Век мозга: как устроена нервная система человека

      Первую теорию нервной системы записал Рене Декарт в попытке решить задачу об устройстве «машины человеческого тела». Он объяснял работу нервной системы движением специфических начал — «животных духов» (esprits animaux), быстрых маленьких частиц, что входят в полость мозга вместе с кровью. Теперь теорию Декарта называют мифом о «нервном процессе», но до середины ХХ века эти знания считались априорными в вопросе работы человеческого мозга.   

Даже с появлением клеточной теории учение о нервной системе продолжало придерживаться картезианского представления о нервном процессе. Понадобилось несколько десятилетий, чтобы окончательно утвердить клеточное строение нервной ткани. Нейронную теорию, которая впоследствии затмила открытия Декарта, впервые озвучили Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камило Гольджи в 1894 году на лекции в королевском сообществе в Лондоне, а в 1906 году они разделили Нобелевскую премию «в знак признания трудов о структуре нервной системы». О том, как с тех пор изменились знания о работе и строении человеческого мозга, «ММ» рассказал нейробиолог Илья Мартынов, научный руководитель Центра развития мозга и координатор фестиваля наук «День мозга».

Илья Мартынов, научный руководитель Центра развития мозга и координатор фестиваля наук «День мозга»

— На чем основывается нейронная теория и как научное сообщество пришло к ее принятию?

— В 1839 году Теодор Шванн и Маттиас Шлейден сформулировали свою знаменитую клеточную теорию строения организмов. В рамках их теории клетка являлась элементарной единицей строения всех живых организмов; клетки растений и животных самостоятельны, гомологичны (схожи) друг другу по происхождению и структуре.

В 1881 году Генрих Вальдейер ввел понятие “нейрон”, выдвинув его на роль основной функциональной единицы нервной системы. Взяв на вооружение соображения Вальдейера с использованиями методов оптической микроскопии, испанский врач и гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахаль описал и зарисовал клеточные элементы нервной системы.  Ему хватило мастерства и изящества настолько точно зарисовать нейроны, что ни у кого не осталось сомнений, что мозг состоит из клеток. Более того, ему удалось зафиксировать в своих рисунках структуру разных типов нервных клеток. На основе полученных данных он и сформулировал нейронную теорию строения нервной системы.

Современная нейронная теории основывается на положении о том, что вся нервная система состоит из отдельных единиц – нейронов. Каждый нейрон состоит из мембраны (обычно имеющей вытянутые отростки) и внутреннего содержимого с генетическим материалом. Клетки соединены различными контактами, преимущественно, синапсами. Подобный контакт состоит из пресинаптической мембраны, через которую выделяется вещество–посредник (медиатор), синаптической щели и постсинаптической мембраны. Когда в синаптическую щель выделяется нужное количество медиатора, проводится нервный импульс. Импульсы – это специфическая форма сообщений, передаваемых от клетки к клетке. И вообще это отражение особого свойства нервной ткани – возбудимости. В нашем организме только нервная и мышечная ткани могут проводить возбуждение и реагировать на него. Это настолько фундаментальное свойство нервной системы, что проявляется уже на этапе эмбрионального развития, когда формируются отдельные нейроны.  Во время развития мозга в утробе матери каждый нейрон должен установить контакт с другим нейроном. Если не успевает – его отростки втягиваются, и он умирает. Все как в нашей жизни: “вылетает” тот, кто не успел включиться в работу. Есть этапы формирования нервной ткани еще в мозге зародыша, когда нейроны гибнут с колоссальной скоростью – почти 60 млн в час! Более половины всех образовавшихся нейронов погибнут еще до рождения ребёнка.

Пирамидальный нейрон коры головного мозга. Сантьяго Рамон-и-Кахаль, 1904. Фото: Instituto Cajal www.elespanol.com

Нервные клетки связаны друг с другом не только синапсами. Есть так называемые щелевые контакты, когда мембраны двух нервных клеток как бы пронизаны насквозь специальными белковыми каналами.  Щелевые белковые каналы служат проводниками электрических сигналов. Также через эти каналы могут передаваться небольшие молекулы.  Совсем недавно, в 2018 году опубликована работа, в которой показано, что один нейрон может отправлять кусочки генетического материала другому. В одном из нейронов кусочки мРНК упаковываются в мембранный пузырёк и затем впрыскиваются в другую нервную клетку. Есть предположения, что это необходимо для формирования долговременной памяти. Вот такой генетический круговорот в нервной ткани! В общем, механизмы взаимодействия клеток внутри нервной системы в рамках нейронной теории с каждым годом для нас обрастают всё новыми подробностями.

