Центральная догма нейробиологии

Основным объектом нейробиологии человека является нервная система, состоящая из двух больших частей:

• центральной нервной системы (ЦНС), включающей и управляющий ею головной мозг;

• периферической нервной системы, состоящей из периферических нервов, а также двух других подсистем — вегетативной нервной системы (делится на симпатический и парасимпатический отделы) и диффузной (соматической) нервной системы.
  Работает принцип передачи сигнала (возбуждение/торможение), а также структурный иерархический принцип (стимул - реакция).

Удивительные факты заставляют думать, что роль мозга в жизни человека весьма преувеличена

Люди рождаются иногда без мозга (живут правда недолго), иногда утрачивают целые полушария или даже более того, но это практически мало проявляется. Для окружающих они выглядят как самые обыкновенные люди, а сами они порой даже не подозревают о своей исключительности. Только случай после медицинского освидетельствования помогает раскрыть особенности таких людей.

С другой стороны, эти случаи мало изучены и не позволяют делать какие-то серьезные выводы относительно полезного использования возможностей головного мозга для людей.

Строение мозга

Человеческий головной мозг — командный центр нервной системы, образован из клеток – нейронов. Нейроны мозга способны формировать новые связи и адаптироваться под воздействием окружающей среды — это называется нейропластичностью. Головной мозг
представляется практически двумя почти симметричными полушариями, получает сигналы от органов чувств и передает информацию в мышцы, а в определенных областях левого или правого полушария, в зависимости от деятельности, формирует новые нейронные связи, другими словами — обучается. Разные полушария нашего мозга отвечают за разные задачи.

Например, правое полушарие контролирует левую часть  поля зрения, а левое – правую. Когда мы смотрим прямо перед собой изображения обоих полушарий сливаются в одну общую картинку. Но хрусталик-линза на сетчатку передает опрокинутое изображение, а мозг изображение восстанавливает. Мозг подвержен заболеваниям, которые приводят порой к гибели части клеток иногда вплоть до целого полушария, которое удаляется.

Характеристики мозга

Объем мозга в пределах 1250 – 1600 кубических сантиметров (спинной мозг в 50 раз меньше), а вес 1,4-1,5 кг. Мозг покрыты тремя оболочками: М-мягкой (сосудистой), прилегающей к веществу мозга, в которой разветвляются сосуды; П-паутинной, не имеющей сосудов и не заходящей в борозды и Т-твердой, прилегающей к кости черепа, в ней наивысшая концентрация болевых рецепторов, которые в самом мозге отсутствуют.

Поверхность коры за счет борозд и извилин увеличивается и равна ~ 220 тысячам квадратных мм. Между оболочками М и П - спинномозговая жидкость (цистерны); между П и Т – серозная жидкость. Сигналы от разных органов чувств поступают в мозг с разной скоростью, чтобы потом мозг создал из них единую картину. Нервные импульсы перемещаются по расположенным в мозге нейронам со скоростью около 440 километров в час. Мозг состоит из около 86 миллиардов нейронов, которые обрабатывают информацию и передают сигналы. Мозг вырабатывает в течение дня около 70 000 мыслей.
Иногда  наши мысли словно растворяются и исчезают. Этот феномен известен как «отключение сознания».  Отключение сознания представляет собой уникальное состояние, которое мало исследовано на уровне нейронной активности.

Мозг не может существовать ни без кислорода, ни без глюкозы. Головной мозг потребляет для питания 50 % глюкозы, вырабатываемой печенью и поступающей в кровь. В нашем мозге находится около 86-100 млрд нейронов. Нейронов в коре ~15 млрд и у каждого от 7 до 10 тыс. связей с соседними клетками. Нейроны в мозге человека питаются благодаря глиальным клеткам, которых у нас примерно по триллиону на каждого. Клетки мозга не делятся, и погибшие не восстанавливаются. Осложнения даже после простого гриппа могут быть губительными.

Пациент заметил, что у него онемел мизинец на руке. Он думал - мелочь. Но оказалось, что это начало серьезной болезни - рассеянного склероза. Исчезает миелин - изоляция вокруг нерва. Нерв, теряя изоляцию, выходит из строя, сигналы через него перестают проходить. Организм перестает подчиняться сигналам мозга, становится неподвижным и медленно умирает. От этого заболевания умер Николай Островский, свою книгу "Как закалялась сталь" он сумел лишь продиктовать.

