Греческие философы, споря о сущности души и законах мышления, мало интересовались с какой именно частью человеческого тела они связаны. Только знаменитый древнеримский врач Клавдий Гален, помогая раненым гладиаторам, обратил внимание на последствия повреждений головного мозга. Сопоставляя характер травм с поведенческими и речевыми нарушениями, он сделал вывод, прочно вошедший в каноны античной и средневековой науки: мозг — это вместилище навыков, эмоций и мыслей. Однако понадобилось еще более полутора тысячелетий, прежде чем люди узнали об этом что-то более определенное.
В конце 20-х годов прошлого века австриец Ганс Бергер получил первые электроэнцефалограммы — записи электрической активности мозга. К тому времени уже было известно, что нервные импульсы — это волны электрического потенциала, и именно они являются тем языком, на котором нейроны (нервные клетки) общаются друг с другом и с подчиненными им клетками мышц и желез. Наконец-то наука получила доступ к неуловимому «секрету мозга», к прямым проявлениям его работы. С помощью этого метода сделано немало важнейших открытий, а в некоторых областях (в физиологии сна, диагностике эпилепсии) его роль просто исключительна. Но вот вычитать в энцефалограмме даже самую простенькую мысль не удалось никому. Мозг состоит из миллиардов нейронов, и электрод может отразить только суммарную, усредненную активность клеток, оказавшихся по соседству с ним. Это похоже на гул, который производит многотысячное скопление людей, одновременно что-то говорящих. И только с изобретением микроэлектродов, которые можно было вводить в тело нейрона, исследователи научились слушать одиночный «голос». Это было огромным прорывом, за которым последовали новые открытия.
Главные участки головного мозга
Полушария состоят из лежащих в глубине ядер и коры, образующей их поверхность. Кора головного мозга — слой серого вещества толщиной около 3 мм. Именно с этой структурой связаны все психические функции, включая даже самые простые произвольные движения. Кора имеет складчатую поверхность, общая площадь которой в 30 раз больше, чем если бы она была гладкой. В каждом полушарии выделяют 4 доли. Височные связаны со слухом, чувством равновесия и обонянием, теменные — с осязанием, «телесным чувством» (ощущением движения, взаимного расположения частей тела и т. д.) и вкусом, затылочные — со зрением, а лобные — с двигательными функциями (в том числе активной речью), принятием решений и т. д.
Продолговатый мозг , по сути дела, представляет собой продолжение спинного мозга внутри черепа. В нем же проходят мощные проводящие пути, посредством которых высшие отделы мозга управляют активностью спинномозговых нейронов.
Задний мозг , образуют две хорошо различимые структуры: мозжечок и мост. Мозжечок — самая большая структура заднего мозга — отвечает главным образом за так называемые «баллистические» движения (удар, прыжок, в значительной мере обычная ходьба и т. д.), которые трудно скорректировать по ходу дела, а потому они требуют точного предварительного расчета.
В толще продолговатого мозга и моста заднего мозга лежит ретикулярная формация — сеть нейронов, контролирующих уровень бодрствования, частоту сердечных сокращений, дыхание, кровяное давление, глотание, кашель и ряд других непроизвольных функций, которые должны поддерживаться постоянно. С регуляцией вегетативных функций и мышечного тонуса тесно связан и средний мозг, но у человека эта структура обычно работает под жестким контролем более высоких отделов и редко выступает самостоятельно.
В промежуточный мозг включают ряд парных ядер, входящих в состав больших полушарий (среди которых выделяется таламус — крупное ядро, играющее ключевую роль в обработке зрительной информации), и непарный гипоталамус. Эта структура лежит в основании мозга под полушариями и отвечает за постоянство параметров нашего организма. Самая большая часть головного мозга — передний мозг, образующий (вместе с таламусом и некоторыми другими ядрами) большие полушария. Они соединены между собой мозолистым телом — пучком нервных волокон. Полушария выполняют разные функции, а их совместная деятельность координируется через мозолистое тело.
