Сенсорный гомункулус пенфилда. Кортикальный гомункулус – тело в мозге
Мозг человека – сложнейший по своей организации и совершенный, по сути, орган.
Подумать только, он обеспечивает все в нашей жизни: возможность ходить, дышать, видеть, слышать, говорить, думать, жить!
Мозг координирует и регулирует все жизненно важные функции организма человека, более того мозг контролирует его поведение .
Если мозг перестает работать, то организм человека переходит в пассивное состояние, когда на любую стимуляцию, извне или изнутри, нет реакции. Человек не сможет слышать, видеть, чувствовать, осознанно двигаться – он как овощ, который просто существует, но в полной изоляции, депривации от внешнего мира.
Все мы знаем, что мозг высшего млекопитающего делится на две основные части: спинной иголовной .
Головной мозг по своей структуре симметричен .
- При рождении малыша его мозг весит примерно 300 г,
- по мере роста человека он увеличивается и у взрослого он весит около 1500 г.
- мозг мужчин, как правило, чуть тяжелее мозга женщины.
У здорового взрослого индивида вес мозга составляет около 2% от общего веса человека.
Не стоит думать, что чем больше весит мозг, тем умнее и гениальнее человек. Ученые давно доказали, что уровень интеллекта и гениальность совершенно не связаны с весом мозга.
Гениальность и интеллект зависят от количества нервных связей , которые создает сам мозг.
Что же представляет собой головной мозг человека, какие отделы он содержит?
1) Продолговатый мозг , который управляет вегетативными функциями организма человека.
Он отвечает, прежде всего, за регуляцию дыхания, сердечно-сосудистую деятельность, пищеварительные рефлексы, обмен веществ .
2)Задний мозг: мозжечок и варолиев мост.
Именно он ответственен, за координацию движений
3) Средний мозг - отвечает за первичные ориентировочные рефлексы организма человека на внешние раздражители.
Движение глаз, поворот головы в сторону источника звука или света - это работа среднего мозга, так называемого нашегозрительного центра .
4) Промежуточный мозг:
а) таламус , который обеспечивает обработку большей части импульсов от наших рецепторов (ну кроме обонятельных), а также отвечает за эмоциональную окраску информации;
б) гипоталамус , который регулирует вегетативные функции организма
В нем расположены центры чувства насыщения, голода, жажды, удовольствия, и обеспечивает регуляцию сна и бодрствования человека .
5) Передний мозг представляет собой два полушария: левое и правое. Его поверхность покрыта бороздами и извилинами, что увеличивает поверхность, следовательно, обеспечивает более совершенную работу мозга. Полушария составляют до 80% массы всего мозга.
Благодаря коре больших полушарий возможна работа высших психических функций.
Считается, что левое полушарие отвечает за мыслительные процессы, счет и письмо, а правое – за восприятие сигналов внешнего мира. Левое полушарие – абстрактно-логическое, правое – творческое и образное.
Однако в настоящее время ученые считают такое деление достаточно условным, потому что в реализации высшей психической деятельности человека, его поведении участвуют равнозначно оба полушария, хотя конечно они играют различную роль в формировании образов восприятия.
Кора головного мозга отвечает за ряд специфических функций.
- Височная доля отвечает за слух и обоняние,
- затылочная за зрение,
- теменная за осязание и вкус,
- лобная за речь, движение и мышление.
Причем чем сложнее действие, тем большая часть коры отвечает за него.
В психологии и нейропсихологии существует такое понятие как гомункулус.
Гомункулус – это некая физиологическая и психологическая метафора.
Средневековые алхимики говорили о существе, подобном человеческому, которое можно создать искусственным путем. Например, Парацельс в XVI веке предлагал такой «рецепт»: человеческую сперму, необходимо заключить в особый сосуд, потом провести с ней длительные процессы обработки (некие манипуляции) и она станет гомункулом, который надо «вскармливать» человеческой кровью.
В XVII-XVIII веках считалось, что гомункул содержится в сперме человека, а когда попадает в организм будущей мамы, то превращается в человека. Гомункул выступает здесь как «ген передачи», некое существо, живущее в теле человека, регулирующее его мораль и ценности, который управляет поведением человека.
Конечно это лишь предположения и догадки свойственные развитию мысли и науки того времени. Однако термин остался и прижился для определения сложной работы коры головного мозга человека.
Выходит, гомункулус в современной науке – это схематическое изображение моторных и сенсорных функций человека на корковой проекции. Мы видим пропорции тела человека, его функций и действий, его поведение, в соотношении к количеству коры, задействованной в работе этих функций.
Чем сложнее действие, чем мельче моторика, чем выше психическая функция, тем большая площадь коры за него отвечает.
Итак, подведем итоги:
1) нормальная работа его отделов обеспечивает функционирование всего организма, здоровье человека, возможность деятельности человека, его потенциал, его реакцию на все виды раздражителей, его поведенческие реакции.