Мозг человека имеет долговременную и кратковременную память, причём в последней информация удерживается обычно менее, чем полминуты. Поэтому так легко забыть, о чём вы думали пар минут тому назад. Общий объём памяти, которую способен вместить человеческий мозг, равен примерно 1000 терабайтам.

В среднем человек использует свой мозг на 90% процентов или чуть больше. Хотя есть расхожий миф, утверждающий про 5-10%, но это всего лишь миф.
В мозге выделяют три блока:

1-й блок регуляции активности мозга,
2-й блок приема, переработки и хранения информации, осуществляющий прием приходящей информации и
3-й блок программирования, регуляции и контроля деятельности, формирующий исходящие двигательные импульсы. В проекционных областях мозга заканчиваются нервные связи, идущие от рецепторов разных органов чувств (анализаторных систем), и берут начало моторные проводящие пути.

Различают пять отделов головного мозга:

1. продолговатый мозг,

2. задний, включающий в себя мост и мозжечок, эпифиз,

3. средний,

4. промежуточный и

5. передний мозг, представленный большими полушариями.

Функции мозга

Благодаря технологическим достижениям в нейровизуализации, медицине, биологии, психологии и нейронауках в целом человек смог разгадать важнейшие тайны анатомии мозга и его функций. 

Основные функции мозга:

• Контроль жизненных функций: контроль температуры тела, артериального давления, частота сердечных сокращений, дыхание, сон, питание...

• Приём, обработка, интеграция и интерпретация всей полученной от органов чувств информации: зрение, слух, вкус, осязание и обоняние.

• Контроль движений и поз тела: ходьба, бег, речь, стояние на месте.

• Отвечает за наши эмоции и поведение.

• Позволяет нам думать, рассуждать, чувствовать, быть...

• Контролирует высшие когнитивные функции: память, обучаемость, восприятие, воображение, исполнительные функции…

Левое полушарие перерабатывает информацию логически и последовательно. В высокой степени связанное с языком и интеллектом, оно отвечает за анализ и принятие решений. Левая сторона мозга точно знает название вещей. Она хорошо работает при планировании путешествий, разгадывании того, как работает часовой механизм, при счёте денег и расчёте времени, необходимого, чтобы пробежать километр. Левое полушарие склонно к соревнованию.

Правое полушарие, напротив, склонно к сотрудничеству. Оно обрабатывает информацию пространственно, целостно и зрительно. Это значит, что оно видит предмет с нескольких сторон одновременно, думает о целом и устанавливает связи – физические, эмоциональные, интуитивные.

Правое полушарие предпочитает воображать, рисовать, вести машину по шоссе, расставлять мебель в комнате и чувствовать эмоциональный накал. Современный человек привык смотреть на вещи почти полностью при помощи левого полушария, то есть логически. Мы хвалим наших детей, когда они называют вещи, оцениваем школьников при помощи стандартизированных тестов, сравниваем, анализируем и судим обо всём, в том числе и о себе.

Функционирование мозга описывается в общих чертах как «стимул – реакция», которые передаются рефлекторными дугами. Если какой-либо процесс в мозге происходит медленно, может быть, в течение нескольких десятилетий, то разные участки мозга берут на себя функции областей, где возникла патология.

Пластичность мозга (нейропластичность)

В Калифорнийском технологическом институте провели магнитно-резонансную томографию (сделаны снимки) шестерым пациентам, которым в детстве было удалено полушарие мозга или крупная его часть из-за редкой и страшной формы эпилепсии

Эта процедура называется гемисферэктомией. Сравнение со снимками контрольной группы (6 участников) и с базой данных из 1482 изображений показало, что паттерн активности мозга в состоянии покоя у участников с половиной мозга удивительно похож на наблюдаемый у людей, имеющих весь объем мозгового вещества.

 Выявлено и отличие: у пациентов было найдено гораздо больше связей между различными 
мозговыми сетями, которые управляют такими вещами, как внимание, сенсорная и лимбическая (эмоции и память) деятельность, и часто вовлекают оба полушария головного мозга, а  внутрисетевая активность связана со способностями, такими как моторная деятельность, тогда как соединения между сетями необходимы для разных исполнительных способностей, например рабочей памяти. 

