Глава 2
Что у нас «под капотом»?
ВОПРОС:
Откуда части мозга получили свои странные названия?
ОТВЕТ:
Научную терминологию подчас очень трудно понять. Наука изобилует необычными и непривычными словами и фразами, и наука о мозге здесь не исключение. Миндалина, гиппокамп, мозолистое тело – почему эти структуры мозга так называются, и что обозначают эти названия?
Не кажется ли вам, что некоторые из этих названий звучат так, как латинские и греческие слова? Правильно, они и на самом деле взяты из этих языков! Терминология нейробиологии, по большей части, пользуется греческими и латинскими корнями. Некоторые названия были введены в обиход древнегреческими философами, врачами и учеными – Гиппократом, Аристотелем, Герофилом и Галеном. Некоторые термины вошли в медицинский и научный лексикон сравнительно недавно вместе с новыми открытиями, когда открытые структуры и феномены называли по именам их первооткрывателей. Некоторые термины являются гибридными, так как состоят как из греческих, так и из латинских корней. Например, neuroscience – от греческого слова neuron (нерв) и латинского слова scientia (наука). Не все нейробиологические термины расшифровываются так просто, но каждый термин составлен в попытке описать местоположение органа или идею, которая лежит в основе того или иного явления.
Некоторые термины являются придуманными, но в большинстве случаев в их создании прослеживается определенная логика. Роберт Фортьюин составил руководство, позволяющее понять принцип создания медицинских терминов. Этим же принципом можно воспользоваться для понимания терминов, используемых в нейробиологии.
МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ
Структура названа по своему местоположению, или, как выражаются врачи, по локализации. Например, язычный нерв расположен в языке. Гормон адреналин вырабатывается в надпочечниках, которые по-латыни называются glandulae adrenales (ad renum на латинском языке означает «возле почки»).
ФУНКЦИЯ
Структура названа по тому, что она делает. Отводящий нерв, например, назван так, потому что мышца, которую он иннервирует, отводит глаз в сторону в горизонтальной плоскости.
СХОДСТВО
Структура названа по предмету, который она напоминает. Это самый распространенный способ наименования нейроанатомических структур – паутинная оболочка, гиппокамп (от греческого слова, обозначающего «морской конек»), миндалина, шишковидная железа и конский хвост.
ХАРАКТЕРИСТИКА
Структура названа в связи с ее формой, размером, консистенцией, числом или цветом. Меланин (от греческого слова «мелане», означающего «черный»), чечевицеобразное ядро, голубое ядро – все это нейробиологические термины, обозначающие структуры по их характерным чертам.
ЭПОНИМ
Болезни, инструменты или структуры часто называют именами людей, которые открыли или изобрели их. Болезнь Паркинсона названа, например, по имени Джеймса Паркинсона (1755–1824), английского врача, который описал дегенеративную болезнь в книге, озаглавленной «Эссе о дрожательном параличе», и опубликованной в 1817 году. Другая дегенеративная болезнь, болезнь Альцгеймера, была названа в честь Алоиса Альцгеймера (1864–1915), который описал это заболевание в 1906 году. Клетки Беца, находящиеся в коре головного мозга, названы по имени Владимира Алексеевича Беца (1834–1894). Расположенные в мозжечке клетки Пуркинье были названы в честь их первооткрывателя Яна Пуркинье (1787–1869). Многие хирургические инструменты, такие как элеватор Пенфилда (Уайлдер Пенфилд, 1891–1976) и щипцы Денди (Уолтер Денди, 1886–1946) были названы по имени их изобретателей.
В Приложении 1 приведен список греческих и латинских корней, от которых произведены многие термины нейробиологии, а в Приложении 2 перечислены эпонимы, встречающиеся в этой науке.
Библиография
Dugue-Parra, J.E., Llano-Idárraga, J.O., and Dugue-Parra, C.A., Reflections on eponyms in neuroscience terminology, Anatomical Record Part B: The New Anatomist, 289B:219-24, 2006.