2) работа больших полушарий - функционирование коры головного мозга, которая обеспечивает весь широкий спектр его психических функций: ощущение и восприятие, внимание, мышление и речь, его память, воображение и т.д.– словом все то, что составляет сущность его психической деятельности, его сознания.
Сознание человека – это высшая форма отражения действительности, оно связано, самым тесным образом, с работой мозга человека: с речью, мышлением (абстрактным и логическим), памятью. Сознание – это функция мозга
Именно оно обеспечивает единство и регулирование человеческой деятельности и поведения.
Кортикальные клетки, чьи рецептивные поля располагаются на поверхности тела рядом, группируются вместе и в коре. В результате в первичной соматосенсорной коре образуется представительство контрлатеральной поверхности тела, которое может быть картировано с помощью микроэлектродной техники. Карта поверхности туловища и лица человека, находящаяся на постцентралыюй извилине, получила название "сенсорный гомункулус". Изображения на этой карте непропорциональны, поскольку наибольший объем нервной ткани относится к областям тела с особенно плотной иннервацией - область вокруг рта, большой палец руки и остальные пальцы (рис. 34.11 , рис. 7.15а)). Такое представительство иногда называют соматосенсорным гомункулусом.
Впервые это явление было обнаружено канадским нейрохирургом Уайлдером Пэнфилдом (Wilder Penfield) в ходе операций на головном мозге при местной анестезии. Чтобы убедиться, что те или иные иссечения мозга не приведут к катастрофическим последствиям, Пенфилд стимулировал кору в различных точках и спрашивал пациента, что он чувствует. Поскольку размеры РП кортикальных клеток варьируют так сильно, получившаяся карта чрезвычайно неизоморфна. Надо отметить, что в соматосенсорной коре "присутствует" не один гомункулус, а четыре - по одному в каждом из субрегионов - т.е. полях Бродмана 1, 2, 3а и 3b. Эти карты, в основном, совпадают между собой.
3. Ядро обонятельного анализатора помещается в филогенетически древней части коры мозга, в пределах основания обонятельного мозга - uncus, отчасти гиппокампа (поле 11).
4. Ядро вкусового анализатора , по одним данным, находится в нижней части постцентральной извилины, близко к центрам мышц рта и языка, по другим - в uncus, в ближайшем соседстве с корковым концом обонятельного анализатора, чем объясняется тесная связь обонятельных и вкусовых ощущений. Установлено, что расстройство вкуса наступает при поражении поля 43.
Анализаторы обоняния, вкуса и слуха каждого полушария связаны с рецепторами соответствующих органов обеих сторон тела.
5. Ядро кожного анализатора (осязательная, болевая и температурная чувствительность) находится в постцентральной извилине (поля 1, 2, 3) и в коре верхней теменной области (поля 5 и 7). При этом тело спроецировано в постцентральной извилине вверх ногами, так что в верхней ее части расположена проекция рецепторов нижних конечностей, а в нижней - проекция рецепторов головы. Так как у животных рецепторы общей чувствительности особенно развиты на головном конце тела, в области рта, играющего огромную роль при захватывании пищи, то и у человека сохранилось сильное развитие рецепторов рта.
В связи с этим область последних занимает в коре постцентральной извилины непомерно большую зону . Вместе с тем у человека в связи с развитием руки как органа труда резко увеличились рецепторы осязания в коже кисти, которая стала и органом осязания. Соответственно этому участки коры, соответствующие рецепторам верхней конечности, много больше таковых нижней конечности. Поэтому, если в постцентральную извилину врисовать фигуру человека головой вниз (к основанию черепа) и стопами вверх (к верхнему краю полушария), то надо нарисовать громадное лицо с несообразно большим ртом, большую руку, особенно кисть с большим пальцем, резко превосходящим остальные, небольшое туловище и маленькую ножку. Каждая постцентральная извилина связана с противоположной частью тела вследствие перекреста чувствительных проводников в спинном и частью в продолговатом мозге.
«Анализатор есть сложный нервный механизм, начинающийся наружным воспринимающим аппаратом и кончающийся в мозгу» (И. П. Павлов). С точки зрения И. П. Павлова , мозговой центр , или корковый конец анализатора, имеет не строго очерченные границы, а состоит из ядерной и рассеянной частей - теория ядра и рассеянных элементов . «Ядро» представляет подробную и точную проекцию в коре всех элементов периферического рецептора и является необходимым для осуществления высшего анализа и синтеза. «Рассеянные элементы» находятся по периферии ядра и могут быть разбросаны далеко от него; в них осуществляются более простой и элементарный анализ и синтез. При поражении ядерной части рассеянные элементы могут до известной степени компенсировать выпавшую функцию ядра , что имеет огромное клиническое значение для восстановления данной функции.
