Мозг человека
Головной мозг (лат. cerebrum, др.-греч. ἐγκέφαλον) — орган, координирующий и регулирующий все жизненные функции организма и контролирующий поведение. Все мысли, чувства, ощущения, желания и движения связаны с работой мозга. Является основной частью центральной нервной системы (ЦНС).
В двух словах, работает мозг следующим образом. Он получает входную сенсорную информацию от остальных частей тела через нервную систему — о том, что видит человек, что слышит, что обоняет, каково положение его тела относительно окружения, к чему он прикасается и т.д. Клетки которые получают эту входную сенсорную информацию, соединены с клетками в центральной нервной системе и в конечном счете в мозге. Затем мозг обрабатывает эту информацию и через ЦНС посылает выходные сигналы. Одним словом — реагируем на окружающую обстановку. Выходная информация и ее обработка также оказывает постоянное влияние на мозг, и именно результаты этого влияния мы называем «памятью» или «знаниями». Низшие отделы мозга (т.е. та его часть которая занимает низ черепа и находится у верхушки спинного мозга) главным образом имеют отношение к таким жизненно важным функциям, как дыхание.
Мозг человека — симметричная структура, как и большинство других частей тела. При рождении его вес составляет примерно 0,3 кг, тогда как у взрослого он — около 1,5 кг. Отношение веса головного мозга к весу тела человека составляет приблизительно 3%.
Кровоснабжение головного мозга обеспечивают в первую очередь сонные артерии, у основания мозга они разделяются на крупные ветви, идущие к различным его отделам. Стоит отметить, что к мозгу постоянно, днем и ночью, поступает 20% циркулирующей в организме крови и соответственно кислорода. Энергетические запасы самого мозга крайне невелики, так что он чрезвычайно зависим от снабжения кислородом. Существуют защитные механизмы, способные поддержать мозговой кровоток в случае кровотечения или травмы.
Между кровью и тканями мозга имеется гематоэнцефалический барьер, который задерживает большие молекулы. Этот барьер защищает мозг от многих видов инфекции. В то же время, многие лекарственные препараты, эффективные в других органах, не могут проникнуть в мозг через барьер.
Головной мозг заключен в надежную оболочку черепа. Кроме того, он покрыт оболочками (лат. meninges) из соединительной ткани — твёрдой (лат. dura mater) и мягкой (лат. pia mater), между которыми расположена сосудистая, или паутинная (лат. arachnoidea) оболочка. Между оболочками и поверхностью головного и спинного мозга расположена цереброспинальная (часто её называют спинномозговая) жидкость — ликвор (лат. liquor). Цереброспинальная жидкость также содержится в желудочках головного мозга.
Хотелось-бы сразу «ткнуть пальцем» на очень распространенное заблуждение — любая область мозга «имеет дело» с какой-либо конкретной функцией. В действительности, почти любая функция включает деятельность многих отделов мозга, но все же различные доли прежде всего выполняют различные типы деятельности.
Полушария головного мозга имеют покрытый многочисленными складками (увеличивают поверхность коры) внешний слой, кору головного мозга, которая разделена на четыре доли. Лобные доли имеют определенное значение в планировании будущих действий и управлении движениями. Темные доли связаны с «телесными ощущениями» — формируют образ нашего тела и соотносят его с тем местом, которое мы занимаем, и с окружающей обстановкой. Височные доли отвечают за нашу способность слышать, а затылочные доли связаны со зрением. Хочу обратить внимание на две области коры. Это, во-первых, задняя ассоциативная область (находится у края темной, височной и затылочной долей), видимо, связана с использованием информации, полученной из сенсорной системы для восприятия речи. Во-вторых лимбическая ассоциативная область (находится у миндального края полушарий мозга) отвечает за эмоции и хранение информации в памяти. Левое и правое полушария связаны между собой большим пучком нервных волокон, известным как мозолистое тело. Важная область внутренней коры — гиппокамп, который отвечает за определенные аспекты хранения информации в памяти.
