Эрик Чадлер.

Тайны головного мозга. Вся правда о самом медийном органе



скачать книгу бесплатно

ERIC CHUDLER AND LISE JOHNSON

BRAIN BYTES

Печатается с разрешения издательства W. W. Norton & Company, Inc. и литературного агентства Andrew Nurnberg

© 2017 by Eric Chudler and Lise A. Johnson

© 2017 by Kelly S. Chudler

© ООО «Издательство АСТ», 2018

Все права защищены.

Ни одна часть данного издания не может быть воспроизведена или использована в какой-либо форме, включая электронную, фотокопирование, магнитную запись или иные способы хранения и воспроизведения информации, без предварительного письменного разрешения правообладателя.

* * *

Эрик Чадлер – специалист, преподаватель нейробиологии, автор многих книг, посвященных вопросам функционирования нашего мозга. Также он является исполнительным директором и директором по образованию в Центре сенсорной нейронной инженерии (Center for Sensorimotor Neural Engineering).


Лиза Джонсон – доктор философских наук, нейроинженер, автор научных трудов. В сферу ее интересов также входит изучение работы и функционирования мозга и реакция этого органа на влияние извне при помощи умственных «тренировок».

Введение

Нейробиология проникла всюду. Головной мозг человека стал главным содержанием журнальных обложек и голливудских блокбастеров. Эта медийная популярность вызвана множеством вопросов, задаваемых людьми, которых интересует, что же все-таки происходит в трех фунтах ткани, заключенной в черепной коробке. Часть ответов на эти вопросы и дает нейробиология, точнее, занимающиеся этой наукой ученые. Многие вопросы, правда, остаются пока без ответа. В этой книге мы отвечаем на некоторые необычные вопросы, касающиеся структуры и функций мозга. Будет неплохо, если вы проверите наши ответы, пользуясь другими источниками. Мы надеемся, что вы будете удивлены нашими ответами, но самое главное – мы надеемся, что наша книга побудит вас к постановке новых вопросов. Нам предстоит еще так много узнать…

Глава 1
Древняя нейробиология

ВОПРОС:

Всегда ли люди считали мозг важным органом?

ОТВЕТ:

Головной мозг высоко ценили отнюдь не всегда. Например, при изготовлении мумий древние египтяне сохраняли сердце, печень, желудок, кишки, почки и легкие умершего, а мозг вычерпывали через нос и выбрасывали. Сердце, а не мозг, считали средоточием мышления, ощущений и чувств. Тем не менее, именно египтяне в своих древнейших записях употребили слово мозг, о чем свидетельствует хирургический папирус Эдвина Смита.

Греческий философ и врач Гиппократ (460–377 до н. э.) утверждал, что мозг отвечает за разум и эмоции. Такое понимание роли мозга сильно отличалось от такового понимания у египтян, и было основано на выполненных Гиппократом наблюдениях больных, страдавших поражениями головного мозга. Причину эпилепсии Гиппократ видел в нарушении функции мозга, а не во вмешательстве сверхъестественных сил.

Взгляды Гиппократа были поддержаны многими учеными, но несмотря на это греческий философ Аристотель (384–322 до н. э.) все же полагал, что вместилищем ощущений и движений является сердце.

Согласно Аристотелю, мозг был предназначен лишь для охлаждения крови. Греческий врач Гален (129 н. э. – ?) был хорошо знаком с воззрениями как Гиппократа, так и Аристотеля. Гален вскрывал мозг многих животных, но не решался вскрывать мозг человека. Тем не менее, опыты на животных и наблюдение больных с черепно-мозговыми травмами убедили Галена отвергнуть мнение Аристотеля о первостепенной важности сердца, и согласиться с Гиппократом в том, что именно головной мозг является местом локализации разума и сознания.

Гален ошибался во многих своих суждениях о нейроанатомии человека, и это объяснялось тем, что Гален никогда не исследовал мозг человека. Тем не менее, несмотря на это воззрения Галена на неврологию продержались в науке много столетий.

Дополнительные сведения по истории нейробиологии можно почерпнуть в Приложении 6, где перечислены самые знаменательные вехи в исследовании строения и функций центральной нервной системы.

Библиография:

Finger, S. Origins of Neuroscience (New York, Oxford University Press, 1994).


ВОПРОС:

Действительно ли люди всерьез считали, что шишки на черепе могли что-то сказать о разуме и личности человека?