До И. П. Павлова в коре различались двигательная зона, или двигательные центры , предцентральная извилина, и чувствительная зона , или чувствительные центры , расположенные позади sulcus centralis . И. П. Павлов показал, что так называемая двигательная зона, соответствующая предцентральной извилине , есть, как и другие зоны мозговой коры, воспринимающая область (корковый конец двигательного анализатора). «Моторная область есть рецепторная область. Этим устанавливается единство всей коры полушарий» (И. П. Павлов).
June 24th, 2015 , 01:12 am
В 1940-1950-х годах канадский нейрохирург Уайлдер Пенфилд вместе с коллегами проводил эксперименты на пациентах с эпилепсией, стимулируя их мозги электричеством, чтобы понять, какие участки двигательной коры отвечают за движение тех или иных мышц тела. Результаты он представил в виде «моторного гомункулуса», натянутого на срез одного из полушарий мозга умелой рукой маньяка-расчленителя. Туловище жертвы небрежно накинуто на верхнюю часть мозга, распухшая кисть нависает над истошно кричащей головой, а под ее нижней челюстью судорожно дергается оторванный язык.
Моторный гомункулус
Контроль шейных мышц, судя по несчастному гомункулусу, происходит где-то между участками, которые управляют пальцами и ликом (черная стрелка). Однако это не совсем так, судя по новым данным, полученным нейробиологами из Университета Эмори (США). С помощью современных методов функциональной магнитно-резонансной томографии они показали, что участок, контролирующий движения шеи, на самом деле располагается между туловищной и плечевой зонами (красная стрелка). Такая локация не только больше соответствует реальному размещению шеи на теле человека, но и «сенсорному гомункулусу», который описывает расположение участков мозга, обрабатывающих прикосновения к разным частям тела.
Соматосенсорный гомункулус
Чтобы получить аккуратные данные в МРТ-исследовании, участник должен держать голову неподвижно, поэтому ученые закрепляли ее ремешками. Затем просили испытуемого пытаться поворачивать голову влево-вправо - суставы при этом не двигаются, но шейные мышцы напрягаются, и на мониторе можно увидеть, где в коре мозга происходит возбуждение.
Полученные результаты ценны не только радостью гомункулуса по поводу уточнения его нейроанатомии, но и тем, что их можно использовать в дальнейшем при изучении двигательных расстройств, затрагивающих шею, включая тремор головы и шейную дистонию (кривошею).
Все извилины и борозды человеческого мозга давно поименованы и описаны. В нейроанатомических атласах одинаковое серое вещество коры больших полушарий раскрашено в разные цвета. Этой цветной карте уже более ста лет. А сама идея, что психические функции локализованы в разных местах на поверхности коры мозга человека, возникла и вовсе на рубеже XVIII и XIX веков. Немецкий врач Франц Галль (1758–1828) создал так называемые френологические карты мозга, где разместил свойства психики, которые назвал «способностями души». С точки зрения современной науки поразительные карты Галля - плод умозаключений, основанных не на экспериментальных данных, а только на собственных наблюдениях. Однако над реализацией его идеи учёные бьются в течение двух столетий.
В конце XIX века немецкие физиологи нашли в коре мозга собак и кошек зону, электрическая стимуляция которой вызывала непроизвольное сокращение мышц противоположной стороны тела. Им удалось точно определить, в каких участках этой зоны представлены разные группы мышц. Позднее эту зону (её назвали моторной) описали и в человеческом мозгу, она находится спереди от центральной (роландовой) борозды, наиболее глубоко разделяющей кору полушарий в поперечном направлении. Здесь последовательно расположены представительства мышц гортани, рта, лица, руки, туловища, ноги, причём площадь участков коры вовсе не соответствует размеру частей тела. Канадский невролог Уайлдер Грейвс Пенфилд и Е. Болдри, сопоставив то и другое, нарисовали в этом месте забавного человечка - гомункулуса. У него огромный язык, губы, большие пальцы на руках, а ручки-ножки и туловище совсем маленькие. Симметричный гомункулус живёт и позади центральной борозды, только он не моторный, а сенсорный. Участки этой зоны коры мозга связаны с кожной чувствительностью различных частей тела. Моторная и сенсорная зоны тесно взаимодействуют между собой, так что обычно их рассматривают как единую сенсомоторную кору. Позднее выяснилось, что всё устроено немного сложнее: физиологи нашли ещё одно полное двигательное представительство тела меньшего размера, отвечающее за поддержание позы и некоторые другие сложные медленные движения.
