Готический собор нервов
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В работающем мозге вступают в действие не какие-то раз и навсегда проложенные линии связи, когда-то построенные нервные схемы, а на ходу строятся новые цепочки. Знать, что за «постройка» возникает каждый раз в мозгу, не менее важно, чем владеть секретом химического состава разных нервных клеток. Профессор Анохин говорит об этом очень образно: «Как один и тот же кирпич и тот же цемент могут лежать в основе или готической или ампирной архитектуры, так и мир сложных процессов отдельной клетки может принимать участие в миллионах различных архитектур нашего поведения». До сих пор физиологи главное внимание обращали на клетки, а не на соединяющие их нервные «провода». И, оказалось, совсем напрасно.
Громадную роль играют эти самые «провода». Когда я увидела в первый раз вертикальный разрез какого-то крошечного «этажа» мозга, меня поразило, что самих жильцов — клеток почти не видно. Вся «внутренняя проводка», все подсобные, казалось бы, коммуникации буквально заслонили и вытеснили их.
Позднее я прочла, что в Институте мозга произвели специальный расчет — сравнили, какая площадь приходится на тело клетки, а какая на ветвящиеся вокруг нее «провода». И выяснилось, что нейрон вместе с отростками занимает в несколько десятков раз больше места, чем «голый», не опутанный проводами.
Есть очень длинные отростки. Они спускаются через все «этажи» коры и выходят далеко за ее пределы. Те же, которые не идут вниз, обычно вытянуты горизонтально или запутаны клубком вокруг нервной клетки. Физиологи проследили, куда направляются отростки наиболее важных клеток, расположенных в зрительном отделе мозга и на подходах к нему. Выяснилось, что внутри этого отдела существуют тесные межнейронные связи. Поэтому, когда возбуждение по зрительному нерву поступает сюда, оно не сосредоточивается в одном каком-либо этаже, а по разветвлениям растекается вглубь и вширь.
Точно так же и обратные приказы направляются не прямо к мышцам, а по боковым придаткам нервов распространяются предварительно по разным слоям коры. Все это относится именно к коре, а не к подчиненным ей этажам мозга. Речь, таким образом, идет о переплетениях нейронов в самом верхнем тончайшем слое мозга.
Наблюдения показывают: во всех областях коры нервные провода, по которым в мозг поступают сообщения, а также передаются от одних клеток к другим и отправляются обратные приказы, сплетены тесно, образуют единую систему.
Так отпало давнее, вроде бы «устоявшееся» предположение, что в мозгу есть строго изолированные «входы», «выходы» и области, где поступающие сведения перерабатываются. О таком делении теперь можно говорить лишь условно. Правильнее считать, что наша кора — это универсальный агрегат из 14 миллиардов разнообразных деталей, работающих необыкновенно слаженно.
Кое-что во внутреннем устройстве этого агрегата уже начинает проясняться. Ученые заметили, например, что не у всех нервных клеток длинные отростки. Чем выше животное по уровню развития, тем больше у него нейронов с короткими отростками. Из 14 миллиардов клеток человеческого мозга больше половины такого укороченного «современного» фасона.
По всей вероятности, их роль заключается в перераспределении нервных импульсов между другими клетками коры. Это как бы вставные, промежуточные нейроны. Они направляют нервные импульсы, пришедшие от органов чувств, к тем клеткам, которые вырабатывают на их основе управляющие команды.
По-видимому, промежуточные нейроны служат не только пересадочным пунктом. Они при этом как-то воздействуют на те клетки, которым посылают нервные импульсы, понижая или повышая их порог возбудимости. Тем самым они не просто управляют потоком нервных импульсов, но и влияют на силу нервного возбуждения, то есть в конечном счете на результат тех процессов, которые происходят в коре.
Но если у клеток такие короткие отростки, как же передаются сообщения в самые дальние уголки мозга? Здесь физиологи столкнулись еще с одной проблемой, которой раньше не придавали большого значения: как нервные импульсы переходят с одной нервной клетки на другую? Ведь в коре мозга нет единых проводов, соединяющих все нейроны в единую цепь. Здесь нет таких колоссальных нервных волокон, как, например, те, которые спускаются из головного мозга к спинному. Эти последние тянутся нередко через тело человека, достигая метра в длину.
В коре мозга — ничего похожего. Самые длинные отростки едва достигают тут нескольких миллиметров. Значит, нервные импульсы распространяются прямо по клеткам, переходя с тела одной на отростки соседней.
Так была внесена еще одна поправка в прежние представления. Мы обычно говорим, что нервное возбуждение «разливается» по коре. В действительности же оно не течет сплошным потоком по проводам, а движется короткими перебежками от одной нервной клетки к другой. В местах контакта двух нервных клеток стоят своеобразные переключатели. От них зависит, пройдет нервный импульс тем или иным направлением или нет. Эти переключатели называют «синапсами». По-нашему «застежками». Оказалось, в мозгу чрезвычайно много таких «застежек» и они самых различных фасонов. Чаще всего в виде «пуговки» — когда разветвления одного нейрона заканчиваются на теле соседа своеобразным утолщением, имеющим вид пуговицы. Иногда в виде замысловатой шнуровки. Вместо утолщения — наоборот, нервный отросток тут расщепляется на тончайшие веточки, образующие сложное переплетение на теле другой клетки.
