Страница:
Последним в этом ряду достижений явилась методика, разработанная несколько лет назад Л. Соколовым (L. Sokoloff) в Национальном институте охраны психического здоровья. Глюкоза служит "топливом" для нейронов и в активном состоянии клетки потребляют больше глюкозы, чем в покое. Меченая дезоксиглюкоза усваивается клетками, как если бы это была глюкоза. Она расщепляется, как глюкоза, но продукт первого этапа ее метаболизма не подвергается дальнейшим превращениям. Не имея поэтому возможности выйти из клетки, этот продукт скапливается в ней, и степень радиоактивности в определенных клетках указывает на их функциональную активность. Можно поставить, например, такой опыт: ввести это вещество внутривенно лабораторному животному, а затем предъявить звуковой раздражитель; микроскопическое исследование мозга позволит выявить те его области, которые связаны со слухом. Совсем недавно разработана новая методика-позитронно-эмиссионная томография, которая позволяет обнаруживать с помощью наружных датчиков присутствие дезоксиглюкозы или других веществ, меченных радиоактивными изотопами, испускающими позитроны. Эта перспективная методика делает возможным картирование активных структур мозга in vivo у лабораторного животного или у человека.
Применение всех существующих методик для выявления в первом приближении, без деталей, связей в одной только структуре - скажем, в части коры больших полушарий или в мозжечке - может занять у одного-двух анатомов пять или десять лет. Законченных нейроанатомов, людей особой породы, часто одержимых, а порой даже полупараноиков, во всем мире насчитывается всего несколько десятков. А поскольку мозг состоит из сотен разных структур, становится ясно, что одного только понимания связей в головном мозгу придется ждать еще много лет.
Кроме того, изучить связи данной структуры в мозгу - это еще не значит понять ее физиологию. Для этого надо прежде всего узнать, как работают отдельные нейроны. За последние три-четыре десятилетия стало более или менее понятно, как один нейрон генерирует электрические сигналы и передает информацию другим клеткам. Над выяснением этого механизма трудились многие ученые, в их числе: Г. Дэйл (Н. Dale), О. Леви (О. Loewi), А. Ходжкин (A. Hodgkin), А. Хаксли (A. Huxley), Б. Катц (В. Katz), Дж. Экклс (J. Eccles) и С. Куффлер (St. Kuffler). Одно из удивительных открытий состояло в том, что все нейроны, несмотря на различия по величине и форме, используют два одинаковых вида электрических сигналов: градуальные потенциалы и потенциалы действия.
Весь нейрон - его тело, длинный аксон и ветвящиеся дендриты поляризован таким образом, что внутри он заряжен отрицательно приблизительно на 70 мВ по отношению к наружной поверхности. Этот "потенциал покоя" создается двумя свойствами клеточной мембраны. Во-первых, мембрана активно переносит ионы, выводя из клетки положительно заряженные ионы натрия и пропуская внутрь положительно заряженные ионы калия, вследствие чего концентрации этих двух видов ионов внутри клетки и снаружи совершенно различны. Во-вторых, способность проникать через мембрану у натрия и калия также различна.
Изменения разности потенциалов, которая создается таким образом между наружной и внутренней сторонами клетки в состоянии покоя, -это электрические сигналы нервов. Изменение трансмембранного напряжения на любом участке клетки или ее отростков быстро распространяется по мембране во всех направлениях, постепенно затухая; уже на расстоянии нескольких миллиметров сигнал вряд ли удается обнаружить. Это электрический сигнал первого рода, т.е. градуальный потенциал. Его основная функция состоит в передаче сигналов на очень короткие расстояния.
Сигнал второго типа, потенциал действия, передает информацию на большие расстояния. Если мембрана деполяризована (ее потенциал снижен) до критического уровня - от уровня покоя, равного 70 мВ, до приблизительно 50 мВ, - то наступает внезапное, резкое изменение: на время снимаются существующие препятствия току ионов калия и натрия и возникает локальный поток ионов, достаточный для того, чтобы изменить знак мембранного потенциала, который становится положительным внутри и достигает 50 мВ, а затем полярность снова меняется и восстанавливается нормальный потенциал покоя. Все это занимает около тысячной доли секунды. За это время первое изменение знака (на положительный внутри) создает мощный градуальный потенциал, который распространяется и доводит соседний участок мембраны до критического уровня; это вызывает изменение полярности в следующем участке мембраны, что в свою очередь создает изменение знака в соседнем участке. В результате временное изменение полярности быстро распространяется по нервному волокну.
Этот распространяющийся потенциал действия, "бегущий" по всей длине волокна, не ослабевая, и является нервным импульсом. Любая сигнализация в нервной системе на расстоянии миллиметра и более происходит в форме импульсов. Независимо от типа волокна и от того, связано ли оно с движением, зрением или мышлением, сигналы везде практически одинаковы. Меняется же в данном нервном волокне при определенных условиях просто число импульсов в секунду.
Приход импульса к окончанию аксона сказывается на следующем нейроне в цепи: изменяется его склонность генерировать импульсы. На пресинаптической мембране окончания выделяется медиатор - вещество, которое диффундирует через щель между двумя клетками и оказывает на постсинаптическую мембрану по ту сторону щели одно из двух воздействий. В возбудительном синапсе медиатор вызывает понижение постсинаптического мембранного потенциала, и в результате постсинаптическая клетка генерирует импульсы с большей частотой. В тормозном синапсе эффект медиатора состоит в стабилизации постсинаптического мембранного потенциала, из-за чего возбудительным синапсам труднее деполяризовать постсинаптическую клетку, и вследствие этого генерация импульсов либо прекращается, либо идет с меньшей частотой.