Своё полномочное представительство в коре больших полушарий имеют и все органы чувств. Например, в затылочной области мозга человека находится зрительная кора, в височной доле - слуховая, обонятельное же представительство разбросано по нескольким частям мозга. В коре есть и так называемые ассоциативные поля, где происходят анализ и синтез информации, поступающей из первичных полей органов чувств. Ассоциативные поля наиболее сильно развиты у человека, особенно те из них, которые расположены в лобной доле, с ними физиологи связывают высшие проявления психики - мышление, интеллект. Ещё в середине XIX века французский учёный Поль Брока и немецкий психиатр Карл Вернике обнаружили в левом полушарии мозга человека две области, которые имеют отношение к речи При повреждении зоны Брока - в задней трети нижней лобной извилины, у больного нарушается речь, если же затронута зона Вернике - в задней трети верхней височной извилины, больной может говорить, но его речь становится бессодержательной.
Так что на сегодня физиологам немало известно о строении и функциях мозга. Но чём больше они узнают, тем больше загадок остаётся. И никто из современных исследователей не может утверждать, что знает, как работает мозг. Существующие на сегодня карты мозга по степени информативности, вероятно, можно сравнить с географическими картами средних веков, когда очертания материков лишь отдалённо напоминали реально существующие, а белые пятна по площади превышали всё остальное. «И самое главное, зная приблизительно географию, мы не имеем представления, что происходит в разных «странах». Чем они занимаются, как живут«, - комментирует директор Института мозга человека РАН член-корреспондент РАН Святослав Всеволодович Медведев.
 |
Задача убрать белые пятна с карты мозга и увеличить её разрешение гораздо более сложна, чем заполнение белых пятен в географии. Особенно если речь идёт о человеческом мозге и высших проявлениях человеческой психики. Возможно ли действительно спроецировать на поверхность мозга человеческие чувства, напряжение мысли, муки творчества? Можно ли будет когда-нибудь сказать: эта зона отвечает за принятие решения, эта группа клеток - за чувство прекрасного, вот здесь гнездится зависть, а тут начинается зона любви?
«Правильнее говорить не о картировании мозга, а о картировании мозговых функций, - объясняет С.В. Медведев. - Задача состоит в том, чтобы определить, где расположены нейроны, которые принимают участие в решении той или иной задачи, и понять, как эти части мозга взаимодействуют между собой. Наконец, сверхзадача для нейрофизиолога - цель, от которой мы пока ещё очень далеки, - соотнести происходящие в мозгу события с тем, что человек думает, расшифровать коды высшей нервной деятельности».
Мозг говорит на электрическом языке
Первые данные о локализации высших мозговых функций были получены в эпоху «клинико-анатомических сопоставлений», то есть наблюдений за больными, у которых были повреждены какие-то участки мозга. Затем, в конце 20-х годов прошлого века, наступила эпоха господства электрофизиологических исследований. Физиологи научились регистрировать электрическую активность мозга - электроэнцефалограмму (ЭЭГ) человека через электроды, наложенные на кожу головы (впервые это сделал австрийский психиатр Ганс Бергер в 1929 году). Этот метод стал основным в изучении работы мозга и его заболеваний - первые электрофизиологи верили, что при помощи ЭЭГ можно познать всё. Действительно, ЭЭГ отражает разнообразные процессы, происходящие в мозгу, но сложность в том, что она регистрирует суммарную электрическую активность, суммирует и усредняет работу огромного количества нервных клеток - нейронов. И в этом состоит её методическое ограничение.
Затем появились другие способы изучения электрической активности мозга, например метод вызванных потенциалов - это электрические волны, возникающие в тех или иных областях коры мозга в ответ на специфическую стимуляцию. В зрительной коре они появляются на вспышку света, в слуховой - на звук и т. д. Этот метод много дал для изучения локализации функций в зонах коры больших полушарий, и с его помощью мозговая карта была существенно уточнена. Но и у него есть ограничения, прежде всего при изучении мозга человека.
С развитием микроэлектродной техники стало возможным регистрировать электрические разряды отдельных нейронов. В основном это делается, естественно, в экспериментах на лабораторных животных. Прорыв в исследованиях мозга человека появился тогда, когда возникла возможность регистрировать электрическую активность человеческих нейронов непосредственно из мозга с помощью имплантированных подкорковых электродов. Этот метод в начале 60-х стала применять академик Наталья Петровна Бехтерева. Тонкие электроды вводили в мозг пациента в лечебных целях - с их помощью можно было прицельно воздействовать на участки мозга. Но коль скоро в мозг пациента вживлён электрод, то надо использовать эту возможность и получить от него максимум информации. Такой электрод регистрирует активность окружающих нейронов, и это уже совсем другой уровень разрешения, чем можно получить с электрода, расположенного на поверхности головы.
Нейроны «грамотные» и «креативные»
С помощью имплантированных подкорковых электродов физиологам из Института мозга человека РАН удалось узнать много нового о том, как мозг справляется с речью. Как уже упоминалось, области Брока и Вернике, имеющие отношение к речи, были известны давно. «Правильнее ограничиться определением «имеющие отношение к речи», а не употреблять выражение «зона речи», - подчеркивает С.В. Медведев. - Помните анекдот про таракана, у которого, оказывается, «уши на ногах»? Нужно осознавать, что и зоны Брока и Вернике, возможно, не центр речи, а некий интерфейс».