— Как появилась методика условных рефлексов И. П. Павлова, и почему мы не можем представить современную нейробиологию без нее?

— Сам Павлов пришёл к открытию условного рефлекса случайно. Он изучал отдельные вопросы, связанные с физиологией пищеварения. В тот период подобные исследования были очень востребованы. Благодаря научным поискам Оскара Минковского 1880-х годов уже было известно, что есть некое вещество, вырабатываемое клетками поджелудочной железы, которое может регулировать уровень сахара в крови. Позднее его назвали инсулином. Необходимо было разобраться, как регулируется выработка этого и других веществ во время пищеварения. В некотором смысле Павлов изучал механизм выработки инсулина (который еще не был открыт к тому времени). Исследуя физиологию пищеварения у собак, Павлов однажды заметил, что слюна у животных выделялась даже в тех ситуациях, когда еды рядом не было, а присутствовал лишь некий внешний условный раздражитель. Павлов предложил концептуальную модель, в рамках которой условный рефлекс возникает в результате индивидуального опыта животного и человека. Такой условный рефлекс отличается крайней изменчивостью и приспособляемостью к любым внешним условиям. Условные рефлексы  - базовая основа приобретенного поведения. Выделяют рефлексы разных порядков. Например, условный рефлекс второго порядка образуется в том случае, если условный стимул подкрепляется условным раздражителем, на который ранее был выработан условный рефлекс. Теоретически можно вырабатывать бесчисленное множество условных рефлексов на основе уже имеющихся. Современная нейронаука до сих использует эти данные в своих исследованиях.

Нейронные корреляты сознания (НКС) — активность мозга, сочетающаяся с явлениями сознания. Например, когда мы осознаем, что видим собаку, мы стремимся найти нейронные события, соответствующие этому переживанию. www.en.wikipedia.org

— Вы говорите, если ХХ век можно считать веком физики, то ХХI — веком нейробиологии. Почему? 

— Обычно я все же сообщаю, что ХХI век — это век биологии и медицины, нейробиологии (в частности). Дело ведь в том, что эпоха тех или иных научных знаний связана с проявлением интереса к ним со стороны спонсирующей стороны. Если в ХХ веке было выгодно вкладываться в физику, то в нее и вкладывались как целые государства, так и относительно небольшие частные компании. В начале ХХ века возникли предположения о том, что можно и нужно приостановить старение, побороть болезни мозга, вылечить рак. Накопился массив данных, как будто бы позволявших это сделать. Но на самом деле дела обстоят сложнее, чем принято думать. Биологические системы слишком сложны, чтобы работать по простым гипотетическим моделям. Необходимо глубокое, детальное изучение каждого процесса. Это требует времени и колоссальных ресурсов. С позиций экономики глубокие исследования в краткосрочной перспективе невыгодны. Почему же мы не прекращаем работу в этом направлении? Потому что проделана уже огромная работа и вложены немыслимые средства, останавливаться на достигнутом уже никто не может. Более того, некоторые исследования в области именно нейробиологии откровенно отражают их весьма четкую коммерческую направленность. Например, исследования в области нейромаркетинга сосредоточены на том, как заставить наш мозг покупать определенные товары. Весьма активно ведутся исследования возможности декодирования нервно-психических функций. Люди пытаются научиться читать мысли человека, если можно так выразиться. До реального чтения мыслей еще очень далеко, но идея многим не дает покоя. Представьте себе систему, где государство про вас все знает и может контролировать ваши мысли. Красота, да и только! Подобные идеи весьма объемно отражены, например, в романе Джорджа Оруэлла “1984”. Правда, в будущем, вероятно, наши мысли будут читать не государства, а частные корпорации.

Если говорить о прорывных открытиях, то конкретные исследования выделить сложно, их слишком много. В конце ХХ столетия появились томографы, и это перевернуло наши взгляды на то, как можно исследовать мозг. Мы сумели в режиме реального времени наблюдать за изменением в активности тех или иных структур, увидели работу целых систем мозга. Благодаря таким исследованиям в начале 2000-х годов сформировалась концепция сети пассивного бодрствования мозга. Ее называют еще дефолт-системой мозга. Она отвечает за погруженность человека в мысли, связанные с внутренним диалогом с другими людьми (мы постоянно находимся во внутреннем диалоге с теми, с кем сталкиваемся в жизни). Выяснилось, что, когда мы решаем какие-то задачи, наш мозг снижает активность в медиальной префронтальной коре (которая, к слову, помогает понимать других людей), в латеральной теменной коре, в задней части поясной извилины, в энториальной коре.  Мозг СНИЖАЕТ активность в обширнейшей системе структур при решении конкретных умственных задач! Только вдумайтесь! Но когда нам кажется, что мы ни о чем не думаем, мозг, напротив, работает усиленно! Он как бы “переваривает” всю нашу “кашу” социальных взаимодействий, когда мы не заняты конкретным интеллектуальным трудом (решение уравнений, нахождение грамматических ошибок в тексте и др.). 