Fortuine, R., The Words of Medicine. Sources, Meanings, and Delights (Springfield: Charles C. Thomas Publisher, 2001).
Koehler, P.J., Bruine, G.W. and Pearce, J.M.S., Neurological Eponyms, (New York: Oxford University Press, 2000).
ВОПРОС:
У всех ли животных есть головной мозг и нервная система?
ОТВЕТ:
Практически у всех животных в том или ином виде есть нервная система, но у большинства видов отсутствует спинной мозг. Животные, не имеющие спинного мозга, называются беспозвоночными. К беспозвоночным животным относят насекомых, пауков, червей, моллюсков, морских звезд и медуз. 80 процентов всей биомассы Земли, более 95 процентов всех биологических видов и 99 процентов всего биологического разнообразия земной жизни представляют беспозвоночные. Нравится это вам или нет, но люди по этой классификации принадлежат к меньшинству.
Вместо спинного мозга у некоторых беспозвоночных, таких как медуза, гидра и актинии, существует нервная сеть, пронизывающая весь их организм. Другие беспозвоночные, такие как кузнечики и ракообразные, располагают нервным тяжом, который тянется вдоль тела под его нижней поверхностью. Этот нервный тяж может быть связан с центральным скоплением нейронов (мозгом) в голове некоторых беспозвоночных, но у многих их видов (например, у медуз) мозг отсутствует.
Губки являют собой пример одного из немногих многоклеточных животных, у которых нервная система вообще отсутствует. У губок нет ни головного мозга, ни спинного. У них нет даже нейронов. Губкам нервная система не нужна, потому что само ее строение позволяет извлекать из протекающей сквозь нее воды кислород и питательные вещества и выделять в нее отходы жизнедеятельности. Губке не надо практически ничего делать, и поэтому ей не нужен мозг. Мозг вообще очень дорого обходится организму, так как потребляет очень много калорий, и губки не могут позволить себе роскошь иметь мозг просто так, «на всякий случай». Таким образом, если животное не нуждается в мозге, то оно, как правило, его лишено.
На первый взгляд может показаться, что у людей очень мало общего с беспозвоночными животными, которые непомерно превосходят нас по численности. Однако в том, что касается нервной системы, у нас с ними очень много общего, и мы многое можем узнать о нас самих, изучая нервную систему этих примитивных животных.
Например, в нейробиологии большую роль сыграло морское беспозвоночное животное морской заяц (аплизия). Аплизию, животное, вся нервная система которой состоит из 20 тысяч нейронов, использовали для исследования в области сенсорной и двигательной нейрофизиологии и в области поведения. В 2000 году Эрик Кэндел получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изучение молекулярных и клеточных механизмов памяти и обучения. Эти исследования почти целиком были выполнены на аплизии в качестве модели.
Библиография:
Borrell, B., One-fifth of invertebrate species at risk of extinction, Nature, September 3, 2012; doi:10.1038/nature.2012.11341.
Lewbart, G.A., Invertebrate Medicine (Ames, IA: Blackwell Publishing, 2006).
ВОПРОС:
Насколько велик человеческий мозг?
ОТВЕТ:
Для начала голый и сухой факт: в среднем вес головного мозга человека колеблется от 1,3 до 1,5 кг (около 3 фунтов, что примерно равно весу среднего капустного кочана). Мозг состоит приблизительно из 86 миллиардов нейронов и такого же числа глиальных клеток. Вес головного мозга составляет около 2 процентов веса тела. Средние размеры мозга: ширина – 140 мм, длина – 167 мм, высота – 93 мм (размер мозга приблизительно соответствует двум большим кулакам). Головной мозг состоит из воды (77–78 процентов), жира (липидов) (10–12 процентов), белка (8 процентов), углеводов (1 процент), растворимых органических соединений (2 процента) и неорганических солей (1 процент).