Является ли данный синапс возбудительным или тормозным, зависит от того, какой медиатор выделяет пресинаптическая клетка, и от химизма мембраны постсинаптической клетки. Почти к каждому нейрону приходят входы от множества окончаний, обычно от многих сотен, а иногда и тысяч, причем одни из них возбудительные, а другие тормозные. В каждый данный момент одни входы активны, а другие бездействуют, и от суммы возбудительных и тормозных эффектов зависит, будет ли клетка генерировать импульсы, и если будет, то с какой частотой. Иными словами, нейрон - это нечто гораздо большее, чем простой прибор для пересылки импульсов с одного места на другое. Каждый нейрон непрерывно оценивает все сигналы, приходящие к нему от других клеток, и выражает результаты этой оценки частотой своих собственных сигналов.
Таким образом, распространение обоих типов сигналов по мембране нейрона и химические процессы на уровне синапсов в общих чертах изучены. Однако далеко не ясна связь между формой нейрона (форма дерева с разветвленной кроной) и способом суммирования и оценки получаемых сигналов. Два входных сигнала, из которых каждый может быть возбудительным или тормозным, несомненно суммируются совсем по-разному, в зависимости от того, расположены ли синапсы по соседству (например, на одной и той же дендритной веточке) или один синапс находится на одной веточке, а другой далеко от него (возможно, на веточке другого дендрита) или же один синапс образуется на веточке, а другой на теле клетки. Форма, весьма различная у разных классов нейронов, должна играть важную роль в их функции, но пока это все, что можно сказать с уверенностью.
Близкая к этому группа вопросов касается значения некоторых синапсов (обычного вида синапсов с пресинаптическим и постсинаптическим компонентами), которые соединяют два дендрита или два аксона, а не как обычно - аксон с дендритом или с телом клетки. Мягко выражаясь, никто толком не знает, что о них думать. Наконец, положение еще больше осложняется тем, что некоторые синапсы совершенно отличны от обычного химического типа, так как в них не происходит диффузия медиатора, а течет электрический ток. Их открыли в 50-х годах Э. Фершпен (Е. Furshpan) и Д. Поттер (D. Potter) из Лондонского университетского колледжа. Почему в одних синапсах природа применяет передачу химическую, а в других - электрическую, пока что остается загадкой.
Если глубже рассматривать многие еще не получившие ответа вопросы относительно нервных сигналов, то они оказываются связанными с тонкой структурой и функцией нейронной мембраны, потому что на молекулярном уровне точно еще не известно, как ионы проходят через мембраны или как влияют изменения потенциала и медиаторы на проницаемость для отдельных ионов (см. Ч. Стивене "Нейрон"). Особый интерес представляет химизм синаптической передачи, при которой обнаружено уже больше 20 медиаторных веществ, а также те способы, какими нейроны синтезируют, выделяют, поглощают и разрушают эти уже достаточно хорошо известные вещества (см. Л. Иверсен "Химия мозга").
Еще не полное, но в значительной мере уже достигнутое понимание химии синапсов нашло свое отражение в психиатрии и фармакологии. Многие заболевания - от паркинсонизма до депрессии, - по-видимому, связаны с нарушением синаптической передачи, и действие многих лекарств сводится к усилению или ослаблению этой передачи (см. С. Кити "Заболевания человеческого мозга").
Лет через десять основные черты активности отдельных нейронов, надо полагать, будут детально изучены. Теперь же, когда положено известное начало пониманию структуры и работы отдельных клеток, нейробиологи находятся в положении человека, который, немного разбираясь в физических свойствах сопротивлений, конденсаторов и транзисторов, пытается заглянуть в телевизор. Он не поймет, как работает этот прибор в целом, пока не узнает, как соединены его элементы, и пока не получит хоть некоторое представление о назначении прибора, о его блоках и их взаимодействии. В изучении мозга первую ступень после нейрона и его работы составляет знакомство с тем, как взаимосвязаны более крупные части мозга и как устроена каждая из них. Следующей ступенью явится попытка установить, как нейроны взаимодействуют, и выяснить значение посылаемых ими сигналов.
Один из способов разобраться в общей организации мозга состоит в том, чтобы рассмотреть ее в форме приблизительной схемы. На входе лежат группы рецепторов - видоизмененные нервные клетки, специализированные для преобразования в электрические сигналы разных форм информации, которая приходит к ним из внешнего мира. Одни рецепторы реагируют на свет (зрение), другие на химические воздействия (вкус и обоняние), третьи на механическую деформацию (осязание и слух). Рецепторы образуют контакты с первой группой нейронов, те в свою очередь со следующими, и так далее. На каждом этапе аксоны ветвятся и подходят к следующему нейрону цепи, на котором конвергирует множество аксонов. Каждая воспринимающая клетка интегрирует возбудительные и тормозные импульсы, конвергирующие на ней от клеток низшего порядка. Раньше или позже, после ряда этапов нервные аксоны оканчиваются на клетках железы или мышцы - выходах нервной системы.
Коротко говоря, имеется вход - единственный для человека способ узнавать о внешнем мире. Имеется выход - единственный для человека способ реагировать на внешний мир и воздействовать на него. А между входом и выходом находится все остальное, что должно включать восприятие, эмоции, память, мысль и все прочее, что делает человека человеком.
Вряд ли нужно говорить, что описанный путь от входа к выходу очень упрощен. Хотя главное движение происходит на схеме слева направо, но на любом этапе между клетками часто существуют боковые связи; нередко имеются также связи, идущие в обратном направлении - от выхода к входу, совершенно так же, как имеется обратная связь во многих электронных цепях. От входа к выходу ведет не один только путь; множество разных наборов рецепторов специализированы для разных видов чувствительности и для определенных форм энергии, действующих на каждый орган чувств, и при этом имеются бесчисленные шунты, переключения и обходы. Синапсов между рецепторами и мышцами может быть или очень много, или всего лишь два или три. (Когда число их невелико, цепь обычно называют рефлексом; сужение зрачка в ответ на освещение сетчатки представляет собой рефлекс с участием четырех или пяти синапсов.) При этом следует снова указать, что синапс бывает или возбудительный или тормозный; если в определенный момент клетка испытывает оба этих воздействия, в результате они могут полностью погасить друг друга.