Новые возможности
Когда-то Иван Павлов говорил о том, как много мы могли бы узнать, если бы череп был прозрачным, а возбужденные нервные клетки светились, как лампочки. В последние десятилетия минувшего века техника превзошла его фантазию: в нейрофизиологических лабораториях появились компьютерные томографы, позволяющие воочию увидеть активность нервной ткани не только на поверхности коры, но и в любом слое и структуре мозга. Правда, в отличие от приборов прежнего поколения томографы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса, «видят» не непосредственно электрическую активность ткани, а уровень обмена веществ в ней. Противники этого метода говорят, что это примерно то же самое, что пытаться выяснить технические характеристики машины, измеряя нагрев разных ее частей в ходе работы. Тем не менее именно томограф впервые «увидел» мозг, в том числе и человеческий, в работе.
Современные методы, позволяющие «заглянуть» внутрь мозга, а именно позитронно-эмиссионная и магнитно-резонансная томография, появились в конце прошлого столетия и стали фундаментом для очередной ступени исследований. Видимо, поэтому и Конгресс США объявил девяностые годы этапом фундаментального изучения человеческого мозга. Инициатива была подхвачена учеными всего мира и получила статус международной.
При помощи томографов — позитронно-эмиссионных (ПЭТ) — стало возможным определить уровень метаболической активности. Для этого пациенту вводится короткоживущий радиоизотоп, который накапливается в различных отделах мозга. В тех участках, где обменные процессы активнее, количество позитронов (антиэлектронов), образующихся при распаде изотопов, больше. Рождаясь, они тут же аннигилируют с электронами, порождая пару гамма-квантов, которые можно уловить находящимся вне головы приемником и точно определить точку, из которой они вылетели. Так, одним из первых достижений нейрофизиологов, полученных с помощью ПЭТ, стала наглядная иллюстрация расположения речевых функций в левом полушарии.
Одним из важных направлений с использованием ПЭТ стало микрокартирование мозга, позволяющее определить «местожительство» наиболее сложных проявлений человеческих возможностей, отвечающих, например, за грамматику, смысл речи или математические вычисления. Приток глюкозы с радиоактивной меткой точно указывает центр усиленной работы нервных клеток.
Методом магнитного резонанса, передающего информацию на специальный сканер, можно воочию наблюдать, какие участки мозга активизируются, когда человек испытывает те или иные эмоции. Так, исследования, проведенные в лаборатории неврологии эмоций в Висконсинском университете в Мадисоне, показали, что префронтальная (расположенная за лобной долей) кора левого полушария вовлечена в формирование положительных эмоций, а соответствующий ей участок «правой» коры, наоборот, связан с отрицательными эмоциями, а также функцией запрещения. Изучение этих процессов открывает хорошие перспективы реабилитации людей с психическими заболеваниями.
Другой мощный источник информации о работе мозга дали успехи молекулярной биологии. Физиологи давно догадывались, что долгосрочные изменения в нервной системе, такие как память, каким-то образом связаны с работой генов. В 60-е годы прошлого века, под влиянием ряда открытий, связанных с расшифровкой генетического кода, возникли даже гипотезы, что запоминаемая информация, подобно генетической, записывается в виде больших линейных молекул. Вскоре выяснилось, что в нейронах, вовлеченных в обучение, действительно начинается бурный синтез каких-то белков. Однако на роль «молекул памяти» они явно не годились: чему бы ни учили животное, белки у него вырабатывались одни и те же.
Однако в 90-е годы исследователи получили возможность быстро определять и белки, и гены, с которых они были считаны. И вскоре «белки обучения» были опознаны как факторы транскрипции — сигнальные вещества, запускающие синтез других белков (такие цепочки сигналов, работающие как каскадные усилители, — обычное дело в биохимических системах). В этих многоступенчатых реакциях еще многое неясно, но предполагается, что их конечным продуктом могут быть белки-рецепторы к нейромедиаторам — веществам, передающим нервный импульс с одного нейрона на другой (или, наоборот, подавляющим активность нейрона-адресата). Если это так, то увеличение числа рецепторов может облегчать передачу сигнала, а это прямо соответствует тому, что давно ищут нейрофизиологи.
Еще в 1949 году канадский психолог Дональд Хебб предположил, как мог бы быть устроен механизм памяти. По мнению ученого, главные события памяти разворачиваются в зоне контакта двух нейронов — синапсе. Если через данный синапс импульсы какое-то время идут чаще обычного, то в нем происходят перестройки, облегчающие прохождение сигнала, и в дальнейшем нейрон будет срабатывать и на те импульсы, которые прежде не могли подвигнуть его на импульс. Формирование такого «облегченного запуска» и есть элементарный акт запоминания. В то время эта схема была чисто бумажной, у физиологов не было возможности проследить процессы, происходящие в синапсе. Сегодня они появились. И известно уже множество генов, активизирующихся в ходе работы нейрона.