Для достижения окончательного размера взрослого человека мозгу новорожденного требуется несколько лет. В процессе внутриутробного развития нейроны размножаются с невероятной скоростью – каждую минуту возникает 250 тысяч новых нервных клеток. Большая часть нейронов, которыми мозг располагает впоследствии, присутствуют в нем уже при рождении, но мозг продолжает расти и после рождения. Мозг новорожденного весит меньше четырехсот граммов (не больше, чем крупный апельсин), но уже к двум годам вес мозга достигает 80 процентов от веса мозга взрослого человека.
Увеличение размеров мозга происходит благодаря продолжающемуся размножению глиальных клеток и образованию новых связей между нейронами. Максимального веса мозг достигает, когда возраст человека приближается к тридцати годам, а затем в мозге начинаются процессы атрофии, и с этого момента вес мозга неуклонно уменьшается.
У человека самый большой по объему отдел мозга – это его кора. Кора занимает около 77 процентов объема всей центральной нервной системы. Извилины (продолговатые выпячивания) и борозды способствуют свертыванию коры, благодаря чему в фиксированном объеме черепной коробки умещается большее количество ткани мозга. Общая площадь поверхности коры равна 2500 квадратным сантиметрам (размер большой пиццы). Толщина коры, которая ровным слоем покрывает остальные части мозга, составляет от полутора до четырех с половиной миллиметра, то есть нельзя сказать, что кора очень толстая. Кору головного мозга подразделяют на четыре парные доли: лобную, занимающую 41 процент общего объема коры, височную (22 процента), теменную (19 процентов) и затылочную (18 процентов). Следующей, наиболее крупной частью центральной нервной системы является мозжечок, объем которого составляет около 10 процентов от общего объема центральной нервной системы. Промежуточный мозг (диэнцефалон) и средний мозг (мезенцефалон) занимают по 4 процента объема, а задний мозг (миеленцефалон) и спинной мозг занимают каждый по 2 процента общего объема центральной нервной системы.
Библиография
Kennedy, D.N., Lange, N., Makris, N., Bates, J., Meyer, J., and Caviness, V. S. Jr., Gyri of the human neocortex: an MRI-based analysis of volume and variance. Cerebral Cortex, 8:372-84, 1998.
Peters., and Jones, E.G., Cerebral Cortex. Vol. 3, Cellular Components of the Cerebral Cortex (New York, Plenum, 1984).
ВОПРОС:
Имеет ли значение вес головного мозга? Располагает ли человек самым крупным мозгом по сравнению с другими животными?
ОТВЕТ:
Возможно, вы думаете, что у человека самый большой мозг в животном царстве, но это не так. В принципе, чем крупнее животное, тем больше его мозг. Судя по размерам головы, можно сразу сказать, что мозг коровы больше кошачьего мозга, а у кота мозг больше, чем у мыши. Одна из причин такого положения заключается в том, что крупным животным приходится управлять большей массой мышц и обрабатывать больше информации с поверхности тела.
Мозг взрослого человека весит около 1,4 кг (3 фунта). У некоторых животных вес мозга превышает 1,4 кг. К таким животным относятся слоны, дельфины-афалины, черные дельфины, киты-горбачи, косатки, блювалы и кашалоты.
Может быть, вы думаете, что у человека самый большой мозг, если выразить его вес, как долю от веса всего тела? Не спешите с ответом. У нескольких животных этот показатель превосходит показатель человека. У человека весом 150 фунтов мозг весит три фунта, следовательно, отношение веса мозга к весу тела равно 1:50, и вес мозга составляет 2 процента от веса тела. Вес мозга колибри составляет 3,8 процента от веса тела этой птички.
Размер мозга животного можно также сравнивать с ожидаемым размером мозга у животных с сопоставимыми размерами тела. Зная действительный вес мозга, и сравнив его с ожидаемым весом мозга сходных по размеру животных, можно получить коэффициент энцефализации (КЭ). Вес мозга пропорционален весу тела, взятому в степени две трети. Воспользовавшись этой формулой, можно оценить, насколько большим должен быть головной мозг. Люди находятся на верхнем полюсе этой шкалы с коэффициентом энцефализации, равным 7,44.