Например, сеть внимания показала больше подключений к визуальной сети, чем обычно. Это увеличение связей между сетями отражает то, как оставшаяся часть мозга компенсирует потерю его «вычислительных» ресурсов, чтобы поддерживать когнитивные функции и сознание.

Комментировала исследование Дорит Климанн, один из его авторов, нейрофизиолог из Массачусетского технологического института (США).

Очень удивительно, что с одной стороны, есть люди, которые спокойно живут с половиной мозга, тогда как иногда даже самые небольшие повреждения, которые связаны с инсультами или падениями, приводят к катастрофическим последствиям. Раскрытие принципов того, как мозг перестраивает себя, откроет пути для спасения и этих пациентов.

Удаление половины мозга в раннем детстве крайне редко приводит к развитию проблем с остротой ума, памяти, психикой и другими личными качествами бывшего эпилептика. То есть их нервная система полностью перестраивается после операции, однако то, как именно это происходит, исследователи не знали.

У этих 6 пациентов американские нейрофизиологи провели первые детальные замеры такого рода, чье полушарие удалили в первые месяцы или годы их жизни. Поместив их в магнитно-резонансный томограф, ученые проследили за тем, как менялся рисунок активности в четырех сотнях участков их коры и глубинных слоев мозга, отслеживая изменения в концентрации кислорода в сосудах головы.

Наблюдая за одновременным включением нервных клеток в разных регионах мозга, Климанн и ее коллеги составили карту подобных связей и выяснили, насколько сильно эти области были связаны между собой. Изначально ожидалось, что эти связи будут ослаблены, так как многие из них соединяют области в разных полушариях мозга. В реальности все было наоборот - среднестатистическая сила связей между разными частями мозга их шести подопечных была заметно выше, чем у представителей контрольной группы с двумя полушариями.

Результаты исследования показали, что у людей с одним полушарием мозга специальные сети в мозге, отвечающие за речь, зрение и другие функции, работали так же, как и у здоровых пациентов. В результате сканирования мозга 29-летней женщины было выяснено, что пациентке не хватает некоторых структур в мозге, которые нужны для восприятия запаха.

Однако, эта женщина обладала поистине фантастическим обонянием. Ученые до сих пор не выяснили причину такого феномена, но это в очередной раз доказывает способность мозга замещать недостающие элементы. Установить связь между отсутствием половины мозга и IQ нейробиологи пока не смогли из-за маленькой выборки участников эксперимента.

Американка Стефани Кин более известная как Бэби Кей — маленькая девочка, которая родилась без мозга. В черепной коробке ребенка находился развитый ствол головного мозга, необходимый для дыхания, сердечного цикла и кровяного давления. Сразу после рождения ребенка подключили к аппарату искусственного вентилирования легких — иначе малышке было не выжить.

Мать  отказалась, ссылаясь на религиозные принципы вначале от аборта, и не дала согласия на прекращение поддержания жизни, предложенный врачами. Ребенок прожил около 2-х лет в больнице и там же скончался. Всего на поддержание жизни ребенка было потрачено около 500 тысяч долларов.

Еще один случай, американец по имени Карлос Родригес после несчастного случая живет практически без мозга. У него удалено больше 60% головного мозга, однако это не отразилось на его памяти и когнитивных способностях. Ему уже больше 35 лет
Уже к 14 годам на счету Карлоса Родригерса было несколько мелких или не очень нарушений закона. Угон автомобиля для него завершился аварией, которая сделала его человеком без мозга. Хирурги пытались спасти Родригеса 16 часов.

В итоге лобные доли мозга и часть черепной коробки пациента все-таки пришлось удалить, однако его сердце продолжало биться. Авария не стала уроком для Карлоса, который продолжил вести преступный образ жизни, употреблять наркотики и заводить бесчисленные половые связи. Удивительно, но у парня с весьма необычным внешним видом без мозга были целые толпы поклонниц. 