Если в теле нейрона сигнал существует в форме электрического потенциала, то при контакте между нейронами в дело вступают химические посредники — медиаторы. В местах контакта мембраны соприкасающихся нейронов не сливаются, а образуют особую структуру — синапс. В этом месте цитоплазма одного из нейронов содержит крохотные пузырьки с веществом-медиатором. С приходом нервного импульса часть этих пузырьков изливает содержимое в пространство между мембранами — синаптическую щель. Достигнув противоположной мембраны, молекулы медиатора связываются с расположенными в ней белками-рецепторами. Те изменяют свое состояние, открывая в мембране каналы для ионов калия, натрия и кальция. Чем больше молекул медиатора достигнет рецепторов, тем вероятнее возникновение нервного импульса, который затем охватит все тело нейрона-адресата. Бывают, впрочем, и тормозные синапсы, выброс медиатора в которых усиливает поляризацию мембраны, снижая вероятность возникновения импульса. Каждый синапс может проводить сигналы только в одном направлении. Сегодня известно несколько десятков различных медиаторов. Почти все они представляют собой относительно простые органические вещества — как правило, аминокислоты, производные аминокислот или цепочки из небольшого числа аминокислот (пептиды). Есть, впрочем, и медиаторы неаминокислотной природы, как, например, ацетилхолин, имеющий широчайшее распространение. Многие медиаторы химически сходны с гормонами или внутриклеточными сигнальными веществами. Во всех синапсах одного нейрона, как правило, выделяется один и тот же медиатор, но при этом в одних синапсах он может передавать возбуждение, а в других — торможение. (Недавно выяснилось, что аминокислота глютамат в синапсах ведет себя как обычный медиатор, а связываясь с рецепторами вне синапса, может запускать апоптоз — самоуничтожение нейрона-адресата.) Разнообразие медиаторов не удается связать и с функциональной специализацией выделяющих их нейронов. Наиболее убедительное объяснение этого феномена принадлежит российскому нейрохимику Дмитрию Сахарову, предположившему, что оно отражает историю становления нервной ткани: клетки-связники, эволюционно возникая в разных тканях, использовали разные сигнальные вещества. Слившись позднее в единую нервную систему, они сохранили свои «фамильные» медиаторы.
На фото: Синапс — зона контакта двух нейронов. В цитоплазме одного содержатся молекулы медиатора (красные шарики), которые через синаптическую щель достигают рецепторов (розового цвета) на мембране другого нейрона и открывают каналы (оранжевые) для ионов К, Са и Nа, участвующих в проведении нервного импульса
«Все эти исследования очень убедительно показывают УЧАСТИЕ данного гена в той или иной деятельности, но показать его РОЛЬ они, конечно, не могут. И получается, что один ген заставляет организм совершить сложное целенаправленное действие», — иронизирует сотрудник лаборатории нейрофизиологических основ психики Института психологии РАН кандидат психологических наук Александр Горкин. По его мнению, сегодня физиология столкнулась на молекулярно-генетическом уровне с тем же, с чем на уровне морфологическом она уже сталкивалась во времена опытов начала прошлого века. Дело в том, что любая деятельность не только мозга в целом, но и всех его частных механизмов всегда системна, целостна и нацелена на достижение определенного результата, а потому заведомо пластична. Если обычный путь достижения результата почему-то невозможен, система ищет и находит другие пути. Это и позволяет мозгу всякий раз обманывать исследователей, пытающихся «привязать» его функции к определенным структурам, будь то участки коры, клетки или гены. Предположив, что такая-то структура играет ключевую роль в неком процессе, исследователь удаляет или блокирует ее, а мозг тут же находит ей замену.