В совершенно другом месте коры мозга исследователи нашли детектор грамматической правильности осмысленной фразы. Группа нейронов усиливает свою электрическую активность, если фраза, которую слышит испытуемый, грамматически правильная, и ослабляет её, когда она грамматически неправильна. Если испытуемому предложить фразы «голубая лента» и «голубой лента», эти «грамотные» нейроны сразу заметят разницу. Другая группа нейронов различает слова родного языка, слова, похожие на них фонетически, и иностранные слова. «Это означает, что нейронная популяция практически мгновенно анализирует фонетическую структуру слова и относит её к типам: «понимаю», «не понимаю, но что-то знакомое» и «совсем не понимаю», - говорит С.В. Медведев. В связи с этим возникает вопрос, одинаково или по-разному работают эти нейроны у людей, одарённых врождённой грамотностью, и у тех, у кого с этим проблемы. Скорее всего, отличия есть, но, для того чтобы дать точный ответ, нужно набрать достаточно много испытуемых.
«Мы нашли группы нейронов, различающих конкретные и абстрактные слова, нейроны, которые, по-видимому, отвечают за счёт, - рассказывает дальше Святослав Всеволодович. - Мы выявили области мозга, которые связаны с обобщением, с принятием решения. Для всех систем нейронов характерна полифункциональность: это означает, что в разных функциях могут участвовать одни и те же клетки. Специализация нейронов относительна - в зависимости от ситуации они могут принимать на себя разные обязанности. Например, когда погибает капитан корабля, на его место становится штурман или кто-то другой. Поэтому мозг - очень гибкая система». Свойство взаимозаменяемости нейроны со временем теряют и приобретают большую специализацию. Маленький ребёнок не может одновременно идти и разговаривать, если его окликнуть, он споткнётся и упадёт. Дело в том, что у него вся кора занята либо одним, либо другим. Школьник не должен отвлекаться на уроке, иначе он не усвоит материал. Со временем происходит всё большее и большее разделение мозговых территорий, поэтому взрослый человек может одновременно вести машину и поддерживать беседу, разговаривать по телефону и просматривать документы и т. д.
Н.П. Бехтерева и её сотрудники нашли в мозге нейроны, которые работают как детектор ошибок. Какова их роль? Они реагируют на любое нарушение стереотипной последовательности действий. «Вы уходите из дома и на улице чувствуете: «Что-то не так…» - объясняет С.В. Медведев. - Так и есть - забыли выключить свет в ванной». Нейроны-детекторы ошибок расположены в разных частях мозга - в теменной коре правого полушария, в роландовой борозде, в верхнетеменной и теменно-височной областях коры, в поясной извилине.
Но и метод имплантированных электродов имеет ограничения. Электроды, само собой разумеется, вживлены не везде, где этого бы хотелось физиологам, а только там, где нужно по клиническим показаниям. Не значит ли это, что мы ищем там, где светлее, а не там, где потеряли?
Сканер для мозга работает на позитронах
Традиционно используемый в медицине рентген для получения картины мозга - не лучший метод. Совсем другие возможности возникли с появлением магниторезонансной томографии (МРТ). В Институте мозга человека РАН активно используется метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). И тот и другой метод даёт изображение мозга. В чём разница между ними?
МРТ основана на свойствах некоторых атомных ядер, прежде всего ядер атомов водорода, при помещении их в магнитное поле поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать её после прекращения воздействия радиочастотного сигнала. В зависимости от «окружения», то есть от свойств биологической ткани, в которой находятся эти ядра, меняется интенсивность их излучения. Поэтому удаётся видеть изображения различных структур мозга. Суть же метода ПЭТ - в слежении за исчезающе малыми количествами вещества, помеченного радиоактивным ультракороткоживущим (период полураспада - минуты) изотопом. Изотоп излучает позитроны, которые аннигилируют с электронами, испуская два гамма-кванта, и разлетаются в противоположные стороны. Если зарегистрировать детектором эти гамма-кванты, то можно определить местонахождение атомов меченого вещества. Вещество выбирают такое, чтобы его концентрация отражала активность клеток мозга. Например, если где-то увеличивается концентрация глюкозы с радиоактивной меткой, это значит, что нейроны активно её потребляют, а следовательно, активно работают. Если в это время испытуемый выполняет какое-либо задание, то мы видим, какие области мозга участвуют в его выполнении. Метод ПЭТ позволяет применять короткоживущие изотопы (О, N, С, F), не очень вредные для пациента.
С помощью ПЭТ можно также наблюдать изменение мозгового кровотока при том или ином поведении. При активации какой-либо области мозга кровь активно к ней приливает. Если ввести в вену меченную радиоактивным кислородом воду, она поступает в сосуды мозга, и её можно зарегистрировать. Туда, где оказывается больше меченого кислорода, поступает больше крови, значит, именно там усиливается активность.