Общая организация головного мозга показана в виде примерной схемы, на которой изображен поток информации от сенсорных сигналов на входе рецепторных клеток (А) до конечного выхода мотонейронов (Z) на мышечные клетки. На своем выходе рецепторы и нейроны обычно ветвятся и посылают к следующему уровню дивергирующие сигналы. Большинство нейронов получает на входе от нижних уровней конвергирующие сигналы как возбудительные, так и тормозные. Кое-что известно о значении связей близ входа (В, С) и близ выхода (X, Y) головного мозга. Гораздо меньше известно о работе областей лежащих между ними, которые составляют большую часть мозга.
Теперь физиологи имеют некоторое представление о том, какого рода операции нервная система производит на входе и на выходе. На входе система, очевидно, занята главным образом извлечением из внешнего мира информации, которая представляет биологический интерес. Обычно рецепторы реагируют лучше всего на начало или на конец стимула, например давления на кожу. Нам важнее всего узнавать об изменениях; никому не хочется и не нужно, чтобы 16 часов в день ему напоминали, что на ногах у него обувь.
Если в качестве примера взять зрительную систему, то здесь важны контрасты и движения, и на первых двух-трех этапах значительная часть цепей занята усилением эффектов контраста и движения. На последующих уровнях зрительной системы поведение клеток становится сложнее, но оно всегда упорядочено и, к счастью, имеет смысл в применении к восприятию. В настоящее время путь информации, идущей от светочувствительных клеток сетчатки, прослежен в головном мозгу до шестого-седьмого этапа, до роли коры больших полушарий, связанной со зрением (см. статью Д. Хьюбела и Т. Визелл).
Хотя в настоящее время зрительная система является одной из лучше всего изученных частей мозга, нейробиологам еще далеко до понимания того, как происходит восприятие или опознание предметов. Правда, объем сведений, приобретенных за несколько лет, прошедших с момента создания микроэлектродов, позволяет думать, что такой отдел головного мозга, как кора больших полушарий, со временем будет доступен - во всяком случае в принципе - сравнительно простому объяснению.
На выходе нервной системы механизм, каким нейрон посылает импульс к мышечному волокну, в последнее время стал в основном понятен, и уже более 50 лет нам известны те части головного мозга, которые управляют движением. Однако, что именно делают в действительности эти структуры, когда человек движется или собирается двигаться, все еще во многом неизвестно. Изучение идет медленно главным образом потому, что исследовать произвольные движения надо у бодрствующих и хорошо обученных животных, тогда как изучать сенсорные системы можно у наркотизированных животных. Одно из основных усилий направлено сейчас на то, чтобы проследить за ходом моторного импульса от мотонейрона обратно к таким структурам, как моторная кора и мозжечок, с целью узнать, как на решение совершить движение влияют разные сигналы, идущие от входа нервной системы (см. статью Э. Эвартса).
На выходе важно не сокращение отдельного волокна, а координированное сокращение и одновременное расслабление многих мышц; например, при сжимании кисти в кулак или схватывании предмета недостаточно просто согнуть пальцы, сократив сгибатели в предплечье, - надо также сократить разгибатели, чтобы мышцы-сгибатели пальцев не согнули кисть. Это противодействующее разгибание кисти происходит автоматически, без размышлений (это можно проверить, сжав руку в кулак и почувствовав при этом, как сокращаются мышцы-разгибатели на наружной стороне предплечья).
Очевидно, что команда сжать кисть в кулак, идущая от головного мозга, включает в себя импульсацию клеток, удаленных на несколько переключений от выхода нервной системы, - клеток, аксоны которых распределяются по разным мотонейронам и тормозным нейронам, снабжающим в свою очередь все мышцы, участвующие в выполнении команды. При других движениях действуют другие цепи, в которые могут быть включены те же мышцы, но в других комбинациях.
Таким образом, не трудно представить себе ряд такого рода функций, осуществляемых нервной системой, особенно близ ее сенсорного и моторного кондов. Недостает сведений главным образом относительно обширной промежуточной области - лобная и теменная доли, лимбическая система, мозжечок и так далее, и так далее, - хотя об их анатомии известно немало. В некоторых случаях известна своего рода физиология основной схемы связей, например установлено, какими нейронами возбуждаются или тормозятся другие нейроны. Для мозжечка не только описана в деталях схема связей, но и ясно, какие синапсы возбудительные, а какие тормозные; для некоторых видов синапсов с достаточной степенью надежности химически идентифицированы медиаторы. Но как работает мозжечок, известно только самым неопределенным образом. Он несомненно участвует в регуляции движений, мышечного тонуса, равновесия, но как такие функции выполняются этой великолепно построенной, упорядоченной и фантастически сложной машиной, совершенно неизвестно.
На выходе нервная система активирует мышечное волокно по концевым аксонным веточкам мотонейрона. Эта микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа Б. Риз и Т. Ризом из Национального института инсульта, неврологических и коммуникативных нарушений. Одна концевая веточка лежит (в некоторых местах она отодвинута) в бороздке мышечного волокна. Нервное волокно в значительной части окружено оболочкой, образуемой шванновской клеткой, тело которой видно слева внизу. Бороздку пересекают узкие складки постсинаптической мышечной мембраны. Каждая складка примыкает к "активной зоне" нервного волокна; когда к синапсу приходит импульс из этой зоны через "окна" в оболочке, образованной шванновской клеткой, выделяется химический медиатор ацетилхолин. Молекулы ацетилхолина активируют рецепторы на мышечной мембране, вызывая таким образом мышечное сокращение.
