Достижения мозга. Как этот орган стал самой сложной и влиятельной частью тела человека

Dernieres nouvelles du cerveau by Paolo Bartolomeo

В течение последних тридцати лет быстрое развитие методов диагностики состояния мозга значительно развило наши представления о когнитивных функциях – способности познавать и взаимодействовать с миром. Эта эволюция также способствовала тому, что специалисты в области нейронаук проявили интерес к тем сферам, которые раньше не привлекали их внимание. Мы присутствуем при появлении таких новых междисциплинарных направлений нейронаук как нейроэстетика, нейроэтика, нейроправо и другие. К сожалению, не обошлось и без многочисленных злоупотреблений: псевдоученые используют модную приставку «нейро» по любому поводу на различных научных конференциях или в интернете.

С учетом этих злоупотреблений, необходимо учитывать ограниченность методов визуализации (методы, позволяющие рассмотреть структуры мозга).

Также следует признать часто недооцениваемую значимость исследований, которые проводятся пациентам, страдающим поражениями головного мозга. Такие исследования иногда позволяют установить причинную связь между потерей когнитивных функций и областью пораженного мозга (или целой нейронной схемы, частью которого он является; имеется в виду совокупность приходящих нервов, участка мозга и отходящих нервов). И наоборот, при изучении здорового головного мозга методами нейровизуализации дело ограничивается выявлением взаимосвязей между деятельностью его отдельных участков и когнитивными функциями. Однако благодаря новым способам анализа поведения человека и методам визуализации мы способны теперь проводить более точные исследования у пациентов, страдающих поражениями головного мозга, что открывает широкие перспективы дальнейших научных изысканий.

В этом контексте, способствующем научным открытиям и прогрессу нейронаук, в рассчитанной на широкую публику литературе иногда прослеживается тенденция преувеличивать значимость результатов исследований. Такая стратегия увеличивает тиражи, но в то же время негативно влияет на их понимание. К тому же пандемия Covid– 19 сопровождалась стремительным распространением недостоверной информации и в настоящее время нет никаких оснований рассчитывать на то, что этот постоянный поток лжи в социальных сетях и других медийных каналах прекратится сам по себе.

Как практикующий невролог и нейроученый, в этой книге я предпринял попытку поделиться своим собственным видением недавних достижений в нейронауках. На следующих страницах расскажу о некоторых из этих открытий и познакомлю с базовыми представлениями о работе мозга. Так я надеюсь помочь читателям лучше разобраться в претендующих на сенсационность многочисленных публикациях в прессе и сформировать критическое отношение к информации такого рода.

Существует расхожее представление о том, что мозг – это самый сложный объект во Вселенной. С точки зрения науки, такое утверждение кажется довольно сомнительным. Действительно, можно ли претендовать на знание всех объектов во Вселенной? И даже если это так, то как сравнивать их сложность? Тем не менее это клише отражает огромный интерес к тайнам крайне своеобразного органа, напрямую связанного с нашей психической жизнью. Биологическое значение мозга сразу же становится очевидным при подсчете энергетических затрат: этот орган, вес которого составляет приблизительно 1,4 килограмма, то есть всего лишь 2 % от общей массы тела, потребляет 20 % всей его энергии. Даже в состоянии покоя – при полном отсутствии интеллектуальной деятельности! Можно ломать себе голову в попытках доказать сложную теорию или предоставить мыслям свободу, но количество энергии, востребованной мозгом, существенно не изменится.

Еще более энергозатратным по сравнению с мозгом взрослого человека является мозг новорожденного: он потребляет почти две трети всей энергии тела. Где же мозг находит такое количество энергии? Печень и мышцы накапливают ее в форме углеводов (имеется в виду гликоген) и в виде жировой ткани, содержащей запас жирных кислот, но мозг выбирает другое решение. Свободное пространство в черепно-мозговой коробке настолько ценное, что для таких запасов там просто нет места. Вот поэтому функцию постоянного снабжения мозга энергией берет на себя все остальное тело. Можно ли считать мозг «эгоистом»? Парадокс заключается в том, что, как мы скоро увидим, мозг сам наделяет нас способностью изучать окружающую среду в поисках источников энергии.

Как понять эту напоминающую своей консистенцией желе массу, так далеко спрятавшуюся и защищенную черепной коробкой? У нас есть возможность начать все с самого начала и заняться изучением происхождения мозга в эволюции видов (речь идет о филогенезе), а также его созревания от стадии эмбриона до взрослого человека (речь идет об онтогенезе).