От грамматических форпостов к лабиринтам творчества
С помощью ПЭТ исследователи продолжили изучение человеческой речи уже на целом мозге. Они увидели, где происходит обработка речевой информации: отдельных слов, смысла текста, где происходит его запоминание. Они показали, что медиальная экстрастриарная кора вовлечена в обработку орфографической структуры слов, значительная часть левой верхневисочной коры (зона Вернике), вероятно, участвует в семантическом анализе. Порядок слов анализируется передней частью верхневисочной коры. Когда человеку показывают связный текст, даже не предлагая его читать (нужно было просто считать количество появлений какой-либо буквы), мозговой кровоток усиливается, а значит, мозг вовлекается в лингвистическую работу. (Если предъявлять слова, перемешанные в случайном порядке, мозг так не реагирует.)
Даже «божественный» процесс творчества оказался подвластен расшифровке, по крайней мере, физиологи в лаборатории Н.П. Бехтеревой к этому приблизились. Человеку предлагают некое творческое задание, например составить рассказ из набора слов, и в реальном времени видят, какие области мозга начинают активно работать. Оказалось, творческая деятельность сопровождается главным образом изменением связей между разными зонами мозга. Больше всего новых связей появляется у левой передневисочной зоны с передними зонами коры, а с задними, наоборот, связь ослабляется. Теряются связи теменных и затылочных структур между собой. И всё это происходит именно при выполнении творческого задания, если же задача лишена творческих элементов, таких изменений нет. Локальный мозговой кровоток при выполнении более творческого задания по сравнению с менее творческим усиливается в правой префронтальной коре. Отсюда учёные делают вывод, что именно эта область непосредственно связана с «креативностью».
Интересует исследователей и феномен непроизвольного внимания: например, человек ведёт машину, слушает радио, беседует и вдруг мгновенно реагирует на стук мотора, говорящий о том, что с двигателем что-то не в порядке. В двух лабораториях с помощью двух разных методов: С.В. Медведев методом ПЭТ и Ю.Д. Кропотов методом имплантированных электродов, обнаружили одни и те же зоны, где в такие моменты происходит активация, - в височной и в лобной коре. Активация возникает в ответ на рассогласование ожидаемого и реального стимулов, например когда звук от мотора не такой, каким должен быть. Другой феномен - селективное внимание, помогающее человеку в сплошном гуле голосов на коктейль-приёме следить за речью одного собеседника, того, который ему интересен. По-видимому, за фокусировку пространственного внимания в этом случае отвечает префронтальная кора. Она настраивает либо правую, либо левую слуховую кору, в зависимости от того, в какое ухо подаётся важная информация.
Говоря о картировании мозга, важно понимать, что мозг, строго говоря, не поделен на чётко разграниченные участки, каждый из которых отвечает только за свою функцию. Всё гораздо сложнее, поскольку в процессе выполнения любой функции нейроны разных областей взаимодействуют между собой, составляя нейронную сеть. Исследование того, как отдельные нейроны объединяются в структуру, а структура в систему и целостный мозг, - задача будущего.
«ПЭТ - мощный инструмент для изучения практически любой функции, но его одного недостаточно, - говорит С.В. Медведев. - Задача ПЭТ - ответить на вопрос «где?«, а чтобы ответить на вопрос «что происходит?», следует сочетать ПЭТ с электрофизиологическими методами. Совместно с британскими физиологами мы создали систему для параллельного анализа ПЭТ и ЭЭГ, которые дополняют друг друга. Вероятно, именно за таким подходом - будущее».
Год назад (статья опубликована в 2004 г. - П. З. ) группа учёных из шести стран мира объявила о создании трёхмерной компьютерной карты человеческого мозга, по которой можно определить предрасположенность человека к некоторым заболеваниям. Создатели карты полагают, что уже могут связать те или иные болезни, например болезнь Альцгеймера или аутизм, с разными участками коры мозга. Сейчас они заняты уточнением деталей своего изобретения.
Вторая ипостась гена
В начале 50-х годов прошлого века возникла идея, что память не может ограничиваться только электрическими процессами - для долговременного хранения информации в мозгу она должна быть законсервирована в химическом виде. Хотя в ту пору существовали ещё весьма общие представления о геноме клетки, появилась мысль, что он не только хранит наследственную информацию, но и участвует в хранении информации, приобретённой в течение жизни.