В Приложении 3 перечислены массы мозга различных животных.
Библиография
Rehkämpfer, G., Schuchmann, K.L., Schleicher, A., and Zilles, K., Encephalization in hummingbirds (Trochilidae). Brain, Behavior and Evolution, 37:85–91, 1991.
ВОПРОС:
Является ли мозг мышцей?
ОТВЕТ:
Возможно, вы не раз слышали фразу: «Упражняй свой мозг!» Означает ли это, что надо упражнять мышцы головного мозга? Нет, потому что мозг – не мышца. Мозг приблизительно на 80 процентов состоит из воды, на 10 процентов из жира и на 10 процентов из белка, солей и неорганических веществ. За исключением гладких мышц, расположенных в стенках кровеносных сосудов головного мозга, других мышц в мозге нет. Напутствие «упражнять мозг» относится к умственной работоспособности, которая требуется не для поднятия тяжестей, а для чтения, игры в шахматы и решения кроссвордов.
ВОПРОС:
Почему у мозга так много складок?
ОТВЕТ:
Этот вопрос можно сформулировать по-другому: почему у человеческого мозга так много складок, в то время как не у всех животных мозг так сморщен, как у человека. Человеческий мозг густо покрыт складками, у шимпанзе складок меньше, у мартышек еще меньше, и так далее, пока мы не доберемся до скромной землеройки, мозг которой гладок, как биллиардный шар. Землеройки славятся своей тупостью, а человек – умом, и поэтому вы с полным правом можете предположить, что существует какая-то зависимость между интеллектом и степенью складчатости мозга. Да, вы не ошибетесь. Это рассуждение приводит нас к выводу о том, что складчатость позволяет уместить в ограниченном пространстве черепной коробки больший объем коры мозга.
Кора, как явствует из ее названия, представляет собой наружный слой мозга, это позднейшее эволюционное дополнение, очень важное для осуществления высших мозговых функций. Грубо говоря, чем больше коры, тем больше ума. Толщина коры мозга приблизительно одинакова у всех млекопитающих (за исключением китов и дельфинов – у них кора немного тоньше), но площадь поверхности коры (относительно размеров тела) значительно больше у животных, обладающих большими когнитивными способностями. Если расправить все складки коры мозга человека, то площадь ее окажется равной приблизительно двум с половиной квадратного фута. Если бы кора такой площади умещалась в полости черепа в расправленном виде, то у человека была бы такая большая голова, что ее было бы трудно носить, а кроме того, детей с большой головой было бы тяжело рожать. Складчатость коры позволяет аккуратно упаковать все нейроны мозга внутри черепной коробки.
ВОПРОС:
Каким образом нервная система связана с другими системами организма?
ОТВЕТ:
Нервная система прямо или косвенно связана со всеми остальными системами организма, включая такие системы, как сердечно-сосудистая, опорно-двигательная, репродуктивная, пищеварительная, мочевая, покровная (кожа и волосы), лимфатическая, эндокринная и дыхательная.
Сообщение между нервной системой (головной мозг, спинной мозг и периферические нервы) представляет собой улицу с двусторонним движением, по которой сигналы могут идти как от нервной системы к органам, так и от органов в центральную нервную систему. Хороший пример – это сообщение между центральной нервной системой и мышцами. Для того чтобы вы могли пошевелить рукой или ногой, кора мозга посылает сигнал в его ствол, где сигнал переходит на другую сторону тела. После этого сигнал поступает в спинной мозг и передается по нему к двигательным нейронам. Двигательные нейроны по своим аксонам передают сигнал мышце, приказывая ей сократиться. С другой стороны, в мышце расположены чувствительные рецепторы, которые посылают сигналы о состоянии мышцы обратно в нервную систему. Мозг использует эту информацию для того, чтобы регулировать сокращение и расслабление периферической мускулатуры. Такой постоянный диалог между центральной нервной системой и мышцами позволяет удерживать предметы с достаточной силой, не ронять их, но при этом и не повреждать их чрезмерно сильной хваткой.