ОТВЕТ:

В девятнадцатом веке было весьма популярным учение о том, что личность, характер и интеллект человека можно «прочитать» по шишкам на его черепе. Это учение, называемое френологией, было разработано немецким врачом Францем Йозефом Галлем (1758–1828). Популяризатором френологии в США стал Иоганн Шпурцгейм (1776–1832).

Френология была основана на представлении о том, что различные свойства и характеристики человеческой личности локализованы в специфических участках головного мозга, а шишки или зазубрины на черепе являются отражением сильного, нормального или, наоборот, слабого развития соответствующих областей мозга. Воспользовавшись черепами умерших выдающихся писателей, ученых и политиков, исследовав черепа преступников, а также людей, страдавших умственными и душевными расстройствами, Галль создал свою модель, так как полагал, что у этих индивидов, в связи с сильной выраженностью определенных черт, так же сильно выражены и их черепные признаки. В картах Галля были отражены двадцать семь личностных черт, включая гордыню, коварство, мудрость, поэтический талант, память на лица, память на слова и способность к счету. Позднее Шпурцгейм добавил к этой карте еще восемь признаков.

Френологи были уверены, что, ощупав голову пациента, смогут вывести из этого обследования характер и особенности личности данного человека. Критики указывали на то, что поражения мозга вызывают расстройства личности, что никак не отражается на строении черепа. Другие ученые, в том числе французский физиолог Жан-Пьер Флуранс (1794–1857), утверждали, что в коре головного мозга вообще отсутствуют какие бы то ни было специфические участки, отвечающие за конкретные функции. Напротив, Флуранс и его единомышленники считали, что в функциональном отношении все области коры ничем не отличаются друг от друга. Относительно френологии Флуранс был прав, но насчет коры он ошибся.

Теперь идеи френологии представляются нам странными, и, действительно, они были довольно скоро отвергнуты научным сообществом. Тем не менее, в науке, в конце концов, возобладало мнение о том, что разные участки коры выполняют различные функции.


ВОПРОС:

Получали ли специалисты по нейробиологии Нобелевские премии?

ОТВЕТ:

Да, ученые-нейробиологи получали Нобелевские премии по физиологии и медицине. С момента учреждения Нобелевской премии в 1901 году 60 нейробиологов (индивидуально или в группе) получили эту высокую награду. Первыми нейробиологами, лауреатами Нобелевской премии, стали Камилло Гольджи (1843–1926) и Сантьяго Рамон-и-Кахал (1852–1934). Гольджи и Кахал получили совместно Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1906 году, несмотря на то, что придерживались диаметрально противоположных воззрений на способ, каким нейроны соединяются друг с другом. Тем не менее, оба получили премию за выдающийся вклад в изучение строения нервной системы. Впоследствии выяснилось, что премия была присуждена не вполне справедливо, так как прав оказался Сантьяго Рамон-и-Кахал, который утверждал, что между отдельными нейронами существуют щели, и что нервные клетки не переходят друг в друга.

Впоследствии Нобелевские премии присуждались нейробиологам за работы по изучению неврологических расстройств, зрения, слуха, обоняния, нейрохимии, по визуализации мозга и исследованию функций нейромедиаторов. В 1949 году премия была присуждена Антониу Эгашу Монишу (1874–1955). Это решение оказалось не вполне удачным, потому что предложенная Монишем операция лоботомии оказалась неэффективной в лечении психических расстройств. Тем не менее, комитет не стал лишать ученого полученной премии. Последний раз (2014 год) Нобелевскую премию получили нейробиологи Джон О’Кифи (род. 1939), Эдвард Мозер (род. 1962) и Мэй-Бритт Мозер (род. 1963) за работы по исследованию системы пространственной навигации в головном мозге.

В приложении 5 перечислены все нейробиологи, получившие Нобелевскую премию по физиологии и медицине.


ВОПРОС:

Как ученые узнали, что нервные клетки посылают друг другу химические сигналы?

ОТВЕТ:

Есть люди, например, такие, как немецкий ученый Эмиль Дюбуа-Реймон (1818–1896), которые опережают свое время. В конце девятнадцатого века Дюбуа-Реймон предположил, что нервные клетки могут вызывать сокращения мышц, воздействуя на них определенными химическими соединениями. В то время на эту гипотезу просто не обратили внимания; ученые в то время ожесточенно спорили на тему о том, являются ли нейронные сигналы электрическими или химическими по своей природе.