Чтобы это проверить, нужно было посмотреть, вызывает ли обучение синтез нуклеиновых кислот и белков в мозге. После того как стал известен принцип работы генома - ДНК → РНК → белок, эксперименты стали более целенаправленными. И вот что выяснилось. Сразу после того, как животных обучали какому-либо навыку, в их мозге усиливается синтез РНК. (Для того чтобы это обнаружить, им вводили вещества-предшественники РНК с радиоактивной меткой). Это происходило и с мышами, которых обучали избегать электрического тока в ответ на звуковой сигнал, и с цыплятами, у которых вырабатывали запечатление на объект, и с золотыми рыбками, которых обучали плавать с прикреплённым к брюшку плотиком. А если синтез РНК затормозить, то животные совершают много ошибок или вообще не способны усвоить навык.
В это же время в мозгу синтезируются и новые белки - это также удалось определить по включению радиоактивных изотопов. Блокаторы синтеза белка нарушают долговременную память, не затрагивая память краткосрочную. Из этого становится понятно, как работают гены: при обучении на матрице ДНК синтезируется РНК, которая, в свою очередь, порождает новые белки. Эти белки вступают в действие через несколько часов после приобретения информации, и они-то обеспечивают её хранение. А инициаторы всех этих событий - электрические процессы, происходящие на мембране нервной клетки.
Группа исследователей из отдела системогенеза Института нормальной физиологии РАМН под руководством доктора медицинских наук члена-корреспондента РАМН К.В. Анохина поставила перед собой задачу найти такие методы исследования, которые бы позволяли одновременно исследовать активность нервных клеток во всём мозгу в связи с каким-либо поведением или познавательной (когнитивной) деятельностью. «Начиная работу, мы были убеждены, что информация от синапсов передаётся на другой, более глубокий уровень - проникает в ядро клетки и каким-то образом изменяет работу генов, - говорит Константин Владимирович - Осталось найти эти гены».
Надо сказать, что в клетках мозга работает несметное множество генов - у человека половина из всех изученных генов экспрессируется только там. Задача была в том, чтобы из всего их множества найти ключевые, участвующие в сохранении новой информации. Поиск увенчался успехом в середине 1980-х годов, когда К.В. Анохин и его коллеги обратили внимание на так называемые «непосредственные ранние гены». Такое название они получили за способность первыми откликаться на внеклеточные стимулы. Роль же «ранних» генов заключается в том, чтобы «разбудить» другие - поздние гены. Их продукты - регуляторные белки - транскрипционные факторы, воздействуют на участки молекулы ДНК и запускают процесс транскрипции - переписывания информации с ДНК на РНК. В конце концов «поздние» гены синтезируют свои белки, которые вызывают в клетке необходимые изменения, например образуют новые связи нейрона.
Самый любознательный ген
Из всей группы «ранних» генов исследователей более всего заинтересовал ген c-fos К.В. Анохин и его коллеги с 1987 года занимаются изучением роли этого гена в обучении - по их мнению, именно он подходит на роль универсального зонда для картирования мозга. «Этот ген обладает несколькими уникальными свойствами, - объясняет К.В. Анохин - Во-первых, в спокойном состоянии клетки он молчит, у него практически нет «фонового уровня» активности. Во-вторых, если в клетке начинаются какие-либо новые информационные процессы, он очень быстро откликается на них, нарабатывая РНК и белки. В-третьих, он универсален, то есть активируется в самых разных частях центральной нервной системы - от спинного мозга до коры. В-четвёртых, его активация связана с обучением, то есть с формированием индивидуального опыта». Чтобы доказать последнее утверждение, учёные провели десятки экспериментов, проверяя, при каких именно воздействиях c-fos выйдет из подполья и начнёт действовать. Оказалось, ген не реагирует на очень сильную стимуляцию, например световую, звуковую или болевую, в тех случаях, когда воздействие не несёт в себе элементов новизны. Но как только ситуация обогащается новой информацией, ген тут же «просыпается».
|
Экспрессия гена c-fos: |
Например, в эксперименте мышей помещали в камеру, где им пришлось перенести серию слабых, но неприятных электрокожных раздражений. В ответ на это в нескольких областях их мозга - в коре, гиппокампе и мозжечке бурно экспрессировался c-fos . Однако если эту процедуру проводить ежедневно, то на шестой день ген уже не отвечает. Мыши по-прежнему реагируют на удар током, но он для них стал уже не новым, а ожидаемым событием. Можно вновь вызвать активацию c-fos , если в очередной раз поместить мышей в камеру - и не подвергать их уже привычной процедуре. И в том и в другом случае ген отмечает событие, когда внешние стимулы не согласуются с матрицей индивидуальной памяти. Такое рассогласование происходит при любом усвоении новой информации, и поэтому c-fos - неизбежный спутник познавательных процессов в мозге.