Было замечено, что переключение может происходить не обязательно на теле клетки. Существуют контакты и между отростками разных клеток. Еще в 19-м веке обратили внимание, что те отростки клеток, которые пропускают нервные импульсы внутрь самой клетки, покрыты своеобразными выростами — «шипиками». Считалось, что нервная клетка впитывает через них питательные вещества, и потому не очень заботили исследователей эти выросты. Теперь же стало ясно: шипики — разновидность синапсов. Касаясь шипиками отростка, отводящего от соседней клетки импульсы, нервная клетка переключает их на себя.
Наконец, в ряде случаев как будто вообще нет никаких «застежек», и, тем не менее, нервные импульсы перескакивают с одного отростка на другой. Так бывает, например, когда нервные волокна, пересекаясь, слегка касаются друг друга. Через такой контакт направляется только небольшая часть нервных импульсов. Это дает возможность дополнительно, косвенным путем, влиять на нужные нервные клетки.
Что переключателей в коре так много и что они столь разнообразны по форме и строению — обнаружили сравнительно недавно. Стало ясно, что это должно иметь определенный смысл. И действительно: опыты показали, что не только каждая клетка, но и каждый ее синапс по химическому составу отличается от другого.
Сейчас найдены вещества, которые оказывают действие не на отдельные нервные клетки даже, а только на их переключательные устройства. И оказалось достаточным выключить, затормозить работу нескольких таких крошечных контактов, чтобы изменился характер условных рефлексов или даже наступило расстройство психики. При этом нервные клетки остаются целыми, нарушаются только некоторые межнейронные связи. Этот тончайший механизм и находится сейчас в центре внимания физиологов, изучающих работу мозга. Не сама нервная клетка, не отходящие от нее нервные волокна, а именно загадочные мозговые переключатели в первую очередь интересуют ученых.
В Институте мозга тщательно исследовали разные виды таких контактов. И обнаружили, что они не врастают внутрь соседа, вещество нервных отростков не смешивается, они как бы приставлены друг к другу, и нигде в местах контактов нет никакого отверстия, никакой щелки, через которую могли бы проскочить нервные импульсы. И все же они проскакивают.
По-видимому, одно нервное волокно «снимает» нервный импульс с другого, подобно электроду, приложенному к проводу и отводящему от него ток. В некоторых же случаях нервные волокна даже и не соприкасаются, между ними остается свободное пространство, а нервные импульсы все-таки умудряются преодолевать его. Значит, отростки нервных клеток обладают способностью воздействовать на расстоянии?
На расстоянии два тела могут действовать друг на друга, если между ними существует какое-то физическое поле — электрическое, магнитное и т. п. Вероятно, один нейрон, как сказали бы инженеры, «наводит» поле на другой.
Нервное возбуждение передается на этот раз не по проводам, а подобно тому, как в обычном трансформаторе электрический ток, текущий по одному витку, наводит ток в другом, полностью от него изолированном и находящемся на некотором расстоянии. К такому выводу пришел недавно директор Института мозга профессор С. А. Саркисов. Последние его исследования как раз и посвящены изучению тонкой нейронной структуры мозга.
Помню свой первый разговор с Семеном Александровичем. Меня интересовало, какие исследования мозга наиболее перспективны, где можно ждать важнейших открытий. Я тогда только что прочла о сетчатой структуре — знаменитом «страже» мозга, поддерживающем кору в состоянии «боевой готовности», сортирующем приходящие по нервам сигналы на важные и ничего не значащие. Во всех лабораториях, где мне пришлось бывать, об этом загадочном устройстве много говорили, поэтому я спросила:
— Что больше всего волнует сейчас исследователей мозга? — И, гордясь своей осведомленностью, добавила: — все «страж» мозга не дает покоя?
— Сетчатая структура — пройденный этап,— замахал руками Семен Александрович.— Вот, вот где надо искать секрет удивительного совершенства мозга…
Он торопливо листал страницы, наконец, нашел, расправил книгу, протянул ее мне. Крупно, во весь лист была изображена нервная клетка. Крошечное тельце ее едва можно было различить за паутиной отростков, перекрывающих друг друга, сплетенных в громадный клубок.
— Это все «входы» и «выходы» живой «электронной лампы», — слегка сердито, как мне показалось, сказал профессор Саркисов. Он с интересом вглядывался в знакомое до мельчайших деталей изображение.
— Электронная лампа,— он с сомнением покачал головой, — ну сколько у этой вашей лампы может быть входных и выходных каналов? Два, четыре, восемь от силы. А у такой вот обычной нервной клетки их — сколько бы вы думали? — десятки, а может быть, и сотни тысяч! И на каждом — тысячи самых разных «переключателей». Каждый выполняет свою, индивидуальную работу, и при этом всегда включается, срабатывает именно тот контакт, который нужен: никакой путаницы, никаких ошибок. Вот уж действительно надежная конструкция.
Разве можно сравнить это сложнейшее и совершенное устройство с какой-то там электронной лампой! Тут, именно тут, надо искать разгадку секрета надежности мозга, того секрета, который так нужен инженерам, создающим кибернетические машины.
Автор: Е. Сапарина.