И тем не менее, по мнению Александра Горкина и его коллег, массированная атака на мозг с применением новых методов все-таки приносит свои плоды — в последние десятилетия мы узнали немало нового. Оказалось, например, что вопреки известной фразе «нервные клетки не восстанавливаются» у взрослых людей и животных идет созревание нейронов из клеток-предшественников. Этот процесс доказан для обонятельных луковиц и гиппокампа (неприметной, но очень популярной у ученых складочки древней коры, играющей важную роль в процессах памяти), и есть подозрения, что он происходит и в новой коре. Другим открытием последних лет стала долговременная потенциация — то самое постулированное Хеббом улучшение проводимости постоянно работающего синапса. Правда, в лаборатории этот эффект зарегистрирован при таких условиях, которые вряд ли происходят в организме, но умозрительная модель Хебба все больше обретает реальные очертания. Наконец, возможность регистрировать активность большого числа нейронов одновременно и изощренные способы обработки результатов позволяют подступиться к анализу согласованной работы нейронных ансамблей. Таким путем, например, немецкий физиолог Морис Ингер обнаружил своеобразный тип синхронизации активности нейронов, возникающей лишь тогда, когда совокупность движущихся точек складывается для животного в целостный образ. А в конце прошлого года группа американских ученых во главе с Роберто Фернандесом нашла в мозгу пчелы нечто очень похожее на еще одно теоретическое построение Дональда Хебба — модель кратковременной памяти. Когда экспериментаторам удается обнаружить и опознать явления, предсказанные теоретически, это считается показателем хорошего понимания изучаемого предмета. Но обольщаться не следует: человеческий мозг гораздо сложнее и неожиданнее самых логичных и обоснованных теорий, какие только можно придумать. Однако комплексный подход к изучению процессов, происходящих в мозгу, с использованием аппаратов, позволяющих получать «карту» метаболической активности различных отделов мозга, в сочетании с молекулярно-генетическим анализом позволяет по-новому взглянуть на проблему лечения самых сложных заболеваний.
«Мозг выделяет мысли, как печень — желчь, а слюнная железа — слюну»,— сказал в самом начале XIX века французский философ и врач Пьер-Жан-Жорж Кабанис. Но желчь, слюну или желудочный сок можно было без труда обнаружить, вскрыв соответствующий орган. Мозг же неизменно представал перед анатомами лишенным всяких следов своего главного «секрета». Сопоставляя его с разного рода устройствами, способными к сложным и совершенным действиям: механические часы, компас, простейшие гидравлические и пневматические машины, люди задались вопросом: «А что, если и мозг — такая же машина, только гораздо более сложная и совершенная?» Уже в середине XVII века подобные размышления привели великого математика и философа Рене Декарта к идее «отраженного действия» — рефлекса. Все очень просто: внешнее раздражение приводит в действие некие воздухоподобные частицы («животные духи»), которые устремляются в мозг, а из него в мышцы — и человек отдергивает руку от огня. Правда, так удавалось объяснить только самые простые непроизвольные действия. Тем удивительнее, что спустя полтора столетия основные положения его теории были доказаны работами целого ряда ученых из разных стран, один из которых, чешский анатом Ян Пуркинье, и ввел в обращение сам термин «рефлекс». Правда, наиболее четко эта схема реализовывалась в работе спинного мозга, особенно когда ему не мешал головной. Своей вершины этот подход достиг в знаменитом учении Ивана Павлова: превратив рефлекс в инструмент физиолога, русский ученый выдвинул концепцию работы мозга, позволяющую связать изменения в поведении животного с изменениями в работе нервной ткани. Но все эти выводы строились на косвенных данных, внешних проявлениях нервной активности, основанных на опытах с животными, которые не давали объяснения свойств мышления или психики. Средств же, позволяющих увидеть собственно работу мозга, у ученых в то время не было. Однако они не теряли надежды проникнуть в тайну этого загадочного органа. Еще в 1810-х годах австрийский анатом Франц Йозеф Галль, связав психическую деятельность человека с корой больших полушарий мозга, предположил, что каждый тип умственных способностей человека приурочен к определенной области коры, размер которой прямо пропорционален величине соответствующей способности. Теория и методика Галля, известные под именем «френология», некоторое время были весьма популярны, но из-за явного несоответствия фактам вскоре стали предметом насмешек. Однако 50 лет спустя французский антрополог и хирург Поль Брока на конкретном примере сумел доказать, что разрушение или сильное повреждение небольшого участка коры, а именно — задней трети нижней лобной извилины левого полушария, лишает человека дара членораздельной речи, сохраняя при этом способность издавать звуки и понимать чужие слова. В 1874 году немецкий психиатр Карл Вернике описал обратную картину — больных, которые могли говорить, но не понимали смысла слов, произносимых другими. И это тоже оказывалось следствием локального разрушения коры — на сей раз задней трети верхней височной извилины левого полушария. Однако «привязать» к конкретным структурам мозга все явления психики, а тем более найти участки нервной ткани, где хранятся конкретные воспоминания, знания и навыки, ученым так и не удалось — мозг не поддавался картированию.