Девочке (Мора Лееб) удалили левое полушарие мозга, когда ей было всего девять месяцев. 16-летняя Мора Лееб из Нью-Джерси (США), живущая только с одним полушарием мозга, научилась говорить, играть в теннис и выполнять все повседневные задачи. Мора научилась ходить и говорить, хотя обычно за эти навыки отвечает отсутствующее у нее левое полушарие. Сейчас девушка ведет полноценную и активную жизнь — играет в игры, занимается спортом, учится в школе и читает книги. Но не все удалось достичь простым путем.

Девочка научилась ходить в два года, а разговаривать предложениями стала только в шесть лет. По словам матери Энн Лееб, чтобы заставить мозг выполнять новые для него задачи, надо было проявить настойчивость. Например, для улучшения моторики правой руки левую руку полностью лишали подвижности, накладывая на нее гипс.

В 11 лет, у Моры возобновились приступы и была сделана еще одна операция. Опасались, что Мора утратит часть навыков, однако она быстро восстановилась. Сейчас девушка участвует в исследованиях, чтобы помочь ученым лучше понять работу мозга. она продолжает учиться и работать над совершенствованием своих речевых и двигательных навыков.

Еще пример, в возрасте 7 лет Кристине Сантхаус поставили очень редкий диагноз - энцефалит Расмуссена. В результате девочке пришлось провести сложную операцию по удалению половины мозга, после чего она потеряла большую часть двигательных навыков левой стороны тела, но сегодня Кристина может ходить и живет практически полноценно. 

Можно было подумать, что после потери половины мозга человек не сможет выжить, но это совсем не так.  Наш мозг может адаптироваться к потере целого полушария. Все сводится к тому, что естественные системы полагаются на избыточность, чтобы увеличить шансы на выживание. Другими словами, у природы в рукаве есть важный козырь — это запас прочности.

На первый взгляд жизнь Кристины Сантхаус кажется совершенно обычной — она имеет степень магистра в области патологии речи, у нее есть собственный дом и семья. Но в то же время она сильно отличается от других людей — Кристина живет лишь с половиной мозга.

Восстановление (оживление) мозга

В журнале Nature вышла статья, описывающая успехи, которых добились йельские нейробиологи при помощи созданной ими системы жизнеобеспечения для мозга BrainEx. В Йельском университете разработана система BrainEx для исследования мозга. Наука задается вопросом о том, может ли система йельских ученых «поддерживать жизнь» в мозге, извлеченном из тела, или, скорее, «сохранить физиологию» этого органа, подобно тому, как медицина сегодня хранит почки, печень и другие фрагменты человеческого тела.

«Важно отличать восстановление нейрофизиологической активности от восстановления интегрированных функций мозга (то есть нейрологического восстановления), — пишут авторы в заключительной части своей статьи. — Восстановление молекулярных и клеточных процессов через 4 часа после глобальной аноксии или ишемии не следует экстраполировать до возобновления нормального функционирования мозга».

И в очередной раз подчеркивают, что никаких сигналов, напоминавших бы высшую нервную деятельность (альфа- или бета-волны), в мозге экспериментальной группы они не зарегистрировали. Хотя и отмечают в дополнительной статье, что подобное при дальнейшем развитии их технологии «в принципе возможно».

Как отмечают ученые, написавшие для этого же номера Nature комментарий к работе Сестана, отсутствие сигналов на ЭЭГ может быть следствием дизайна эксперимента: в состав BEx-кровезаменителя входят вещества, подавляющие нервную активность.

 Взаимодействие мозга с компьютером

О системах взаимодействия мозга человека с компьютером и более естественным каналам связи для пациентов, страдающих от паралича написано и известно достаточно много.
Группа Ненанда Сестана заключает, что их технология успешно удерживает «умерший» мозг в состоянии, которое дает надежду на восстановление людей и приматов, перенесших глобальную ишемию головного мозга. Исследователи признают, что с развитием их технологии возможность восстановления электрической способности мозга «в принципе возможна». Созданный «мозг-в-бочке» способен к поддержанию жизни в отделенном от тела мозге в течение 36 часов. (Почти голова профессора Доуэля).