Идеи Дюбуа-Реймона подтвердились только после того, как в начале двадцатого века ученые начали испытывать воздействие лекарств на вегетативную (автономную) нервную систему. Например, английский фармаколог Генри Халлетт Дейл (1875–1968) экспериментировал с алкалоидами спорыньи – гриба, который поражает рожь. Дейл обнаружил, что препараты спорыньи блокируют эффекты адреналина, но есть средства, которые могут имитировать эффекты адреналина. Дейл не стал называть эти вещества химическими мессенджерами (нейромедиаторами), так как не был уверен, что они содержатся в организме в норме.

Здесь в игру вступил немецкий фармаколог Отто Леви (1873–1961). Он знал о работах Дейла и проводил свои собственные исследования, касавшиеся воздействия лекарственных средств на железы и внутренние органы. Однажды, в 1921 году, Леви ночью приснился эксперимент, который мог произвести революцию в нашем понимании механизмов работы нервной системы. Проснувшись среди ночи, Леви записал план эксперимента и снова уснул. Наутро он не нашел свои записи и не мог вспомнить содержание сновидения.

По счастью тот же сон приснился ученому и в следующую ночь. На этот раз Леви не стал полагаться на волю случая, а прямо среди ночи отправился в свою лабораторию и провел приснившийся ему опыт. В этом опыте Леви воспользовался сердцем лягушки, сохранившем связь с блуждающим нервом. Сокращающееся сердце было помещено в питательный раствор. Емкость с раствором и лягушачьим сердцем Леви трубкой соединил с другой емкостью с сердцем другой лягушки. Раствор из первой емкости мог свободно поступать во вторую емкость. Леви провел электрическую стимуляцию блуждающего нерва сердца первой лягушки, и ритм его сокращений замедлился. Самое интересное заключалось в том, что через некоторое время стало реже сокращаться и сердце во второй емкости. Леви пришел к заключению, что блуждающий нерв при своем возбуждении выделял в раствор какое-то вещество, которое затем действовало на сердце во второй емкости. Леви назвал это вещество Vagusstoff («вещество блуждающего нерва»; vagus – по-латыни «блуждающий нерв»). Теперь мы знаем, что это вещество является природным нейромедиатором ацетилхолином.

Между прочим, это – разительный пример того, как сон облегчает творческий процесс. Правда, такие случаи все же происходят достаточно редко. В 1936 году за свои исследования химической природы передачи нервных импульсов Дейл и Леви получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Библиография:

Loewi, O. From the Workshop of Discoveries (Lawrence: University of Kansas Press, 1953).


ВОПРОС:

Что такое «трепанация черепа»?

ОТВЕТ:

В принципе, трепанация – это проделывание отверстия в черепе. Точнее, это удаление части крышки черепа без вскрытия оболочек, покрывающих поверхность головного мозга.

Трепанация – одна из древнейших хирургических операций. Археологам известны находки черепов с несомненными признаками трепанации, возраст которых составляет не меньше 10 тысяч лет. Трепанации были распространены в древнем мире очень широко, о чем свидетельствуют находки в Европе, Азии, Африке, Южной Америке, на Таити, в Новой Гвинее и Новой Зеландии. Удивительно, но большинство людей, перенесших трепанацию в древности, выжили, так как трепанационные отверстия, как было ясно, зарастали костной мозолью. Неясно, правда, с какой целью в те времена выполняли трепанацию. Однако некоторые ученые считают, что шаманы и знахари полагали, что отверстие в черепе позволит злым духам покинуть голову в случаях разных заболеваний или травм. Трепанация могла привести к снижению внутричерепного давления, что действительно могло исцелить в случаях травматических внутричерепных гематом (кровоизлияний). Возможно, к трепанации прибегали для лечения головной боли, эпилепсии и психических расстройств – заболеваний, при которых польза трепанации отнюдь не очевидна.