Так-же большой интерес представляют несколько структур, лежащих глубоко под корой головного мозга, в области среднего мозга. Базальные ганглии помогают регулировать моторную деятельность. Лимбическая система, расположенная в нижней части среднего мозга, управляет чувствами удовольствия, с одной стороны, и страха и боли — с другой. Миндалевидное тело (одна из частей лимбической системы) — выполняет функцию обработки наших реакций страха.
Ниже больших полушарий расположен ствол мозга, переходящий в спинной мозг. От ствола и спинного мозга отходят нервы, по которым к мозгу стекается информация от внутренних и наружных рецепторов, а в обратном направлении идут сигналы к мышцам и железам. От головного мозга отходят 12 пар черепно-мозговых нервов.
Внутри мозга различают серое вещество, состоящее преимущественно из тел нервных клеток и образующее кору, и белое вещество — нервные волокна, которые формируют проводящие пути (тракты), связывающие между собой различные отделы мозга, а также образуют нервы, выходящие за пределы ЦНС и идущие к различным органам.
Про нейроны
Основной структурный элемент мозга — клетка особого типа, известная как нейрон. Как и любая другая клетка, нейроны имеют клеточное тело, содержащее ядро, а также два других основных компонента: один или более дендритов и аксон. В мозгу человека от 5 до 20 млрд. нейронов. В состав мозга входят также глиальные клетки, их примерно в 10 раз больше, чем нейронов. Глия заполняет пространство между нейронами, образуя несущий каркас нервной ткани, а также выполняет метаболические и другие функции.
Дендриты — это тонкие волокна, которые отходят от тела нейрона. Они получают сигналы от других нейронов, по сути исполняют функцию ввода информации. Один нейрон может иметь от одного до нескольких тысяч дендритов.
Аксон, как правило, наиболее длинное из волокон, отходящий от тела клетки. Он передает электрическую информацию от нейрона, таким образом он обеспечивает функцию вывода информации. Пусть нейрон и обладает только одним аксоном, зато у аксона обычно есть много ответвлений и он может передавать информацию через эти ответвления целой тысячи других нейронов.
Хотя дендриты некоторых нейронов получают информацию от аксонов других нейронов, физически они не контактируют друг с другом. Между ними есть очень маленький промежуток, называемый синапсом. Нейроны могут «общаться» между собой, посылая через синапс химические вещества, называемые нейромедиаторами. Эти нейромедиаторы либо побуждают получающий их нейрон посылать сигнал, либо запрещают ему это делать.
Нейромедиатор, выделившийся из пресинаптической мембраны аксона, связывается с рецепторами на дендритах постсинаптического нейрона. Мозг использует разнообразные нейромедиаторы, каждый из которых связывается со своим особым рецептором.
С рецепторами на дендритах соединены каналы в полупроницаемой постсинаптической мембране, которые контролируют движение ионов через мембрану. В покое нейрон обладает электрическим потенциалом в 70 милливольт (потенциал покоя), при этом внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к наружной. Хотя существуют различные медиаторы, все они оказывают на постсинаптический нейрон либо возбуждающее, либо тормозное действие. Возбуждающее влияние реализуется через усиление потока определенных ионов, главным образом натрия и калия, через мембрану. В результате отрицательный заряд внутренней поверхности уменьшается — происходит деполяризация. Тормозное влияние осуществляется в основном через изменение потока калия и хлоридов, в результате отрицательный заряд внутренней поверхности становится больше, чем в покое, и происходит гиперполяризация.
Функция нейрона состоит в интеграции всех воздействий, воспринимаемых через синапсы на его теле и дендритах. Поскольку эти влияния могут быть возбуждающими или тормозными и не совпадать по времени, нейрон должен исчислять общий эффект синаптической активности как функцию времени. Если возбуждающее действие преобладает над тормозным и деполяризация мембраны превышает пороговую величину, происходит активация определенной части мембраны нейрона — в области основания его аксона (аксонного бугорка). Здесь в результате открытия каналов для ионов натрия и калия возникает потенциал действия.