Связи нервной системы с другими системами тоже представляют собой улицы с двусторонним движением. Нервная система, например, контролирует частоту сердечных сокращений (то есть деятельность системы кровообращения), с помощью мышц движет кости (влияет на состояние опорно-двигательной системы), регулирует выделение в кровь гормонов (то есть активность эндокринной системы) и стимулирует активность защитных механизмов, влияя на деятельность лимфатической системы. Помимо этого, нервная система регулирует частоту и глубину дыхания, контролирует потребление пищи и воды, управляет половым поведением и системой выделения (мочевой системой). Нервная система регулирует даже сокращения мышц, прикрепленных к волосам. В ответ системы и органы посылают в центральную нервную систему сенсорную информацию о своем состоянии, обеспечивая, таким образом, обратную связь органов с нервной системой.
ВОПРОС:
Как соединяются друг с другом две половины мозга?
ОТВЕТ:
Мозолистое тело – это мощный пучок, состоящий приблизительно из 200 миллионов нервных волокон (аксонов), связывающих правое и левое полушария головного мозга. Эта связь позволяет правой и левой половинам головного мозга обмениваться информацией и согласовывать их совместную деятельность.
У подавляющего большинства людей мозолистое тело есть, но в очень редких случаях люди рождаются с частичным или полным его отсутствием. Эта патология называется врожденной агенезией мозолистого тела. Симптомы этого заболевания могут быть выражены в разной степени в зависимости от других нарушений, которые могут сопутствовать агенезии мозолистого тела. У некоторых людей, родившихся без этой структуры, сохраняется нормальный интеллект, но у других наблюдаются тяжелые когнитивные нарушения, судорожные припадки и двигательные расстройства.
Некоторым больным, страдающим частыми эпилептическими припадками, не поддающимися медикаментозному лечению, выполняют операцию рассечения мозолистого тела. По не вполне понятным причинам после операции припадки становятся реже или протекают легче. Больные, перенесшие операцию такого «разделения» мозга, теряют способность передавать информацию из одного полушария мозга в другое, потому что лишаются главного пути такой передачи. Интеллект после операции обычно сохраняется, и выявить возникшие после операции особенности можно только с помощью специальных тестов, в ходе которых воспринимаемая информация попадает только в какое-то одно из полушарий. Например, если зрительная информация попадает только в правую половину мозга, то большинство больных, перенесших операцию, оказываются не в состоянии назвать предъявленные им предметы, и, мало того, они даже не смогут сказать, что вообще что-то видели, потому что центры речи находятся у большинства людей в левом полушарии. Однако если попросить такого больного нарисовать только что увиденный предмет, то больной сделает это без малейшего труда. Глядя на эти эксперименты, испытываешь странное чувство, тем более, видимо, странно себя чувствуют и такие больные. Эти опыты показывают, что хотя осознанные восприятия кажутся нам целостными, они, на самом деле, работают по принципу соединения отдельных модулей. Роджер Сперри (1913–1994), изучавший восприятие больных, перенесших операцию рассечения мозолистого тела, в 1981 году получил за свои исследования Нобелевскую премию.
Библиография
Paul, L.K., Brown, W.C., Adolphs, R., Tyszka, J.M., Richards, L.J., Mukherjee, P., and Sherr, E.H., Agenesis of the corpus callosum: genetic, developmental and functional aspects of connectivity. Nature Reviews Neuroscience, 8:287-99 (2007).
ВОПРОС:
Как велика нервная клетка?
