (рис. 22). (Хорошо помню, как на одном высокоученом заседании в РАМН я случайно, оговорившись, употребил слово «центр». Реакция председательствующего – мэтра, академика Г.Н. Крыжановского – была такой, как если бы я вслух сказал что-то непечатное.)

К сожалению, в отличие от достаточно сложного восприятия системного подхода, представление о центрах хорошо понятно и доступно неспециалистам. Как и предельно ясна френология. Из-за этого, что бы я ни рассказывал о мозге, журналисты всегда переводят мою речь в терминах центров. До сих пор в популярных журналах появляются статьи о нейронах, узнающих одну актрису во всех позах и не реагирующих на других актрис. Или узнавание определенной фотографии. Это, конечно, следствие неправильной интерпретации результатов эксперимента.

Итак, мозг – это системы. Что это значит? Предположим, что в мозге 10 миллиардов нейронов. (На самом деле эта цифра лишь приближение и точно никто не знает, сколько их.) Причем заметьте, что все нейроны разные (в отличие от атомов или молекул одного элемента или вещества). У каждого нейрона есть уйма связей с другими нейронами, близкими и далекими. Разнообразие возможных рисунков, которые могут составлять эти связи, больше числа частиц во Вселенной. И «плохая новость» состоит в том, что эти рисунки постоянно меняются.

Рис. 22. Области коры головного мозга, «отвечающие» за различные фазы обработки речи: 1 – фонологическая обработка; 2 – субвокальная артикуляция; 3 – семантическая обработка слов; 4 – восприятие цвета; 5 – необходимость подавления лексико-семантической обработки слов; 6 – категоризация слов по критерию грамматического рода; 7 – синтаксическая обработка предложений; 8 – обработка орфографической структуры слов. Пунктиром обозначены поля Бродмана – отделы коры больших полушарий головного мозга, отличающиеся по своей цитоархитектонике (строению на клеточном уровне)

А систем, задействованных и работающих одномоментно, много. Мы одновременно вовлечены во множество деятельностей. Ведем машину, разговариваем, думаем о чем-нибудь третьем, планируем остаток дня, поддерживаем позу – и для каждой из этих работ складывается своя «паутина». Причем очень часто из-за свойства полифункциональности нервных клеток (об этом ниже) эти паутины пользуются одними и теми же нейронами. Вот и разберись тут!

Очевидно, что ни одну систему целиком никто никогда не видел. Что видели? Либо области, где наблюдается скопление элементов определенной системы (с помощью различных средств нейровизуализации (позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) (11), функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) (12), современных видов количественной электроэнцефалограммы (ЭЭГ) (13)), либо отдельные нейроны с помощью внутримозговых электродов, которые имплантируют в мозг пациента в лечебных и диагностических целях. Но это всего лишь несколько нейронов из миллиардов! (В одной из следующих глав я более подробно расскажу о том, как функционируют системы, и о том, что показали самые свежие исследования в этой области. А пока идем дальше.)

Прорыв, произошедший в последние десятилетия в области технического оснащения исследований, как ни странно, не привел к кардинальному изменению ситуации в понимании работы мозга. Да, резко увеличилось число научных статей. На крупных конференциях по картированию мозга человека ежегодно представляют около 3000 докладов (фактически три километра постеров).