Элементарные единицы мозга
Головной мозг, видимо, один из наименее изученных объектов биологии. И этому есть свои объяснения. Трудность изучения мозга состоит, в частности, в том, что система «исследователь — объект» в данном случае наиболее парадоксальна и сложна, так как, изучая, например, мозг человека, мы в какой-то степени пытаемся понять «самое себя». И, тем не менее, проблема изучения системы из нервных клеток именуемой мозгом, все больше занимает ученых. Надежность, компактность, большая работоспособность, способность мозга к необычайно сложной деятельности привлекают к себе внимание специалистов различных областей знания. Итак, «Nosce te ipsum» («Познай себя»), изречение мудрецов древнего мира, в наш век начинает приближаться к реализации.
Огромную роль в изучении мозга играет кибернетика, позволившая подойти к изучению мозга с позиций теории управления и регулирования сложных процессов. Кибернетика, разрушив массу формальных барьеров, отделяющих одну область знаний от другой, и объединив многие приемы и методы, позволила выявить новые пути исследования нервной системы, использовать при рассмотрении различных вопросов, связанных с мозгом, новую логику, теорию автоматов, теорию информации.
Значение кибернетики, однако, проявляется не только тогда, когда ученые, выявляя законы переработки информации, исследуют мозг на уровне «информационных процессов», оно проявляется и в том случае, когда внимание исследователей сосредоточивается на отдельных нервных клетках.
Уже давно стала очевидной необходимость изучения мозга «на различных уровнях». В этой статье мы остановимся на одном из таких «уровней», на работе нервных клеток — нейронов. Что нового известно об их деятельности? Как кибернетика помогает в этом исследовании? На эти вопросы мы и попытаемся ответить.
Соотношение работы нервной клетки и целостного мозга аналогично соотношению отдельной радиолампы и счетно-вычислительной машины. Поэтому нельзя, конечно, надеяться, что, исследуя только одиночные клетки, можно понять все тайны работы мозга. Но изучение устройства элементов необходимо для решения всей задачи.
Уже «примитивная», одноклеточная амеба обладает способностью воспринимать раздражения и отвечать на эти раздражения двигательными реакциями, образуя выросты протоплазмы, так называемые псевдоподии. Амеба способна не только воспринимать раздражения, но и анализировать их. Следя за поведением амебы, мы видим, что на окружающие условия она реагирует по-разному, в зависимости от характера этих условий: к одним она безразлична, другие заставляют ее приближаться к себе, третьи отталкивают, четвертые оказывают на ее движения тормозящее влияние — принуждают ее к спокойствию.
Еще более интересным и сложным является поведение одноклеточного животного, известного в обыденной жизни под названием «инфузории-туфельки». Изучению «психологии» этой «туфельки», длина которой едва достигает 0,25 мм, посвящено немало научных исследований. «Туфелька» великолепно реагирует на изменение температуры воды, в которой она обитает, различает некоторые химические вещества и даже проявляет скромные способности к обучению.
Но амеба и «туфелька» воспринимают и анализируют раздражения всей своей поверхностью, наружным слоем протоплазмы — эктоплазмой. У высокоорганизованных же организмов для переработки информации служат сложным образом организованные нервные сети, состоящие из 14 миллиардов клеток,— вот они-то в своей совокупности и обеспечивают все сложнейшие формы деятельности человека. При этом каждый нейрон теряет свою самостоятельность, он выполняет свою собственную элементарную функцию, являющуюся частью целой системы переработки информации.
Но нейрон, к сожалению, еще не элементарное устройство. Его, пожалуй, можно сравнить с атомом, который еще недавно был объявлен «элементарным», а сейчас считается «неисчерпаемым».
Многообразна и удивительна форма нейронов. Здесь и звездчатые, и корзинчатые, и пирамидные нейроны. Форма их (как клеток, так и отростков) поражает своими очертаниями. Древовидные отростки нейронов — дендриты — воспринимают раздражения и служат «входом» нейрона. Они образуют в глубинах мозга и на его поверхности сложные переключения с другими отростками нейронов — аксонами, которые служат «выходом» нейронов. Количество таких переключений с аксона одного нейрона на тело клетки другого у пирамидного нейрона, например, достигает нескольких тысяч. Можете себе представить количество переключений во всем мозге, насчитывающем 14 миллиардов нейронов!
Информация, закодированная в виде электрических импульсов (так говорит одна из гипотез), поступает от разветвлений аксона одного нейрона к дендритам другого, а затем попадает в тело клетки. Нейрон, принявший информацию, перерабатывает ее и отсылает далее, либо она хранится в системах памяти мозга.
Сложна кухня переработки информации в нейроне — соответственно сложно и строение его. Световой микроскоп, впервые позволивший изумленному исследователю понять, что все живое состоит из клеток, демонстрировал нам клетку как сравнительно простую функциональную единицу, состоящую из оболочки, ядра и мутноватой протоплазмы с различными включениями. Развитие электронной микроскопии, позволившей получить увеличение в миллион раз и более, перевернуло существовавшие представления о примитивности строения клетки. Перед учеными предстала упорядоченная молекулярная организация клетки, пролившая свет и на строение мутной протоплазмы и приоткрывшая занавес над сложнейшими биохимическими процессами, протекающими в химических фабриках клетки — так называемых митохондриях.
В теле нейрона, объем которого достигает всего лишь 0,001 мм, а вес — 0,00083 мг, содержатся сотни тысяч химических веществ и тысячи ферментов-катализаторов. Они участвуют в тысячах непрекращающихся биохимических реакций.
Сложные биохимические реакции лежат в основе главной формы работы мозга — переработки информации. Обеспечивая вместе с другими нейронами сложнейшие формы деятельности нервной системы, каждый нейрон уже сам по себе способен к довольно сложной переработке информации.
Узнать о процессах, в которых нейрон принимает участие, «поговорить» с нейроном удалось благодаря одной из современных методик — микроэлектродиой технике. Эта методика позволяет наладить двусторонний контакт экспериментатора с нейроном, не нанося при этом нейрону существенных повреждений. Вот как выглядит один из вариантов эксперимента. К нейрону, например, зрительного участка коры кролика подводится металлический или стеклянный электрод диаметром от 0,5 до 2 мк — это «микрофон», с помощью которого нейрон «отвечает» на различные вопросы, которые ему задает экспериментатор. И это общение получается тем содержательней, тем интересней, чем больше разнообразных вопросов успевает задать нейрону экспериментатор. Но, к сожалению, у экспериментатора при этом, как правило, не хватает «эрудиции» — мало средств в руках экспериментатора для выуживания информации из нейрона.
Предъявляемые кролику (владельцу интересующего нас нейрона) световые, звуковые и тактильные раздражители-вопросы не всегда в состоянии побудить нейрон к необходимому с ним разговору. И искусство экспериментатора, его эрудиция как раз и проявляются в том, как много интересных вопросов и комбинаций из них сумеет он задать нейрону.
Продолжение читайте в следующей статье.
Автор: А. Напалков, А. Туров.