По общему признанию, работать с мозжечком трудно; он образует водораздел между сенсорными и моторными процессами в совершенно незаполненной части приведенной на рисунке схемы. Виды сигналов, поступающих на его входы - специфическое значение импульсов, приходящих в мозжечок из коры больших полушарий, спинного мозга и так далее, - известны недостаточно; нейронные структуры, к которым направлены его выходы и которые в свою очередь связаны с мышцами, тоже мало изучены. По тем же причинам и другие части мозга в большинстве своем все еще мало понятны. Несмотря на методические успехи последних лет, крайне необходимы новые революционные методы. В качестве одного лишь примера можно указать, что сейчас не существует способа изучать сигналы отдельных клеток у человека, не вскрывая его черепа на операционном столе, последнее же совершенно недопустимо. Тем не менее достигнуты большие успехи в понимании некоторых высших функций человеческого мозга (см. Н. Гешвинд "Специализация человеческого мозга"), но чтобы действительно понять такую специально человеческую функцию, как речь, нужно разработать способы экстракраниальной регистрации активности отдельных нейронов.
Указать, как соединены между собой нейроны и как они работают в каждый данный момент - это лишь одна из конечных целей нейрофизиологии. Некоторые важные аспекты деятельности мозга лежат за этой гранью. Например, память и обучение безусловно представляют собой кумулятивные процессы, связанные с изменением во времени, а о механизмах, лежащих в их основе, известно еще очень мало.
Пожалуй, нейробиология особенно склонна к увлечениям, из-за которых порой она чуть не сходит с рельсов. Несколько лет тому назад возникла мысль, что следы памяти могут откладываться в форме крупных молекул, причем информация кодируется последовательностью мелких молекул подобно тому, как генетическая информация закодирована в ДНК. Мало кто, знакомый с высоко упорядоченной специфичностью связей в головном мозгу, принял эту идею всерьез, и тем не менее немало времени было потрачено во многих лабораториях на то, что животных обучали выполнению какой-либо задачи, затем растирали их мозг, а далее находили или химические отличия в их мозге, или "статистически значимое" усиление способности обучаться тем же задачам у животных, которым был введен экстракт мозга обученных животных. Увлечение это угасло, но факт тот, что не всегда нейробиология двигалась вперед или даже стояла на месте временами она даже откатывалась назад.
В конечном счете изучение памяти, вероятно, будет касаться двух совсем разных ее компонентов. Первый компонент составляют изменения, которые вероятнее всего происходят в синапсах в результате многократного использования нейронных цепей. Например, возможно повышение эффективности одного синапса за счет других на той же клетке. Определенные комбинации стимулов, повторяясь, могут таким образом усиливать один из многих проводящих путей данной нейронной структуры.
Исследования такого плана трудно осуществимы на высших животных; их гораздо легче производить на малых системах нейронов, которые составляют полностью или частично нервную систему некоторых низших животных. В отдельные клетки этих животных удается легко ввести микроэлектрод, и, что еще важнее, такие клетки часто обладают индивидуальностью; говоря, например, о клетке №56 в определенном ганглии у рака, можно быть уверенным, что у всех других раков она занимает буквально то же положение и обладает теми же связями. (В этом глубокое различие между мозгом многих беспозвоночных и мозгом человека. Дать номер какому-нибудь нейрону в человеческом мозгу невозможно так же, как невозможно дать номер волосу на голове или поре на коже.)
Изящные опыты проводились на уровне отдельных нейронов у беспозвоночных при их обучении (см. Э. Кэндел "Малые системы нейронов"). Например, показано даже, что при выработке реакции или ее забывании у животного происходят доступные определению изменения в передаче сигналов через те или иные синапсы. Разумеется, обучение здесь простое, но, по-видимому, истинное. Снова и снова на беспозвоночных делались открытия, которые потом были распространены высшие формы. Поэтому маловероятно, что исследователи откажутся работать на таких животных, убоявшись насмешек начетчиков над невероятным звучанием таких тем, как "Решение задачи пиявкой".
Второй компонент, которым придется овладевать при изучении памяти, будет гораздо труднее. Все то, что человек помнит (в любом смысле этого слова, кроме самого рудиментарного), связано с восприятием или с движениями, или с жизненным опытом. Для проникновения в механизм памяти в любом истинном смысле нужно знать, что происходит, когда человек воспринимает, действует, думает и испытывает, для того чтобы понять, что из всего этого воспроизводится, когда он вспоминает что-то или чему-то научается. Из этих двух компонентов первый - синаптический - представляется мне сравнительно легким, а второй неимоверно трудным.
Понять работу мозга у взрослого животного - задача достаточно трудная; понять, как мозг становится мозгом, пожалуй, по меньшей мере так же трудно. Как развивается нервная система до и после рождения? Центральная задача состоит в том, чтобы раскрыть, как информация, закодированная в молекулах ДНК, трансформируется в связи между клетками внутри структур, в пространственные соотношения этих структур и связи между ними. Зрительный нерв, например, содержит около миллиона волокон, каждое из которых начинается в определенной точке маленького участка сетчатки. В свою очередь каждое волокно соединено в определенном порядке с плоским латеральным коленчатым телом в головном мозгу, и таким образом на коленчатом теле создается в известном смысле карта сетчатки. Каким образом во время развития волокна выходят из сетчатки, доходят до коленчатого тела и распределяются там с абсолютной топографической точностью? Такие же наборы связей, подобных проводам, смонтированные по своим особым схемам и соединяющие между собой топографически организованные области, имеются по всей нервной системе, а как собираются эти точные схемы, остается одной из важных неразрешенных проблем (см. У. Коуэн "Развитие мозга").