В 2008 году с помощью функционального томографа удалось показать, что мозг принимает решения задолго до того, как вы их осознаете. Более того, авторы исследования по активности областей в мозге предсказывали, о чем человек сознательно подумает через семь секунд. Естественно, что речь идет о простейших моделях принятия решения из предложенного выбора. Но все же утопия Оруэлла стремительно приближается. Хотя, как мне видится, важнейшие нейробиологические открытия этого века нам еще предстоят, именно поэтому я и считаю ХХI век веком биологических наук, в том числе и нейробиологических.

— Нейробиология позволила также сформировать несколько новых теорий сознания. Что это за теории?

— Здесь необходимо выяснить, о каком “сознании” идёт речь.  В первом случае можно рассматривать сознание как состояние противоположное сну. Можно упомянуть исследования, в которых было показано, что есть некоторые глубинные структуры, например, в стволе мозга, которые запускают процесс вхождения нашего мозга в состояние бодрствования. Одной из таких структур является ретикулярная формация, регулирующая циклы сна-бодрствования. Как показало исследование Мохаммеда Кубейси из университета Вашингтона, стимулирование структуры больших полушарий под названием ограда (лат. claustrum) приводит к прекращению мыслительной деятельности и потере сознания.

Во втором случае сознание можно охарактеризовать как результат интегративной функции человека. Например, Андрей Курпатов пишет, что сознание – это то, что мы осознаём: то, как мы понимаем жизнь, что думаем о себе и как воспринимаем других людей. В этом смысле сознанию не может быть отведён какой-то один конкретный участок в мозге. Сознание – это совокупная работа многих структур мозга. Нам необходимо оперировать несколькими мысленными объектами одновременно. За это отвечает рабочая память, находящаяся в лобных долях мозга. Чтобы “прокручивать” в своём сознании какие-то эмоциональные события, нам необходимо задействовать целый ряд структур, таких как гиппокам, амигдала, поясная извилина и др.

Теорий сознания множество, но, боюсь, ни одна из них на сегодняшний день не в состоянии представить, как реально обстоят дела с процессами мышления и восприятия в мозге. Например, теория Фрэнсиса Крика и Кристофа Коха предполагает, что мозг полностью состоит из нейронных коррелятов — небольших групп нейронов, объединенных на основе структурных и функциональных признаков. Основная задача нейронных коррелятов – обеспечение направленности процессов внимания. Авторы этой теории полагали, что именно внимание придаёт целостность человеческому созданию. Внимание как бы собирает и объединяет разрозненные процессы в одну картинку, пусть и сложную, но с понятным нам сюжетом.

В рамках другой теории, предложенной Джеральдом Эдельманом, лежит предположение, что нейронные сети и группы нервных клеток постоянно перестраиваются для адаптации к изменяющимся условиям. В буквальном смысле меняются конфигурации связей между клетками. Одни могут разбираться, а другие возникать. Таким образом, нейроны мозга постоянно объединяются в группы для эффективной обработки информации. Формируются своеобразные заготовки для реагирования на ту или иную ситуацию.

Я, например, полагаю, что истина может быть где-то посередине. Нейронные группы могут действительно перестраиваться, но в какой-то момент времени необходимо координировать их работу. И тут внимание может выступать своеобразным организатором, если хотите, дирижёром всего процесса. Именно поэтому я считаю невероятно важным развитие процессов внимания. Сразу добавлю, что с точки зрения нейрофизиологи никакого внимания нет, а есть совокупность процессов, обеспечивающих эту функцию.  Мы просто так привыкли её называть. Это наследие от психологической школы XIX века.

— Отец нейробиологии Сантьяго Рамон-и-Кахаль занимался подробным анализом своих и чужих сновидений, чтобы опровергнуть учение сотрудника своей лаборатории Зигмунда Фрейда о том, что что любой сон есть результат подавленного желания. А что говорит современная наука о сновидении?