ОТВЕТ:
Нервные клетки (нейроны) могут иметь разнообразные размеры и формы. Типичный нейрон состоит из четырех частей: дендритов, тела клетки, аксона и аксонной терминали. Дендриты – это выросты нервной клетки, которые обеспечивают большинство связей (синапсов) с другими нейронами, хотя связи могут осуществляться и за счет других частей нейрона. Специальные рецепторы в дендритах связывают химические мессенджеры (нейромедиаторы, нейротрансмиттеры) и преобразуют эту связь в электрический сигнал, который направляется к телу клетки.
В теле нейрона содержатся такие органеллы, как ядро, рибосомы и митохондрии, которые обеспечивают нейрон генетическим материалом, синтезируют белки и производят необходимую для жизнедеятельности клетки энергию. Диаметр тела нейрона может колебаться от 10 микрон (мелкие зернистые нейроны коры) до 100 микрон (двигательные нейроны спинного мозга, управляющие сокращением мышц). Для наглядности можно сказать, что 100 микрон – это 0,1 мм, то есть лишь немного меньше точки в конце этого предложения.
Нейрон снабжен единственным аксоном, выростом тела клетки, который проводит электрические сигналы от него по направлению к терминали аксона. Диаметр аксона может колебаться от 0,2 до 20 микрон. Аксоны клеток, находящихся в головном мозге, могут быть очень короткими, менее 1 мм. Напротив, аксоны расположенных в спинном мозге двигательных нейронов, направляющиеся к мышцам стопы, могут иметь длину до 1 метра и более.
ВОПРОС:
Верно ли, что синапсов в головном мозге больше, чем звезд во вселенной?
ОТВЕТ:
В человеческом мозге насчитывается 86-100 миллиардов нейронов. Каждый нейрон может образовывать сотни и тысячи связей (синапсов) с другими нейронами. В мозге содержится от 100 до 1000 триллионов синапсов (только в одной коре их около 60 триллионов).
Но даже такое количество синапсов меркнет в сравнении с числом звезд во вселенной. В нашем довольно скромном Млечном Пути, то есть в одной нашей галактике, присутствуют 100 миллиардов (1011) звезд. Если умножить 1011 на 1012 (число обнаруженных галактик), то мы получим полное число звезд во вселенной, которое приблизительно равно 1022-1024. Конечно, число синапсов в мозге велико, но число звезд неизмеримо больше.
Библиография
Daniels, P., Restak, R., Gura, T., and Stein, L., Body: The Complete Human: How It Grows, How It Works, and How To Keep It Healthy and Strong (Washington, DC: National Geographic Press, 2007).
European Space Agency, How many stars are there in the universe, http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/How_many_stars_are_there..., accessed December 15, 2015.
ВОПРОС:
Увеличивается ли число нейронов после рождения?
ОТВЕТ:
Организм человека отличается поразительной способностью к регенерации. При порезе в коже образуются новые клетки, которые замещают дефект. При переломе кости образуются новые костные клетки, которые помогают восстановить целостность кости. К сожалению, после повреждений мозга новые нейроны, скорее всего, не образуются. Отсюда вытекает необходимость бережно относиться к нейронам, которые у нас есть. Мозг может модифицировать нейронные сети, так сказать, перепрограммировать их в случаях повреждений, но все же лучшая стратегия – это не допускать повреждений и гибели нервных клеток.
Нервные клетки действительно не образуются для устранения повреждений нервной ткани, но в мозге есть отделы, где нервные клетки размножаются и образуются даже у взрослых. Одной из таких областей является гиппокамп, который важен для обучения и памяти. Нейрогенез (создание новых нервных клеток), вероятно, облегчает обучение и улучшает память, правда, пока непонятно, каким образом. Некоторые данные указывают на то, что физическая тренировка ускоряет нейрогенез в гиппокампе и, тем самым, способствует обучению. Таким образом, если хотите иметь больше нервных клеток, то активнее двигайтесь.
ВОПРОС:
Действительно ли у динозавров было два мозга?