Секрет BrainEx делится на два: секретную конструкцию аппарата циркуляции перфузата (искусственной крови) и собственно тайну рецепта этой самой искусственной крови. BEx-перфузат — это неспособный сворачиваться физраствор с добавлением аналога гемоглобина и целого ряда фармакологических соединений (антиапоптические и антинекротические агенты, контраст и так далее). Первые два часа «второй жизни» его постепенно разогревают с 25 до 37 градусов Цельсия, прокачивая через мозг перфузат с помощью аппарата — сети насосов, фильтров, ультразвуковых передатчиков и инструментов по контролю над температурой и составом искусственной крови.

Сохранялась анатомическая целостность мозга, которую проверяли при помощи МРТ-сканирования: размер желудочков, контраст серого и белого вещества и очертания регионов оставались неизменными, даже если их сравнивали со снимками живого мозга Аппарат восстанавливал  микроциркуляцию в извлеченном из черепной коробки мозге, сосуды в нем исправно сокращались, а орган исправно реагировал на вводимые в него лекарства. Так, если вводили сосудосуживающее, сосуды послушно сужались.

Что касается клеточной структуры, то гиппокамп, неокортекс и мозжечок, где симптомы аноксии (недостатка кислорода) и ишемии (нарушения кровообращения) особенно заметны, в BEx-мозге были ближе к состоянию четвертой экспериментальной группы (извлеченный из черепа мозг через час после декапитации свиньи). Хотя в том, что касается структуры самих клеток, BEx-мозг сохранился лучше «часового» — например, меньше пострадали митохондрии и миелиновые оболочки аксонов.

Ученые из Колумбийского университета (США) считали сигналы мозговой активности человека, слушающего чтецов, а затем с помощью нейросети и вокодера перевели их в речь. Мозг рассказал о том, что он слышит. В этом ему помогла нейросеть, которая распознавала активность слуховой коры мозга и синтезировала речь на основе звуковых сигналов.

Авторы статьи отмечают, что снимали данные не с речевой, а со слуховой коры, то есть озвучивали не то, что хотел сказать, а то, что слышал пациент. Тем не менее, как пишут они в заключении, подход делает шаг к следующему усовершенствованию поколения систем. 

Восстановление сознания

При вегетативном состоянии ментальная активность невозможна из-за выключения коры больших полушарий. Издание New Scientist сообщает, что хирурги из Национального центра научных исследований Франции частично вернули сознание 35-летнему мужчине, который 15 лет провел в вегетативном состоянии. Пациенту, у которого были «мертвыми» полушария головного мозга, сделали электрическую стимуляцию блуждающего нерва.

Блуждающий нерв соединяет мозг с органами головы, шеи, грудной и брюшной полостью. Он контролирует мышцы сердца, желудочно-кишечного тракта и легких, а также прямо или косвенно связан с такими центрами головного мозга, как таламус (отвечает за передачу сигналов от органов чувств к коре), миндалевидное тело (обеспечивает формирование эмоций) и гиппокамп (участвует в консолидации памяти).

Специалисты соединили блуждающий нерв с электродами на уровне шеи. Через месяц после имплантации врачи начали стимуляцию электрическим током силой 0,25 миллиампера и частотой 30 герц. Каждое воздействие продолжалось 30 секунд, интервал между ними составлял пять минут. В течение каждой недели силу тока увеличивали до 1,5 миллиампер. Эксперимент длился в течение шести месяцев. Состояние мозга пациента отслеживалось с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Сообщается, что больной стал чаще открывать глаза, следить взглядом за людьми в комнате и начал реагировать на просьбы повернуть голову. Он также пытался улыбнуться. Помимо этого, результаты сканирования мозга показали изменение в активности, показывающее переход от вегетативного в состояние минимального сознания.

Классическим считается случай, произошедший в США. В 1935 году в больнице Святого Винсента в Нью-Йорке родился ребенок, который прожил всего 27 дней. Все это время он развивался как нормальный младенец, прибавлял в весе, а при вскрытии оказалось, что у него вообще не было мозга.

Ученые из Франции выявили необычный феномен: 50-летний француз Матье, работающий обычным государственным служащим, не имеет головного мозга, который ввиду заполнения черепной коробки спинно-мозговой жидкостью перестал формироваться еще в детстве.

Как сообщает АЗЕРТАДЖ со ссылкой на newsland.com, мужчину еще в детстве лечили от гидроцефалии (когда в головном мозге скапливается лишняя жидкость). Лечение прошло успешно, однако в возрасте 44-х лет француз обратился к врачам с жалобой на боли в ноге, которые ему постоянно докучали.