В другом опыте участвовали новорождённые цыплята, которых разделили на четыре группы. Цыплята первой группы вылуплялись в темноте и ни разу не видели света, второй группе повезло больше - её содержали при обычном 12-часовом световом цикле, цыплят из третьей группы сразу после рождения переносили в условия обогащённой зрительной среды, а цыплят четвёртой группы сначала держали в обычных условиях, а на второй день переносили в обогащённую среду. У всех подопытных цыплят оценивали экспрессию гена c-fos на второй день после вылупления. Что оказалось? У первых трёх групп, несмотря на такие разные условия, в которых они провели два дня своей короткой жизни, c-fos не проявил себя. Зато у четвёртой группы, которым сменили среду на зрительно обогащённую, c-fos активизировался. Для них она была внове, в то время как цыплята третьей группы уже успели к ней привыкнуть.
Экспрессия c-fos увеличивалась и у цыплят, которые клевали заинтересовавшую их бусинку, она оказывалась горькой, и птенцы с одного раза обучались избегать её в дальнейшем. Но вообще выяснилось, что активация гена вовсе не зависит от успешности обучения и точно так же сопровождает ошибочные действия. Ген c-fos реагирует и просто на новый объект - для его активации достаточно однократного предъявления животному нового объекта всего на 10 секунд.
Исследователи предположили, что c-fos и другие ранние гены - тот самый мостик, через который индивидуальный опыт животного вступает во взаимодействие с его генетическим аппаратом.
О чём расскажет генная карта мозга
Как «поймать» экспрессию гена? Можно обнаружить её по синтезу молекул РНК. Для этого служит так называемая гибризидация in situ - метод, позволяющий увидеть места, где идёт синтез определённых РНК. Можно сделать видимым белковый продукт гена, если связать его со специфическими антителами и покрасить. Всё это, естественно, происходит уже после того, как мозг животного фиксируют и изготавливают из него тонкие срезы. Так же поступают и для обнаружения экспрессии c-fos . В запасе у экспериментаторов полтора-два часа после обучения животного, пока концентрация белка c-fos в его мозгу находится на пике.
При любом когнитивном (познавательном) процессе в мозгу начинают синхронно работать множество нейронов в разных областях. Имея такой инструмент, как генный зонд, можно увидеть, какие именно нейроны принимают участие в данном процессе. «Например, мы можем увидеть разницу в работе мозга крысы тогда, когда она видит другую крысу, и тогда, когда она видит кошку, - говорит Константин Владимирович. - Иными словами, узнать, какими структурами мозга она видит крысу, а какими кошку. Точно так же, когда человек видит на экране знакомое лицо, к примеру Билла Клинтона, в его мозгу активируются «нейроны узнавания Билла Клинтона». Хотя мозг человека, безусловно, намного сложнее изучать при помощи генных зондов. На сегодняшний день учёные пока не придумали методов прижизненной визуализации экспрессии генов в мозге. «В одной работе удалось зарегистрировать экспрессию c-fos человека в кусочке мозговой ткани, взятой для анализа на биопсию, - говорит К.В. Анохин. - Другие исследователи смогли увидеть её после смерти мозга. Но очевидно, что это не совсем то, что в живом мозгу».
Если генная карта мозга всё же будет создана, она покажет, какие его структуры отвечают за разные формы памяти. Посмотрев на генную карту, нейрофизиолог сразу увидит, где именно нужно изучать нейроны, например регистрировать их электрическую активность. Учёные из отдела системогенеза именно при помощи c-fos нашли, какие области мозга цыплят отвечают за импринтинг - запечатление. У метода есть и важные практические применения: с его помощью можно вести поиск лекарственных средств, потенциально улучшающих память (ведь именно такие вещества должны стимулировать активацию c-fos ), или изучать, как действуют на мозг алкоголь и наркотики.
Исследователи провели десятки экспериментов с самыми разными моделями обучения: пищевым и оборонительным, классическим и инструментальным, со зрительными, слуховыми, вкусовыми и иными стимулами, однократное и многократное обучение. В опытах участвовали мыши, крысы, цыплята и другие животные. Было установлено, что в разные виды обучения вовлекаются разные участки мозга, но есть и такие, которые участвуют всегда, например цингулярная кора.
Пока физиологи не подошли к тому, чтобы детально объяснить механизм генной активации, - то есть фактически они признают, что не знают до конца, как работает нервная клетка. Возможно, получая внешнее воздействие, она сравнивает его с имеющейся моделью и в случае рассогласования запускает генетический механизм. На сегодняшний день это наиболее убедительная гипотеза.
Очевидно, со временем появятся новые технические возможности для генного картирования Уже сейчас можно исследовать экспрессию разных генов в трёхмерном объёме мозга. В прошлом году один из основателей компании «Майкрософт» Пол Аллен выделил 100 млн. долларов на создание специального научного центра, перед которым поставлена задача нанести на карту мозга мыши экспрессию всех генов, которые там работают. Решение этой задачи потребует не одного года напряжённой работы, но решить её - очень заманчивая цель, поскольку это путь к понимаю того, как гены управляют работой мозга и поведением, в том числе и у человека.
Кандидат биологических наук Н.Маркина
«Химия и жизнь - XXI век»