Этот потенциал распространяется далее по аксону к его окончанию со скоростью от 0,1 м/с до 100 м/с. Когда потенциал действия достигает окончания аксона, активируется еще один тип ионных каналов, зависящий от разности потенциалов, — кальциевые каналы. По ним кальций входит внутрь аксона, что приводит к мобилизации пузырьков с нейромедиатором, которые приближаются к пресинаптической мембране, сливаются с ней и высвобождают нейромедиатор в синапс.
Миелин и глиальные клетки. Многие аксоны покрыты миелиновой оболочкой, которая образована многократно закрученной мембраной глиальных клеток. Миелин состоит преимущественно из липидов, что и придает характерный вид белому веществу головного и спинного мозга. Благодаря миелиновой оболочке скорость проведения потенциала действия по аксону увеличивается, так как ионы могут перемещаться через мембрану аксона лишь в местах, не покрытых миелином, — т.н. перехватах Ранвье. Между перехватами импульсы проводятся по миелиновой оболочке как по электрическому кабелю. Поскольку открытие канала и прохождение по нему ионов занимает какое-то время, устранение постоянного открывания каналов и ограничение их сферы действия небольшими зонами мембраны, не покрытыми миелином, ускоряет проведение импульсов по аксону примерно в 10 раз.
Только часть глиальных клеток участвует в формировании миелиновой оболочки нервов (шванновские клетки) или нервных трактов (олигодендроциты). Гораздо более многочисленные глиальные клетки (астроциты, микроглиоциты) выполняют иные функции: образуют несущий каркас нервной ткани, обеспечивают ее метаболические потребности и восстановление после травм и инфекций.
Электричество в мозгах
С помощью электродов, размещенных на поверхности головы или введенных в вещество мозга, можно зафиксировать электрическую активность мозга, обусловленную разрядами его клеток. Запись электрической активности мозга с помощью электродов на поверхности головы называется электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Она не позволяет записать разряд отдельного нейрона. Только в результате синхронизированной активности тысяч или миллионов нейронов появляются заметные колебания (волны) на записываемой кривой.
При постоянной регистрации на ЭЭГ выявляются циклические изменения, отражающие общий уровень активности индивида. В состоянии активного бодрствования ЭЭГ фиксирует низкоамплитудные неритмичные бета-волны. В состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами преобладают альфа-волны частотой
Если регистрировать электрическую активность мозга во время действия определенного стимула (зрительного, слухового или тактильного), то можно выявить т.н. вызванные потенциалы — синхронные разряды определенной группы нейронов, возникающие в ответ на специфический внешний стимул. Исследование вызванных потенциалов позволило уточнить локализацию мозговых функций, в частности связать функцию речи с определенными зонами височной и лобной долей. Это исследование помогает также оценить состояние сенсорных систем у больных с нарушением чувствительности.
Нейрохимия
К числу самых важных нейромедиаторов мозга относятся ацетилхолин, норадреналин, серотонин, дофамин, глутамат, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), эндорфины и энкефалины. Помимо этих хорошо известных веществ, в мозге, вероятно, функционирует большое количество других, пока не изученных. Некоторые нейромедиаторы действуют только в определенных областях мозга. Так, эндорфины и энкефалины обнаружены лишь в путях, проводящих болевые импульсы. Другие медиаторы, такие, как глутамат или ГАМК, более широко распространены.
Действие нейромедиаторов. Как уже отмечалось, нейромедиаторы, воздействуя на постсинаптическую мембрану, изменяют ее проводимость для ионов. Часто это происходит через активацию в постсинаптическом нейроне системы второго «посредника», например циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Действие нейромедиаторов может видоизменяться под влиянием другого класса нейрохимических веществ — пептидных нейромодуляторов. Высвобождаемые пресинаптической мембраной одновременно с медиатором, они обладают способностью усиливать или иным образом изменять эффект медиаторов на постсинаптическую мембрану.
Важное значение имеет недавно открытая эндорфин-энкефалиновая система. Энкефалины и эндорфины — небольшие пептиды, которые тормозят проведение болевых импульсов, связываясь с рецепторами в ЦНС, в том числе в высших зонах коры. Это семейство нейромедиаторов подавляет субъективное восприятие боли.