1. ПЭТ выявил участки мозга (красные), связанные со словестным обучением. Слева — участок, отвечающий за запоминание самого слова, справа — за сохранение в памяти его значения
2. Слуховая деятельность мозга. Красные и зеленые зоны воспринимают звук, желтая — его анализирует, розовая— отвечает за речевые функции
3. Микрокартирование зрительной активности. Голубым цветом окрашены зоны, где активность нейронов низка, красным и белым— зоны высокой активности
Высший пилотаж
Багаж полученных знаний об «ответственности» разных долей и участков головного мозга за определенные функции лег в основу стереотаксической нейрохирургии, обеспечивающей максимально щадящее воздействие на его глубокие структуры. Стереотаксис, то есть введение электродов или иных инструментов в точно определенные структуры в глубине мозга, уже много десятилетий широко применяется в экспериментах на животных. Однако в работе с человеческим мозгом к подобным операциям прибегают только в том случае, когда все возможности медикаментозных методов уже исчерпаны, а болезнь продолжает прогрессировать, принося человеку страдания и делая его асоциальным. Сегодня этот вид вмешательства получает более широкое распространение благодаря развитию томографии, позволяющей точно и оперативно определить расположение очага болезни. Стереотаксическая хирургия применяется при лечении больных, страдающих нарушениями двигательного аппарата, например болезнью Паркинсона или хореей Гентингтона, эпилепсией, атетозом, а также фантомноболевым синдромом и рядом других психических нарушений. Также стереотаксис используется для разрушения некоторых опухолей головного мозга, для лечения гематом, абсцессов, кист мозга или для уточнения диагноза.
Предположим, в глубине мозга имеется какое-то органическое поражение, например опухоль. Добраться до нее обычным хирургическим инструментом можно только сквозь толщу нервной ткани — естественно, рассекая и тем самым повреждая ее. Стереотаксическая методика позволяет, рассчитав точные координаты на основании данных магнитно-резонансного и позитронно-эмиссионного томографов, ввести с помощью малотравматичного тонкого щупа радиоактивные вещества, которые выжгут опухоль и за короткое время распадутся. Повреждения при проходе сквозь мозговую ткань минимальны, а опухоль будет уничтожена. Главная задача — решить, как до нее добраться, какой путь выбрать, чтобы не задеть важные зоны.
Опухоль — не единственная мишень для стереотаксической хирургии. Причина некоторых психических заболеваний заключается в том, что одна маленькая группа нервных клеток или несколько таких групп работают неправильно. Они либо не выделяют необходимые вещества, либо выделяют их слишком много. С этими патологическими очагами поступают так же, как с опухолями, — уничтожают либо изолируют. Помимо радиоактивных изотопов для этого применяются электролиз (воздействие постоянным током), высокочастотная электрокоагуляция, локальное замораживание жидким азотом.
В случае, когда нервные клетки, отвечающие за определенную работу, не справляются с ней, задачей нейрохирурга становится переориентация других нервных клеток на выполнение утраченных функций, то есть заставить здоровые клетки выполнять работу за нервные клетки, которые уже нельзя восстановить. В этом направлении уже получены хорошие результаты: например, некоторых пациентов с нарушением области Брока, находящейся в задне-нижней части третьей лобной извилины левого полушария (у правшей), отвечающей за формирование речи, удалось обучить говорить заново.
Стереотаксические вмешательства не похожи на обычные операции. Этот метод требует абсолютной точности расчета координат «больной» точки и траектории ведения зонда. И если одно или другое будет выбрано неправильно, все дальнейшие действия нейрохирурга станут бессмысленными. Сами врачи называют стереотаксис высшей математикой в хирургии, однако считают, что будущее во многом зависит от его развития и широкого внедрения в практику.
Борис Кулигин