Первые организмы, жившие на Земле несколько миллиардов лет тому назад, были очень простыми и, разумеется, мозга у них не было, но они уже реагировали на изменения окружавшей их среды. По всей видимости, принимать решения способны даже простейшие одноклеточные

организмы без мозга как, например, живущая в желудочно-кишечном тракте бактерия Escherichia coli. Она «выбирает», стоит ли ей приближаться к питательным веществам или избегать вредных для нее токсинов. Этот феномен называется хемотаксис. За счет преобразования сенсорного сигнала (через рецепторы мембраны) бактерия Escherichia coli реагирует на изменение в ее окружении (в этом случае речь идет о концентрации вещества в среде) приближением или избеганием. Такие реакции основаны на том, что градиентам концентрации несвойственно резко менять направление. Поэтому кишечная палочка может двигаться в направлении, в котором градиент будет постепенно увеличиваться или уменьшаться. А когда концентрация токсичного вещества будет возрастать? Она перемещается с помощью вращения маленьких ресничек (так называемых жгутиков) и таким образом удаляется от опасности. Все происходит так, как если бы бактерия могла предвидеть (разумеется, самым простым способом) будущее изменение своей среды и действовать наилучшим образом.

В ходе эволюции появились все более разнообразные и сложные решения, связанные с необходимостью реагировать на собранную информацию об окружающей среде. У многоклеточных организмов на распознавании внешних событий и реализации двигательной реакции стали специализироваться отдельные клетки. Осуществляя начальную когнитивную обработку, эти клетки сформировали первичную нервную систему, которая была рассеяна по всему организму, как у современных медуз.

Между тем, с эволюционной точки зрения, на фоне усложнения нервной системы, такой подход показал свои недостатки: по мере развития организма нервные клетки все больше удаляются друг от друга. Как обеспечить их взаимодействие в условиях дистанцирования? Приблизительно 500 миллионов лет назад произошло впечатляющее «обновление», благодаря которому стал возможен быстрый и точный обмен информацией между удаленными клетками – посредством электрической связи, которая называется потенциалом действия (мы вернемся к этому явлению в другой главе). У потенциала действия есть «цифровой» формат: он присутствует или отсутствует, что соответствует двоичной системе счисления. Таким образом, передаваемая информация меньше подвержена затуханию из-за внешних помех, когда сигнал проходит большие расстояния в организме. Более того, он очень быстро перемещается по нервной системе, со скоростью до 100 м/с. Эти два важных качества для организмов, находящихся в пространстве на расстоянии друг от друга.

Появление потенциала действия создало благоприятные возможности для передачи информации в многоклеточном организме. Этот процесс послужил основой для кембрийского взрыва – периода, сопровождавшегося возникновением многочисленных форм жизни. Среди них находились предшественники почти всех основных групп животных, живущих на Земле в настоящее время: рыбы, рептилии, птицы, млекопитающие и другие.

Первые позвоночные поедали другие организмы: растительные или животные. Эти морские хищники обладали примитивным мозгом и вначале идентифицировали свою добычу главным образом с помощью обоняния. Затем они распространились на суше. Примерно 80 миллионов лет назад на Земле появились гораздо более опасные хищники – приматы, к числу которых относимся и мы. Приматы обнаруживали добычу издалека благодаря зрению. Расположенные у приматов спереди глаза связаны с более объемным и более сложно устроенным мозгом по сравнению с мозгом их биологических предков. Этот крупный мозг требует значительных затрат: помимо существенного расхода энергии, он нуждается в интенсивном развитии, продолжительность которого выходит за пределы периода внутриутробной жизни. Вот почему возникает потребность в родителях, которые должны присматривать за новорожденным и кормить его в течение длительного периода, так как он полностью зависит от них сразу же после рождения. Необходимость постнатального (после рождения) развития мозга обусловлена тем, что вмещающая полностью сформированный мозг черепная коробка была бы слишком объемной, чтобы пройти через узкий канал, предназначенный природой для рождения. Мозг также использует куда более богатый опыт, чем ограниченный опыт находившегося в матке эмбриона. Поэтому те преимущества, которые крупный мозг дает приматам, намного превосходят связанные с ним высокие затраты: несмотря на ряд корректировок, касающихся соотношения затрат и пользы, в ходе эволюции у гоминидов прослеживается тенденция к увеличению его объема (рисунок 1).