Изучение развития мозга потенциально важно не только потому, что оно проливает свет на работу мозга, но и потому, что о многих нервных болезнях известно точно, а о многих предположительно, что они возникают в период развития. Сюда относится большинство врожденных аномалий, синдром Дауна, некоторые виды мышечной дистрофии, вероятно, некоторые обычные формы эпилепсии и множество более редких заболеваний.
Применение всех существующих методик для выявления в первом приближении, без деталей, связей в одной только структуре - скажем, в части коры больших полушарий или в мозжечке - может занять у одного-двух анатомов пять или десять лет. Законченных нейроанатомов, людей особой породы, часто одержимых, а порой даже полупараноиков, во всем мире насчитывается всего несколько десятков. А поскольку мозг состоит из сотен разных структур, становится ясно, что одного только понимания связей в головном мозгу придется ждать еще много лет.
Кроме того, изучить связи данной структуры в мозгу - это еще не значит понять ее физиологию. Для этого надо прежде всего узнать, как работают отдельные нейроны. За последние три-четыре десятилетия стало более или менее понятно, как один нейрон генерирует электрические сигналы и передает информацию другим клеткам. Над выяснением этого механизма трудились многие ученые, в их числе: Г. Дэйл (Н. Dale), О. Леви (О. Loewi), А. Ходжкин (A. Hodgkin), А. Хаксли (A. Huxley), Б. Катц (В. Katz), Дж. Экклс (J. Eccles) и С. Куффлер (St. Kuffler). Одно из удивительных открытий состояло в том, что все нейроны, несмотря на различия по величине и форме, используют два одинаковых вида электрических сигналов: градуальные потенциалы и потенциалы действия.
Весь нейрон - его тело, длинный аксон и ветвящиеся дендриты поляризован таким образом, что внутри он заряжен отрицательно приблизительно на 70 мВ по отношению к наружной поверхности. Этот "потенциал покоя" создается двумя свойствами клеточной мембраны. Во-первых, мембрана активно переносит ионы, выводя из клетки положительно заряженные ионы натрия и пропуская внутрь положительно заряженные ионы калия, вследствие чего концентрации этих двух видов ионов внутри клетки и снаружи совершенно различны. Во-вторых, способность проникать через мембрану у натрия и калия также различна.
Изменения разности потенциалов, которая создается таким образом между наружной и внутренней сторонами клетки в состоянии покоя, -это электрические сигналы нервов. Изменение трансмембранного напряжения на любом участке клетки или ее отростков быстро распространяется по мембране во всех направлениях, постепенно затухая; уже на расстоянии нескольких миллиметров сигнал вряд ли удается обнаружить. Это электрический сигнал первого рода, т.е. градуальный потенциал. Его основная функция состоит в передаче сигналов на очень короткие расстояния.
Сигнал второго типа, потенциал действия, передает информацию на большие расстояния. Если мембрана деполяризована (ее потенциал снижен) до критического уровня - от уровня покоя, равного 70 мВ, до приблизительно 50 мВ, - то наступает внезапное, резкое изменение: на время снимаются существующие препятствия току ионов калия и натрия и возникает локальный поток ионов, достаточный для того, чтобы изменить знак мембранного потенциала, который становится положительным внутри и достигает 50 мВ, а затем полярность снова меняется и восстанавливается нормальный потенциал покоя. Все это занимает около тысячной доли секунды. За это время первое изменение знака (на положительный внутри) создает мощный градуальный потенциал, который распространяется и доводит соседний участок мембраны до критического уровня; это вызывает изменение полярности в следующем участке мембраны, что в свою очередь создает изменение знака в соседнем участке. В результате временное изменение полярности быстро распространяется по нервному волокну.
Этот распространяющийся потенциал действия, "бегущий" по всей длине волокна, не ослабевая, и является нервным импульсом. Любая сигнализация в нервной системе на расстоянии миллиметра и более происходит в форме импульсов. Независимо от типа волокна и от того, связано ли оно с движением, зрением или мышлением, сигналы везде практически одинаковы. Меняется же в данном нервном волокне при определенных условиях просто число импульсов в секунду.
Приход импульса к окончанию аксона сказывается на следующем нейроне в цепи: изменяется его склонность генерировать импульсы. На пресинаптической мембране окончания выделяется медиатор - вещество, которое диффундирует через щель между двумя клетками и оказывает на постсинаптическую мембрану по ту сторону щели одно из двух воздействий. В возбудительном синапсе медиатор вызывает понижение постсинаптического мембранного потенциала, и в результате постсинаптическая клетка генерирует импульсы с большей частотой. В тормозном синапсе эффект медиатора состоит в стабилизации постсинаптического мембранного потенциала, из-за чего возбудительным синапсам труднее деполяризовать постсинаптическую клетку, и вследствие этого генерация импульсов либо прекращается, либо идет с меньшей частотой.
Является ли данный синапс возбудительным или тормозным, зависит от того, какой медиатор выделяет пресинаптическая клетка, и от химизма мембраны постсинаптической клетки. Почти к каждому нейрону приходят входы от множества окончаний, обычно от многих сотен, а иногда и тысяч, причем одни из них возбудительные, а другие тормозные. В каждый данный момент одни входы активны, а другие бездействуют, и от суммы возбудительных и тормозных эффектов зависит, будет ли клетка генерировать импульсы, и если будет, то с какой частотой. Иными словами, нейрон - это нечто гораздо большее, чем простой прибор для пересылки импульсов с одного места на другое. Каждый нейрон непрерывно оценивает все сигналы, приходящие к нему от других клеток, и выражает результаты этой оценки частотой своих собственных сигналов.