— Да, действительно есть свидетельства, что Зигмунд Фрейд трудился в лаборатории Рамон-и-Кахаля. В тот период о сне знали не так много, поэтому взгляды даже у серьезных ученых были весьма экстравагантны. В современной науке нет убедительных данных о том, что сновидение может быть как-то трактовано. Дело все в том, что в момент пробуждения мы реально помним совсем небольшую часть тех образов, которые возникали во время сна в мозге. Считается, что самые яркие сновидения мы проживаем только в быструю фазу сна. Таких фаз в течение ночного сна несколько. Они чередуются с фазами медленно сна, когда мы не можем наблюдать ярких сновидений. С утра мы обычно припоминаем лишь образы из одной-двух последних фаз быстрого сна. Таким образом, в любом случае мы не получаем полной картины всех возникавших за ночь сновидений. Более того, они, вероятно, были связаны с сортировкой полученных ранее в опыте знаний и ощущений.

Например, людям часто снятся механические действия, которые они выполняли на протяжении рабочего дня.

— А как ученые описывают нейробиологические механизмы памяти?

— Согласно одной из главенствующих гипотез в современной нейронауке, память может быть заключена в межнейронных связях – синапсах. Важно уточнить, что краткосрочную память связывают с образованием нестойких молекулярных соединений, а долгосрочную с изменением структур самих клеточных контактов. В 2000-м году Эрик Кандель с коллегами получил Нобелевскую премию «за открытия, связанные с передачей сигналов в нервной системе». Ему удалось доказать, что приходящий сигнал от одного нейрона к другому может воздействовать на генетический аппарат в ядре клетки.  Например, мы работаем с сетью нейронов, пытаясь обучить ее что-то делать. В случае с краткосрочной памятью под мембраной нейрона, получившего сигнал от другой клетки (в результате какого-то воздействия извне), активируется сигнальный белок под названием протеинкиназа А, что приводит к увеличению количества выбрасываемого медиатора в синаптическую щель. В таком случае передача сигнала к последующему нейрону осуществляется более эффективно.  Но эффект непродолжителен. По всей видимости, так устроена кратковременная память.  Если же повторять многократно этот процесс воздействия извне, то протеинкиназы А становится так много, что она проникает в ядро нейрона. Это приводит к активизации другого регуляторного белка – транскрипционного фактора CREB. Белок CREB «включает» целый ряд генов, работа которых в конечном счете приводит к разрастанию синапса, то есть увеличению площади контакта. Проще говоря, долговременная память связана с анатомическими изменениями самих контактов между нервными клетками! В действительности многие механизмы формирования памяти для нас пока остаются загадкой.

— Какие нерешенные вопросы стоят перед нейробиологией?

— Вопросов великое множество. До сих пор нет единой теории работы мозга. Есть масса разрозненных фактов, а как в целом машинка работает, никто не понимает. В 2005-м году запустили международный проект “Blue Brain Project”.  Они, например, создали первую модель колонки новой коры клеточного уровня, построенную исключительно по биологическим данным. Колонка – это такая функциональная единица коры больших полушарий, своеобразный модель обработки информации. Сейчас необходимо понять, как эти модули функционируют друг с другом. Это серьезный, не решенный до конца вопрос.  К нерешенным вопросам можно отнести невыясненные функции многих структур мозга.  До сих пор нам предельно не ясны механизмы возникновения таких заболеваний мозга, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, хорея Гентингтона и многих других. Как говорит один мой коллега: “Мозг – непаханое поле для исследований”.

— Какое практическое значение несут нейробиологические открытия?

— Практическое применение знаний нейронаук лежит прежде всего в области медицины. Это и создание различных препаратов для улучшения кровообращения в мозге, а также для коррекции нарушений памяти и внимания. Это и различные методы оптимизации работы мозга, лечения депрессии (например, магнитная стимуляция мозга, стимуляция коры мозга токами малой величины). Как я уже упоминал, активно развивается нейромаркетинг. Ожидается, что в будущем мы сможем создавать нейрокомпьютерные интерфейсы, позволяющие нам управлять вычислительными устройствами, автомобилями, умными домами одной лишь силой мысли. Лично мне бы хотелось, чтобы знания из нейронаук активно входили в образовательные системы. Полагаю, однажды нам удастся перестроить многие образовательные программы так, чтобы они отражали накопленный опыт нейронаук. В общем, практическое значение нейробиологических открытий весомо.