Такого рода трепанации в наши дни представляют лишь исторический интерес, но, тем не менее, есть немногочисленные, но достаточно шумные сторонники трепанации как способа достичь возвышенного состояния сознания. Эту гипотезу выдвинул в шестидесятые годы Барт Хугес, голландский студент-медик и большой любитель психотропных лекарств. Под влиянием этих средств Хугес пришел к убеждению в том, что отверстие в голове позволит крови и цереброспинальной жидкости более свободно циркулировать в мозге, воспроизведя условия, в которых находится мозг новорожденного младенца до срастания костей черепа и закрытия родничков. Хугес проверил свою теорию, просверлив себе во лбу дырку с помощью ножной стоматологической бормашины. Хугес счел свой опыт весьма успешным и смог убедить некоторых других, в частности, Аманду Филдинг, последовать своему примеру. Аманда сняла свою любительскую трепанацию на пленку в 1970 году. Кадры этого фильма чередуются со снимками ручного голубя Аманды. Фильм можно найти в сети (надо, однако, помнить, что в нем много компьютерной графики). Филдинг до сих пор является одним из самых ярых поборников трепанации и, кроме того, учредила фонд для научного изучения сознания. Отношение ученых и врачей к такой любительской трепанации остается, правда, весьма скептическим.

Библиография:

Gump, W., Modern induced scull deformity in adults. Neurosurgical Focus, 29:E4, 2010.

Parapia, L.A., Trepanning or trephines: a history of bone marrow biopsy, British Journal of Haematology, 139:14–19, 2007.

Глава 2
Что у нас «под капотом»?

ВОПРОС:

Откуда части мозга получили свои странные названия?

ОТВЕТ:

Научную терминологию подчас очень трудно понять. Наука изобилует необычными и непривычными словами и фразами, и наука о мозге здесь не исключение. Миндалина, гиппокамп, мозолистое тело – почему эти структуры мозга так называются, и что обозначают эти названия?

Не кажется ли вам, что некоторые из этих названий звучат так, как латинские и греческие слова? Правильно, они и на самом деле взяты из этих языков! Терминология нейробиологии, по большей части, пользуется греческими и латинскими корнями. Некоторые названия были введены в обиход древнегреческими философами, врачами и учеными – Гиппократом, Аристотелем, Герофилом и Галеном. Некоторые термины вошли в медицинский и научный лексикон сравнительно недавно вместе с новыми открытиями, когда открытые структуры и феномены называли по именам их первооткрывателей. Некоторые термины являются гибридными, так как состоят как из греческих, так и из латинских корней. Например, neuroscience – от греческого слова neuron (нерв) и латинского слова scientia (наука). Не все нейробиологические термины расшифровываются так просто, но каждый термин составлен в попытке описать местоположение органа или идею, которая лежит в основе того или иного явления.

Некоторые термины являются придуманными, но в большинстве случаев в их создании прослеживается определенная логика. Роберт Фортьюин составил руководство, позволяющее понять принцип создания медицинских терминов. Этим же принципом можно воспользоваться для понимания терминов, используемых в нейробиологии.


МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ

Структура названа по своему местоположению, или, как выражаются врачи, по локализации. Например, язычный нерв расположен в языке. Гормон адреналин вырабатывается в надпочечниках, которые по-латыни называются glandulae adrenales (ad renum на латинском языке означает «возле почки»).


ФУНКЦИЯ

Структура названа по тому, что она делает. Отводящий нерв, например, назван так, потому что мышца, которую он иннервирует, отводит глаз в сторону в горизонтальной плоскости.


СХОДСТВО

Структура названа по предмету, который она напоминает. Это самый распространенный способ наименования нейроанатомических структур – паутинная оболочка, гиппокамп (от греческого слова, обозначающего «морской конек»), миндалина, шишковидная железа и конский хвост.


ХАРАКТЕРИСТИКА

Структура названа в связи с ее формой, размером, консистенцией, числом или цветом. Меланин (от греческого слова «мелане», означающего «черный»), чечевицеобразное ядро, голубое ядро – все это нейробиологические термины, обозначающие структуры по их характерным чертам.


ЭПОНИМ

Болезни, инструменты или структуры часто называют именами людей, которые открыли или изобрели их. Болезнь Паркинсона названа, например, по имени Джеймса Паркинсона (1755–1824), английского врача, который описал дегенеративную болезнь в книге, озаглавленной «Эссе о дрожательном параличе», и опубликованной в 1817 году. Другая дегенеративная болезнь, болезнь Альцгеймера, была названа в честь Алоиса Альцгеймера (1864–1915), который описал это заболевание в 1906 году. Клетки Беца, находящиеся в коре головного мозга, названы по имени Владимира Алексеевича Беца (1834–1894). Расположенные в мозжечке клетки Пуркинье были названы в честь их первооткрывателя Яна Пуркинье (1787–1869). Многие хирургические инструменты, такие как элеватор Пенфилда (Уайлдер Пенфилд, 1891–1976) и щипцы Денди (Уолтер Денди, 1886–1946) были названы по имени их изобретателей.