Таким образом, распространение обоих типов сигналов по мембране нейрона и химические процессы на уровне синапсов в общих чертах изучены. Однако далеко не ясна связь между формой нейрона (форма дерева с разветвленной кроной) и способом суммирования и оценки получаемых сигналов. Два входных сигнала, из которых каждый может быть возбудительным или тормозным, несомненно суммируются совсем по-разному, в зависимости от того, расположены ли синапсы по соседству (например, на одной и той же дендритной веточке) или один синапс находится на одной веточке, а другой далеко от него (возможно, на веточке другого дендрита) или же один синапс образуется на веточке, а другой на теле клетки. Форма, весьма различная у разных классов нейронов, должна играть важную роль в их функции, но пока это все, что можно сказать с уверенностью.
Близкая к этому группа вопросов касается значения некоторых синапсов (обычного вида синапсов с пресинаптическим и постсинаптическим компонентами), которые соединяют два дендрита или два аксона, а не как обычно - аксон с дендритом или с телом клетки. Мягко выражаясь, никто толком не знает, что о них думать. Наконец, положение еще больше осложняется тем, что некоторые синапсы совершенно отличны от обычного химического типа, так как в них не происходит диффузия медиатора, а течет электрический ток. Их открыли в 50-х годах Э. Фершпен (Е. Furshpan) и Д. Поттер (D. Potter) из Лондонского университетского колледжа. Почему в одних синапсах природа применяет передачу химическую, а в других - электрическую, пока что остается загадкой.
Если глубже рассматривать многие еще не получившие ответа вопросы относительно нервных сигналов, то они оказываются связанными с тонкой структурой и функцией нейронной мембраны, потому что на молекулярном уровне точно еще не известно, как ионы проходят через мембраны или как влияют изменения потенциала и медиаторы на проницаемость для отдельных ионов (см. Ч. Стивене "Нейрон"). Особый интерес представляет химизм синаптической передачи, при которой обнаружено уже больше 20 медиаторных веществ, а также те способы, какими нейроны синтезируют, выделяют, поглощают и разрушают эти уже достаточно хорошо известные вещества (см. Л. Иверсен "Химия мозга").
Еще не полное, но в значительной мере уже достигнутое понимание химии синапсов нашло свое отражение в психиатрии и фармакологии. Многие заболевания - от паркинсонизма до депрессии, - по-видимому, связаны с нарушением синаптической передачи, и действие многих лекарств сводится к усилению или ослаблению этой передачи (см. С. Кити "Заболевания человеческого мозга").
Лет через десять основные черты активности отдельных нейронов, надо полагать, будут детально изучены. Теперь же, когда положено известное начало пониманию структуры и работы отдельных клеток, нейробиологи находятся в положении человека, который, немного разбираясь в физических свойствах сопротивлений, конденсаторов и транзисторов, пытается заглянуть в телевизор. Он не поймет, как работает этот прибор в целом, пока не узнает, как соединены его элементы, и пока не получит хоть некоторое представление о назначении прибора, о его блоках и их взаимодействии. В изучении мозга первую ступень после нейрона и его работы составляет знакомство с тем, как взаимосвязаны более крупные части мозга и как устроена каждая из них. Следующей ступенью явится попытка установить, как нейроны взаимодействуют, и выяснить значение посылаемых ими сигналов.
Один из способов разобраться в общей организации мозга состоит в том, чтобы рассмотреть ее в форме приблизительной схемы. На входе лежат группы рецепторов - видоизмененные нервные клетки, специализированные для преобразования в электрические сигналы разных форм информации, которая приходит к ним из внешнего мира. Одни рецепторы реагируют на свет (зрение), другие на химические воздействия (вкус и обоняние), третьи на механическую деформацию (осязание и слух). Рецепторы образуют контакты с первой группой нейронов, те в свою очередь со следующими, и так далее. На каждом этапе аксоны ветвятся и подходят к следующему нейрону цепи, на котором конвергирует множество аксонов. Каждая воспринимающая клетка интегрирует возбудительные и тормозные импульсы, конвергирующие на ней от клеток низшего порядка. Раньше или позже, после ряда этапов нервные аксоны оканчиваются на клетках железы или мышцы - выходах нервной системы.
Коротко говоря, имеется вход - единственный для человека способ узнавать о внешнем мире. Имеется выход - единственный для человека способ реагировать на внешний мир и воздействовать на него. А между входом и выходом находится все остальное, что должно включать восприятие, эмоции, память, мысль и все прочее, что делает человека человеком.
Вряд ли нужно говорить, что описанный путь от входа к выходу очень упрощен. Хотя главное движение происходит на схеме слева направо, но на любом этапе между клетками часто существуют боковые связи; нередко имеются также связи, идущие в обратном направлении - от выхода к входу, совершенно так же, как имеется обратная связь во многих электронных цепях. От входа к выходу ведет не один только путь; множество разных наборов рецепторов специализированы для разных видов чувствительности и для определенных форм энергии, действующих на каждый орган чувств, и при этом имеются бесчисленные шунты, переключения и обходы. Синапсов между рецепторами и мышцами может быть или очень много, или всего лишь два или три. (Когда число их невелико, цепь обычно называют рефлексом; сужение зрачка в ответ на освещение сетчатки представляет собой рефлекс с участием четырех или пяти синапсов.) При этом следует снова указать, что синапс бывает или возбудительный или тормозный; если в определенный момент клетка испытывает оба этих воздействия, в результате они могут полностью погасить друг друга.