Психоактивные средства — вещества, способные специфически связываться с определенными рецепторами в мозгу и вызывать изменение поведения. Выявлено несколько механизмов их действия. Одни влияют на синтез нейромедиаторов, другие — на их накопление и высвобождение из синаптических пузырьков (например, амфетамин вызывает быстрое высвобождение норадреналина). Третий механизм состоит в связывании с рецепторами и имитации действия естественного нейромедиатора, например эффект ЛСД (диэтиламида лизергиновой кислоты) объясняют его способностью связываться с серотониновыми рецепторами. Четвертый тип действия препаратов — блокада рецепторов, т.е. антагонизм с нейромедиаторами. Такие широко используемые антипсихотические средства, как фенотиазины (например, хлорпромазин, или аминазин), блокируют дофаминовые рецепторы и тем самым снижают эффект дофамина на постсинаптические нейроны. Наконец, последний из распространенных механизмов действия — торможение инактивации нейромедиаторов (многие пестициды препятствуют инактивации ацетилхолина).
Давно известно, что морфин (очищенный продукт опийного мака) обладает не только выраженным обезболивающим (анальгетическим) действием, но и свойством вызывать эйфорию. Именно поэтому его и используют как наркотик. Действие морфина связано с его способностью связываться с рецепторами эндорфин-энкефалиновой системы человека. Это лишь один из многих примеров того, что химическое вещество иного биологического происхождения способно влиять на работу мозга животных и человека, взаимодействуя со специфическими нейромедиаторными системами. Другой хорошо известный пример — кураре, получаемое из тропического растения и способное блокировать ацетилхолиновые рецепторы. Индейцы Южной Америки смазывали кураре наконечники стрел, используя его парализующее действие, связанное с блокадой нервно-мышечной передачи.
Бонус: работа мозга на примере
Рассмотрим простой пример. Что происходит, когда мы берем в руку фломастер, лежащий на столе? Свет, отраженный от фломастера, фокусируется в глазу хрусталиком и направляется на сетчатку, где возникает изображение фломастера; оно воспринимается соответствующими клетками, от которых сигнал идет в основные чувствительные передающие ядра головного мозга, расположенные в таламусе (зрительном бугре), преимущественно в той его части, которую называют латеральным коленчатым телом. Там активируются многочисленные нейроны, которые реагируют на распределение света и темноты. Аксоны нейронов латерального коленчатого тела идут к первичной зрительной коре, расположенной в затылочной доле больших полушарий. Импульсы, пришедшие из таламуса в эту часть коры, преобразуются в ней в сложную последовательность разрядов корковых нейронов, одни из которых реагируют на границу между фломастером и столом, другие — на углы в изображении фломастера и т.д. Из первичной зрительной коры информация по аксонам поступает в ассоциативную зрительную кору, где происходит распознавание образов. Распознавание в этой части коры основано на предварительно накопленных знаниях о внешних очертаниях предметов.
Планирование движения (т.е. взятия фломастера) происходит, вероятно, в коре лобных долей больших полушарий. В этой же области коры расположены двигательные нейроны, которые отдают команды мышцам руки и пальцев. Приближение руки к фломастеру контролируется зрительной системой и интерорецепторами, воспринимающими положение мышц и суставов, информация от которых поступает в ЦНС. Когда мы берем фломастер в руку, рецепторы в кончиках пальцев, воспринимающие давление, сообщают, хорошо ли пальцы обхватили предмет и каким должно быть усилие, чтобы его удержать. Если мы захотим нарисовать фломастером смайлик =), потребуется активация другой хранящейся в мозге информации, обеспечивающей это более сложное движение, а зрительный контроль будет способствовать повышению его точности.
На приведенном примере видно, что выполнение довольно простого действия вовлекает обширные области мозга, простирающиеся от коры до подкорковых отделов. При более сложных формах поведения, связанных с речью или мышлением, активируются другие нейронные цепи, охватывающие еще более обширные области мозга.