ОТВЕТ:
Во многих старых книгах было написано, что одному из динозавров – стегозавру – был нужен второй мозг в позвоночнике для того, чтобы лучше управлять движениями массивных задних конечностей и хвоста. Действительно, у стегозавра было утолщение спинного мозга в области задних конечностей, но это был отнюдь не второй головной мозг.
У большинства животных, имеющих конечности, есть утолщения спинного мозга, где находятся нейроны, управляющие движениями передних и задних конечностей (у человека – рук и ног). В этих утолщениях находятся также чувствительные нейроны, получающие информацию о состоянии мышц и положении суставов конечностей. Отчасти, система управления движениями конечностей располагается в спинном мозге и не нуждается во вмешательстве головного мозга. Поблизости от утолщения спинного мозга стегозавра находилось еще одно образование – гликогеновое тело (где, как следует из названия, хранились запасы гликогена). Функция этого тела неясна, но, определенно, оно не было вторым головным мозгом.
ВОПРОС:
Можно ли передвигать предметы «силой» мозга?
ОТВЕТ:
Несомненно! Электрические сигналы, порожденные в головном мозге, могут передаваться в спинной мозг, а оттуда по двигательным нейронам к мышцам направится приказ выполнить то или иное движение. Электрические сигналы головного мозга можно зарегистрировать с помощью электродов, помещенных на кожу головы или введенных в ткань головного мозга. Эти сигналы можно использовать для управления движениями механических конечностей, для контроля работы двигателей или компьютеров (см. обсуждение вопроса о «мозго-компьютерном интерфейсе»).
Вероятно, это не та сила, которая подразумевалась в заданном вопросе. Видимо, имелось в виду следующее: может ли сила мысли каким-либо образом преодолеть воздушное пространство и совершить какое-то механическое действие? Другими словами, возможен ли телекинез? Мы вынуждены вас разочаровать. Слабые электрические сигналы, генерируемые головным мозгом, распространяется очень недалеко от своих источников. Насколько мы знаем, до сих пор не получено убедительных доказательств существования телекинетических способностей.
До 2015 года у любого, кто смог бы продемонстрировать способность «перемещать предметы силой мысли», был шанс получить миллион долларов. Для того чтобы предъявить права на эти деньги, людям надо было обратиться к Джеймсу Ранди, в его лабораторию в Сан-Франциско, и продемонстрировать свои способности. Ранди, вышедший на пенсию в 2015 году, предлагал миллион долларов в течение девятнадцати лет. Деньги эти так и остались на его банковском счете.
Библиография
James Randi Educational Foundation, http://web.randi.org/about-james-randi.html, accessed January 14, 2016.
ВОПРОС:
Действительно ли головной мозг использует электричество для передачи своих сигналов?
ОТВЕТ:
Да, для передачи сигналов мозг использует электричество, но производится это электричество совсем не так, как электрический ток, поступающий из настенных розеток (не говоря уже о том, что напряжение мозгового электричества гораздо ниже). Нейроны передают друг другу сигналы электрохимическим способом, и эти сигналы называются потенциалами действия. Электрический ток, которым мы пользуемся в быту, переносят электроны; в головном мозге и вообще в нервной системе ток переносится ионами.
Ионы – это электрически заряженные частицы, и организм использует для генерации тока ионы нескольких типов. За передачу сигналов в нервной системе отвечают ионы натрия, калия, кальция и хлора. Так как мембраны, окружающие нейроны, являются полупроницаемыми, некоторые ионы могут свободно проходить через них, а некоторые – нет. Неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны (внутри и снаружи нейрона) создает электрическую разность потенциалов (электрическое напряжение).
Когда нейрон неактивен, заряд внутри него отрицателен по отношению к заряду вне нейрона, и разность потенциалов составляет приблизительно -70 милливольт. Помимо этой разности электрических потенциалов, существует также разность концентраций определенных ионов внутри и вне нейрона; снаружи выше концентрация ионов натрия, а внутри выше концентрация ионов калия. Из школьного курса физики мы помним, что противоположные заряды притягиваются. Положительно заряженные ионы стремятся выйти в более отрицательно заряженную среду, а частицы всегда стремятся попасть из среды, где их концентрация высока, в среду, где их концентрация ниже.