В Приложении 1 приведен список греческих и латинских корней, от которых произведены многие термины нейробиологии, а в Приложении 2 перечислены эпонимы, встречающиеся в этой науке.

Библиография

Dugue-Parra, J.E., Llano-Id?rraga, J.O., and Dugue-Parra, C.A., Reflections on eponyms in neuroscience terminology, Anatomical Record Part B: The New Anatomist, 289B:219-24, 2006.

Fortuine, R., The Words of Medicine. Sources, Meanings, and Delights (Springfield: Charles C. Thomas Publisher, 2001).

Koehler, P.J., Bruine, G.W. and Pearce, J.M.S., Neurological Eponyms, (New York: Oxford University Press, 2000).


ВОПРОС:

У всех ли животных есть головной мозг и нервная система?

ОТВЕТ:

Практически у всех животных в том или ином виде есть нервная система, но у большинства видов отсутствует спинной мозг. Животные, не имеющие спинного мозга, называются беспозвоночными. К беспозвоночным животным относят насекомых, пауков, червей, моллюсков, морских звезд и медуз. 80 процентов всей биомассы Земли, более 95 процентов всех биологических видов и 99 процентов всего биологического разнообразия земной жизни представляют беспозвоночные. Нравится это вам или нет, но люди по этой классификации принадлежат к меньшинству.

Вместо спинного мозга у некоторых беспозвоночных, таких как медуза, гидра и актинии, существует нервная сеть, пронизывающая весь их организм. Другие беспозвоночные, такие как кузнечики и ракообразные, располагают нервным тяжом, который тянется вдоль тела под его нижней поверхностью. Этот нервный тяж может быть связан с центральным скоплением нейронов (мозгом) в голове некоторых беспозвоночных, но у многих их видов (например, у медуз) мозг отсутствует.

Губки являют собой пример одного из немногих многоклеточных животных, у которых нервная система вообще отсутствует. У губок нет ни головного мозга, ни спинного. У них нет даже нейронов. Губкам нервная система не нужна, потому что само ее строение позволяет извлекать из протекающей сквозь нее воды кислород и питательные вещества и выделять в нее отходы жизнедеятельности. Губке не надо практически ничего делать, и поэтому ей не нужен мозг. Мозг вообще очень дорого обходится организму, так как потребляет очень много калорий, и губки не могут позволить себе роскошь иметь мозг просто так, «на всякий случай». Таким образом, если животное не нуждается в мозге, то оно, как правило, его лишено.

На первый взгляд может показаться, что у людей очень мало общего с беспозвоночными животными, которые непомерно превосходят нас по численности. Однако в том, что касается нервной системы, у нас с ними очень много общего, и мы многое можем узнать о нас самих, изучая нервную систему этих примитивных животных.

Например, в нейробиологии большую роль сыграло морское беспозвоночное животное морской заяц (аплизия). Аплизию, животное, вся нервная система которой состоит из 20 тысяч нейронов, использовали для исследования в области сенсорной и двигательной нейрофизиологии и в области поведения. В 2000 году Эрик Кэндел получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изучение молекулярных и клеточных механизмов памяти и обучения. Эти исследования почти целиком были выполнены на аплизии в качестве модели.

Библиография:

Borrell, B., One-fifth of invertebrate species at risk of extinction, Nature, September 3, 2012; doi:10.1038/nature.2012.11341.

Lewbart, G.A., Invertebrate Medicine (Ames, IA: Blackwell Publishing, 2006).


ВОПРОС:

Насколько велик человеческий мозг?

ОТВЕТ:

Для начала голый и сухой факт: в среднем вес головного мозга человека колеблется от 1,3 до 1,5 кг (около 3 фунтов, что примерно равно весу среднего капустного кочана). Мозг состоит приблизительно из 86 миллиардов нейронов и такого же числа глиальных клеток. Вес головного мозга составляет около 2 процентов веса тела. Средние размеры мозга: ширина – 140 мм, длина – 167 мм, высота – 93 мм (размер мозга приблизительно соответствует двум большим кулакам). Головной мозг состоит из воды (77–78 процентов), жира (липидов) (10–12 процентов), белка (8 процентов), углеводов (1 процент), растворимых органических соединений (2 процента) и неорганических солей (1 процент).



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5

Поделиться ссылкой на выделенное