Елементарні одиниці мозку

Головний мозок, мабуть, один з найменш вивчених об’єктів біології. І цьому є свої пояснення. Труднощі вивчення мозку полягають, зокрема, в тому, що система «дослідник – об’єкт» в даному випадку найбільш парадоксальна і складна, так як, вивчаючи, наприклад, мозок людини, ми в якійсь мірі намагаємося зрозуміти «самих себе». І, тим не менше, проблема вивчення системи з нервових клітин іменованих мозком, все більше займає вчених. Надійність, компактність, велика працездатність, здатність мозку до надзвичайно складної діяльності привертає до себе увагу фахівців різних областей знання. Отже, «Nosce te ipsum» («Пізнай себе»), вислів мудреців стародавнього світу, в наш час починає наближатися до реалізації.

Величезну роль у вивченні мозку грає кібернетика, яка дозволила підійти до вивчення мозку з позицій теорії управління і регулювання складних процесів. Кібернетика, зруйнувавши масу формальних бар’єрів, що відокремлюють одну область знань від іншої, і об’єднавши багато прийомів та методів, дозволила виявити нові шляхи дослідження нервової системи, використовувати при розгляді різних питань, пов’язаних з мозком, нову логіку, теорію автоматів, теорію інформації.

Значення кібернетики, однак, проявляється не тільки тоді, коли вчені, виявляючи закони переробки інформації, досліджують мозок на рівні «інформаційних процесів», воно проявляється і в тому випадку, коли увага дослідників зосереджується на окремих нервових клітинах.

Вже давно стала очевидною необхідність вивчення мозку «на різних рівнях». У цій статті ми зупинимося на одному з таких «рівнів», на роботі нервових клітин – нейронів. Що нового відомо про їхню діяльність? Як кібернетика допомагає в цьому дослідженні? На ці питання ми і спробуємо відповісти.

Співвідношення роботи нервової клітини і цілісного мозку аналогічно співвідношенню окремої радіолампи і лічильно-обчислювальної машини. Тому не можна, звичайно, сподіватися, що, досліджуючи тільки поодинокі клітини, можна зрозуміти всі таємниці роботи мозку. Але вивчення будови елементів необхідно для вирішення всього завдання.

Вже «примітивна», одноклітинна амеба має здатність сприймати роздратування і відповідати на ці роздратування руховими реакціями, утворюючи вирости протоплазми, так звані псевдоподії. Амеба здатна не тільки сприймати роздратування, а й аналізувати їх. Стежачи за поведінкою амеби, ми бачимо, що на навколишні умови вона реагує по-різному, в залежності від характеру цих умов: до одних вона байдужа, інші змушують її наближатися до себе, треті відштовхують, четверті надають на її рух гальмівний вплив – примушують її до спокою.

Ще більш цікавим і складним є поведінка одноклітинної тварини, відомої в повсякденному житті під назвою «інфузорії-туфельки». Вивченню «психології» цієї «туфельки», довжина якої ледь досягає 0,25 мм, присвячено чимало наукових досліджень. «Туфелька» чудово реагує на зміну температури води, в якій вона мешкає, розрізняє деякі хімічні речовини і навіть проявляє скромні здібності до навчання.

Але амеба і «туфелька» сприймають і аналізують подразнення всією своєю поверхнею, зовнішнім шаром протоплазми – ектоплазмою. У високоорганізованих же організмів для переробки інформації служать складним чином організовані нервові мережі, що складаються з 14 мільярдів клітин, – ось вони-то в своїй сукупності і забезпечують всі складні форми діяльності людини. При цьому кожен нейрон втрачає свою самостійність, він виконує свою власну елементарну функцію, яка є частиною цілої системи переробки інформації.

Але нейрон, на жаль, ще не елементарний пристрій. Його, мабуть, можна порівняти з атомом, який ще недавно був оголошений «елементарним», а зараз вважається «невичерпним».

Різноманітна і дивовижна форма нейронів. Тут і зірчасті, і корзинчаті, і пірамідні нейрони. Форма їх (як клітин, так і відростків) вражає своїми обрисами. Деревовидні відростки нейронів – дендрити – сприймають подразнення і служать «входом» нейрона. Вони утворюють в глибинах мозку і на його поверхні складні перемикання з іншими відростками нейронів – аксонів, які служать «виходом» нейронів. Кількість таких перемикань з аксона одного нейрона на тіло клітини іншого у пірамідного нейрона, наприклад, досягає декількох тисяч. Можете собі уявити кількість перемикань в усьому мозку, що налічує 14 мільярдів нейронів!

Інформація, закодована у вигляді електричних імпульсів (так говорить одна з гіпотез), надходить від розгалужень аксона одного нейрона до дендритів іншого, а потім потрапляє в тіло клітини. Нейрон, який прийняв інформацію, переробляє її і відсилає далі, або вона зберігається в системах пам’яті мозку.

Складна кухня переробки інформації в нейроні – відповідно складна і будова його. Світловий мікроскоп, вперше дозволив здивованому досліднику зрозуміти, що все живе складається з клітин, демонстрував нам клітку як порівняно просту функціональну одиницю, що складається з оболонки, ядра і мутнуватої протоплазми з різними включеннями. Розвиток електронної мікроскопії, що дозволив отримати збільшення в мільйон разів і більше, перевернув існуючі уявлення про примітивність будови клітини. Перед вченими постала впорядкована молекулярна організація клітини, пролили світло і на будову каламутної протоплазми і підняли завісу над найскладнішими біохімічними процесами, що протікають в хімічних фабриках клітини – так званих мітохондріях.

У тілі нейрона, обсяг якого досягає всього лише 0,001 мм, а вага – 0,00083 мг, містяться сотні тисяч хімічних речовин і тисячі ферментів-каталізаторів. Вони беруть участь в тисячах безперервних біохімічних реакціях.

Складні біохімічні реакції лежать в основі головної форми роботи мозку – переробки інформації. Забезпечуючи разом з іншими нейронами складні форми діяльності нервової системи, кожен нейрон вже сам по собі здатний до досить складної переробки інформації.

Дізнатися про процеси, в яких нейрон приймає участь, «поговорити» з нейроном вдалося завдяки одній із сучасних методик – мікроелектродної техніці. Ця методика дозволяє налагодити двосторонній контакт експериментатора з нейроном, не завдаючи при цьому нейрону нанесення значної шкоди. Ось як виглядає один з варіантів експерименту. До нейрона, наприклад, зорової ділянки кори кролика підводиться металевий або скляний електрод діаметром від 0,5 до 2 мк – це «мікрофон», за допомогою якого нейрон «відповідає» на різні питання, які йому задає експериментатор. І це спілкування виходить тим змістовнішим, тим цікавішим, чим більше різноманітних питань встигає задати нейрону експериментатор. Але, на жаль, у експериментатора при цьому, як правило, не вистачає «ерудиції» – мало засобів в руках експериментатора для вивудження інформації з нейрона.

Пред’явлені кролику (власнику цікавялячого нас нейрона) світлові, звукові і тактильні подразники-питання не завжди в змозі спонукати нейрон до необхідної з ним розмови. І мистецтво експериментатора, його ерудиція якраз і проявляються в тому, як багато цікавих питань і комбінацій з них зуміє він задати нейрону.

Продовження читайте в наступній статті.

Автор: А. Напалков, А. Туров.