Потенциал действия, который еще называют спайком или импульсом, вызывается быстрым открытием закрытых до этого различных ионных каналов. Для возбуждения потенциала действия поступающий к нейрону сигнал открывает ионные каналы, что приводит к массивному поступлению ионов натрия внутрь нервной клетки. Заряд внутренней среды становится положительным (клетка деполяризуется). Когда заряд внутри клетки уменьшается по абсолютной величине на 55 милливольт, нейрон генерирует потенциал действия. Если же заряд не достигает этого порогового значения, то потенциал действия не возбуждается.
В норме первым этапом генерации потенциала действия является открытие натриевых каналов в аксонном бугорке (области нейрона, прилегающей к аксону). Как только это происходит, ионы натрия устремляются внутрь нервной клетки, потому что ионов натрия гораздо больше снаружи, чем внутри. Увеличение концентрации положительно заряженных ионов натрия внутри клетки приводит к деполяризации – на пике потенциала действия потенциал на внутренней стороне мембраны достигает +30 милливольт. В это же время начинают открываться калиевые каналы. Они открываются с небольшой задержкой, но когда это происходит, ионы калия начинают выходить из клетки, потому что концентрация калия внутри клетки больше, чем вне ее. Этот выход ионов калия поляризует нейрон (то есть делает внутреннюю среду клетки отрицательно заряженной). На фоне открытия калиевых каналов начинают закрываться натриевые каналы. Внутренняя среда нейрона снова приобретает заряд -70 милливольт. Однако в силу того, что калиевые каналы пока остаются открытыми, клетка продолжает заряжаться отрицательно, и в какой-то момент потенциал внутри клетки становится ниже потенциала покоя. После закрытия калиевых каналов концентрации ионов возвращаются к исходному уровню, и потенциал снова становится равным -70 милливольт.
Объяснение заняло довольно много времени, и вам может показаться, что процесс деполяризации и реполяризации – достаточно длительный, но, на самом деле, все это происходит в течение нескольких миллисекунд. Тем не менее, этот процесс действительно является достаточно медленным в сравнении со стремительным перемещением электронов в домашних электрических сетях.
ВОПРОС:
Как быстро передаются импульсы по нервам?
ОТВЕТ:
Нервные волокна состоят из множества аксонов различных нейронов. Некоторые аксоны очень тонки (меньше 1 микрона в диаметре), а некоторые толще (до 20 микрон в диаметре). Эти толстые аксоны упакованы в изолирующие футляры, называемые миелиновыми оболочками. Толщина нервного волокна и наличие миелиновой оболочки определяют скорость проведения электрических импульсов по аксону. Толстые аксоны проводят сигналы быстрее, чем аксоны тонкие, а аксоны, одетые миелином, проводят сигналы быстрее, чем аксоны, лишенные такой оболочки.
Сигналы по немиелинизированным, тонким аксонам проводятся со скоростью 0,5–2,0 м/с (1,8–7,2 км/час). Такие тонкие аксоны передают в организме сигналы о боли, зуде и температуре. В толстых, покрытых миелиновой оболочкой аксонах, сигналы передаются со скоростью до 120 м/с (431,9 км/час). Аксоны такого рода передают сенсорную (чувствительную) информацию и информацию о состоянии мышц (мышечное чувство).
Вы можете на собственном опыте убедиться в том, что разные сенсорные сигналы распространяются по нервам с разной скоростью. Например, если вы ушибли палец или колено, то сначала возникает ощущение прикосновения или давления. Эти ощущения проводятся по толстым миелинизированным волокнам с большой скоростью. Через несколько мгновений начинает ощущаться боль. Это означает, что импульсы, сигнализирующие о боли и переданные по тонким, немиелинизированным волокнам, тоже, наконец, добрались до головного мозга.