В самой конечности ничего найти не смогли, поэтому врач назначил комплексное исследование пациента, включая область головного мозга. Когда провели МРТ, то врачи были крайне удивлены тем, что серое вещество у француза практически отсутствует в черепной коробке, однако это никоим образом не сказывается на самом мужчине.

Матье женат, имеет двоих детей, у которых абсолютно отсутствуют патологии в мозге. Следовательно, данный необычный случай не относится к генетической мутации. Вот уже несколько лет врачи так и не могут объяснить феномен, когда даже при таком маленьком мозге человек в состоянии жить активной гражданской, общественной и семейной жизнью.

Да, IQ французского мужчины не совсем на высоте (75 при норме от 85 до 114), но это абсолютно не сказывается на его повседневной жизни.

В 1978 году в подмосковном городе Протвино произошел просто фантастический случай. В ускорителе протонов случились какие-то неполадки. Молодой физик Анатолий Бугорский решил их устранить. Однако по какой-то причине не сработала блокировка аппаратуры, и голову физика «прошил» пучок протонов мощностью в 70 млн электрон-вольт. Доза облучения, которую принял на себя исследователь, оценивается в 200 тыс. рентген!

У человека просто обязан был быть выжжен мозг, и он, по всем врачебным канонам, должен был погибнуть. Однако Анатолий Бугорский живет, работает и даже катается на велосипеде и играет в футбол. После этого кошмарного случая у него на голове остались два отверстия: одно на затылке, другое — около носа. Впервые об уникальном случае рассказала в свое время программа «Очевидное — невероятное».

Заключение

Проблема поражения головного мозга или его отдельных частей и уменьшения его количества в черепе операционным путем очень слабо изучена. Малая оставшаяся часть компенсирует функции полного мозга без поражений.

Факт, что сознание существует независимо от мозга, подтверждают к примеру, исследования, проведенные голландскими физиологами под руководством Пима ван Ломмеля. Результаты широкомасштабного эксперимента были опубликованы в авторитетнейшем биологическом английском журнале «The Lancet». «Сознание существует даже после того, как мозг перестал функционировать.

Иными словами, сознание «живет» само по себе, абсолютно самостоятельно. Что же касается головного мозга, то это вовсе не мыслящая материя, а орган, как и любой другой, выполняющий строго определенные функции. Очень может быть, мыслящей материи, даже в принципе, не существует», - заявляет руководитель исследования Пим ван Ломмель.

Литература

1. Vrselja, Z. et al. Nature 568, 336–343 (2019).
2. Farahany, N. A. et al. Nature 556, 429–432 (2018).
3. Koch, C., Massimini, M., Boly, M. & Tononi, G. Nature Rev. Neurosci. 17, 307–321 (2016).
4. Mashour, G. A. & Hudetz, A. G. Trends Neurosci. 41, 150–160 (2018).
5. Karnatovskaia, L. V., Wartenberg, K. E. & Freeman, W. D. Neurohospitalist 4, 153–163(2014)
6. Ogden,, B. E., Pang, W., Agui, T. & Lee, B. H. ILAR J. 57, 301–311 (2016)
7. Brown, E. N., Lydic, R. & Schiff, N. D. N. Engl. J. Med. 363, 2638–2650 (2010).
8. Casali, A. G. et al. Sci. Transl. Med. 5, 198ra105 (2013).
9. Demertzi, A. et al. Sci. Adv. 5, eaat7603 (2019).
10. Nuffield Council on Bioethics. The Ethics of Research Involving Animals (Nuffield Council on Bioethics, 2005).
11. Huth, A. G. et al. Front. Syst. Neurosci. 10, 81 (2016).
12. Horikawa, T., Tamaki, M., Miyawaki, Y. & Kamitani, Y. Science 340, 639–642
13. Azoulay, A. ‘Towards an Ethics of Artificial Intelligence.’ UN Chronicle (December 2018).
14. Shemie, S. D. et al. Intensive Care Med. 40, 788–797 (2014).
15. Greely, H. T. et al. J. Neurosci. 38, 10586–10588 (2018).