Общая организация головного мозга показана в виде примерной схемы, на которой изображен поток информации от сенсорных сигналов на входе рецепторных клеток (А) до конечного выхода мотонейронов (Z) на мышечные клетки. На своем выходе рецепторы и нейроны обычно ветвятся и посылают к следующему уровню дивергирующие сигналы. Большинство нейронов получает на входе от нижних уровней конвергирующие сигналы как возбудительные, так и тормозные. Кое-что известно о значении связей близ входа (В, С) и близ выхода (X, Y) головного мозга. Гораздо меньше известно о работе областей лежащих между ними, которые составляют большую часть мозга.
Теперь физиологи имеют некоторое представление о том, какого рода операции нервная система производит на входе и на выходе. На входе система, очевидно, занята главным образом извлечением из внешнего мира информации, которая представляет биологический интерес. Обычно рецепторы реагируют лучше всего на начало или на конец стимула, например давления на кожу. Нам важнее всего узнавать об изменениях; никому не хочется и не нужно, чтобы 16 часов в день ему напоминали, что на ногах у него обувь.
Если в качестве примера взять зрительную систему, то здесь важны контрасты и движения, и на первых двух-трех этапах значительная часть цепей занята усилением эффектов контраста и движения. На последующих уровнях зрительной системы поведение клеток становится сложнее, но оно всегда упорядочено и, к счастью, имеет смысл в применении к восприятию. В настоящее время путь информации, идущей от светочувствительных клеток сетчатки, прослежен в головном мозгу до шестого-седьмого этапа, до роли коры больших полушарий, связанной со зрением (см. статью Д. Хьюбела и Т. Визелл).
Хотя в настоящее время зрительная система является одной из лучше всего изученных частей мозга, нейробиологам еще далеко до понимания того, как происходит восприятие или опознание предметов. Правда, объем сведений, приобретенных за несколько лет, прошедших с момента создания микроэлектродов, позволяет думать, что такой отдел головного мозга, как кора больших полушарий, со временем будет доступен - во всяком случае в принципе - сравнительно простому объяснению.
На выходе нервной системы механизм, каким нейрон посылает импульс к мышечному волокну, в последнее время стал в основном понятен, и уже более 50 лет нам известны те части головного мозга, которые управляют движением. Однако, что именно делают в действительности эти структуры, когда человек движется или собирается двигаться, все еще во многом неизвестно. Изучение идет медленно главным образом потому, что исследовать произвольные движения надо у бодрствующих и хорошо обученных животных, тогда как изучать сенсорные системы можно у наркотизированных животных. Одно из основных усилий направлено сейчас на то, чтобы проследить за ходом моторного импульса от мотонейрона обратно к таким структурам, как моторная кора и мозжечок, с целью узнать, как на решение совершить движение влияют разные сигналы, идущие от входа нервной системы (см. статью Э. Эвартса).
На выходе важно не сокращение отдельного волокна, а координированное сокращение и одновременное расслабление многих мышц; например, при сжимании кисти в кулак или схватывании предмета недостаточно просто согнуть пальцы, сократив сгибатели в предплечье, - надо также сократить разгибатели, чтобы мышцы-сгибатели пальцев не согнули кисть. Это противодействующее разгибание кисти происходит автоматически, без размышлений (это можно проверить, сжав руку в кулак и почувствовав при этом, как сокращаются мышцы-разгибатели на наружной стороне предплечья).
Очевидно, что команда сжать кисть в кулак, идущая от головного мозга, включает в себя импульсацию клеток, удаленных на несколько переключений от выхода нервной системы, - клеток, аксоны которых распределяются по разным мотонейронам и тормозным нейронам, снабжающим в свою очередь все мышцы, участвующие в выполнении команды. При других движениях действуют другие цепи, в которые могут быть включены те же мышцы, но в других комбинациях.
Таким образом, не трудно представить себе ряд такого рода функций, осуществляемых нервной системой, особенно близ ее сенсорного и моторного кондов. Недостает сведений главным образом относительно обширной промежуточной области - лобная и теменная доли, лимбическая система, мозжечок и так далее, и так далее, - хотя об их анатомии известно немало. В некоторых случаях известна своего рода физиология основной схемы связей, например установлено, какими нейронами возбуждаются или тормозятся другие нейроны. Для мозжечка не только описана в деталях схема связей, но и ясно, какие синапсы возбудительные, а какие тормозные; для некоторых видов синапсов с достаточной степенью надежности химически идентифицированы медиаторы. Но как работает мозжечок, известно только самым неопределенным образом. Он несомненно участвует в регуляции движений, мышечного тонуса, равновесия, но как такие функции выполняются этой великолепно построенной, упорядоченной и фантастически сложной машиной, совершенно неизвестно.
На выходе нервная система активирует мышечное волокно по концевым аксонным веточкам мотонейрона. Эта микрофотография получена с помощью сканирующего электронного микроскопа Б. Риз и Т. Ризом из Национального института инсульта, неврологических и коммуникативных нарушений. Одна концевая веточка лежит (в некоторых местах она отодвинута) в бороздке мышечного волокна. Нервное волокно в значительной части окружено оболочкой, образуемой шванновской клеткой, тело которой видно слева внизу. Бороздку пересекают узкие складки постсинаптической мышечной мембраны. Каждая складка примыкает к "активной зоне" нервного волокна; когда к синапсу приходит импульс из этой зоны через "окна" в оболочке, образованной шванновской клеткой, выделяется химический медиатор ацетилхолин. Молекулы ацетилхолина активируют рецепторы на мышечной мембране, вызывая таким образом мышечное сокращение.
По общему признанию, работать с мозжечком трудно; он образует водораздел между сенсорными и моторными процессами в совершенно незаполненной части приведенной на рисунке схемы. Виды сигналов, поступающих на его входы - специфическое значение импульсов, приходящих в мозжечок из коры больших полушарий, спинного мозга и так далее, - известны недостаточно; нейронные структуры, к которым направлены его выходы и которые в свою очередь связаны с мышцами, тоже мало изучены. По тем же причинам и другие части мозга в большинстве своем все еще мало понятны. Несмотря на методические успехи последних лет, крайне необходимы новые революционные методы. В качестве одного лишь примера можно указать, что сейчас не существует способа изучать сигналы отдельных клеток у человека, не вскрывая его черепа на операционном столе, последнее же совершенно недопустимо. Тем не менее достигнуты большие успехи в понимании некоторых высших функций человеческого мозга (см. Н. Гешвинд "Специализация человеческого мозга"), но чтобы действительно понять такую специально человеческую функцию, как речь, нужно разработать способы экстракраниальной регистрации активности отдельных нейронов.
Указать, как соединены между собой нейроны и как они работают в каждый данный момент - это лишь одна из конечных целей нейрофизиологии. Некоторые важные аспекты деятельности мозга лежат за этой гранью. Например, память и обучение безусловно представляют собой кумулятивные процессы, связанные с изменением во времени, а о механизмах, лежащих в их основе, известно еще очень мало.
Пожалуй, нейробиология особенно склонна к увлечениям, из-за которых порой она чуть не сходит с рельсов. Несколько лет тому назад возникла мысль, что следы памяти могут откладываться в форме крупных молекул, причем информация кодируется последовательностью мелких молекул подобно тому, как генетическая информация закодирована в ДНК. Мало кто, знакомый с высоко упорядоченной специфичностью связей в головном мозгу, принял эту идею всерьез, и тем не менее немало времени было потрачено во многих лабораториях на то, что животных обучали выполнению какой-либо задачи, затем растирали их мозг, а далее находили или химические отличия в их мозге, или "статистически значимое" усиление способности обучаться тем же задачам у животных, которым был введен экстракт мозга обученных животных. Увлечение это угасло, но факт тот, что не всегда нейробиология двигалась вперед или даже стояла на месте временами она даже откатывалась назад.
В конечном счете изучение памяти, вероятно, будет касаться двух совсем разных ее компонентов. Первый компонент составляют изменения, которые вероятнее всего происходят в синапсах в результате многократного использования нейронных цепей. Например, возможно повышение эффективности одного синапса за счет других на той же клетке. Определенные комбинации стимулов, повторяясь, могут таким образом усиливать один из многих проводящих путей данной нейронной структуры.
Исследования такого плана трудно осуществимы на высших животных; их гораздо легче производить на малых системах нейронов, которые составляют полностью или частично нервную систему некоторых низших животных. В отдельные клетки этих животных удается легко ввести микроэлектрод, и, что еще важнее, такие клетки часто обладают индивидуальностью; говоря, например, о клетке №56 в определенном ганглии у рака, можно быть уверенным, что у всех других раков она занимает буквально то же положение и обладает теми же связями. (В этом глубокое различие между мозгом многих беспозвоночных и мозгом человека. Дать номер какому-нибудь нейрону в человеческом мозгу невозможно так же, как невозможно дать номер волосу на голове или поре на коже.)
Изящные опыты проводились на уровне отдельных нейронов у беспозвоночных при их обучении (см. Э. Кэндел "Малые системы нейронов"). Например, показано даже, что при выработке реакции или ее забывании у животного происходят доступные определению изменения в передаче сигналов через те или иные синапсы. Разумеется, обучение здесь простое, но, по-видимому, истинное. Снова и снова на беспозвоночных делались открытия, которые потом были распространены высшие формы. Поэтому маловероятно, что исследователи откажутся работать на таких животных, убоявшись насмешек начетчиков над невероятным звучанием таких тем, как "Решение задачи пиявкой".
Второй компонент, которым придется овладевать при изучении памяти, будет гораздо труднее. Все то, что человек помнит (в любом смысле этого слова, кроме самого рудиментарного), связано с восприятием или с движениями, или с жизненным опытом. Для проникновения в механизм памяти в любом истинном смысле нужно знать, что происходит, когда человек воспринимает, действует, думает и испытывает, для того чтобы понять, что из всего этого воспроизводится, когда он вспоминает что-то или чему-то научается. Из этих двух компонентов первый - синаптический - представляется мне сравнительно легким, а второй неимоверно трудным.
Понять работу мозга у взрослого животного - задача достаточно трудная; понять, как мозг становится мозгом, пожалуй, по меньшей мере так же трудно. Как развивается нервная система до и после рождения? Центральная задача состоит в том, чтобы раскрыть, как информация, закодированная в молекулах ДНК, трансформируется в связи между клетками внутри структур, в пространственные соотношения этих структур и связи между ними. Зрительный нерв, например, содержит около миллиона волокон, каждое из которых начинается в определенной точке маленького участка сетчатки. В свою очередь каждое волокно соединено в определенном порядке с плоским латеральным коленчатым телом в головном мозгу, и таким образом на коленчатом теле создается в известном смысле карта сетчатки. Каким образом во время развития волокна выходят из сетчатки, доходят до коленчатого тела и распределяются там с абсолютной топографической точностью? Такие же наборы связей, подобных проводам, смонтированные по своим особым схемам и соединяющие между собой топографически организованные области, имеются по всей нервной системе, а как собираются эти точные схемы, остается одной из важных неразрешенных проблем (см. У. Коуэн "Развитие мозга").
Изучение развития мозга потенциально важно не только потому, что оно проливает свет на работу мозга, но и потому, что о многих нервных болезнях известно точно, а о многих предположительно, что они возникают в период развития. Сюда относится большинство врожденных аномалий, синдром Дауна, некоторые виды мышечной дистрофии, вероятно, некоторые обычные формы эпилепсии и множество более редких заболеваний.