Автостопом по мозгу. Когда вся вселенная у тебя в голове

Черепные нервы

Все черепные нервы, за исключением первых двух пар – обонятельного и зрительного, – входят в мозг на уровне мозгового ствола [5]. Черепные нервы – обязательный пункт программы для студентов, изучающих нейробиологию: во-первых, через них мозг получает информацию от органов чувств: обонятельный, преддверно-улитковый и зрительный нервы несут информацию о запахах, звуках и том, что происходит в поле нашего зрения, а отдельные части лицевого, языкоглоточного и подъязычного нервов отвечают за вкусовое восприятие. Кроме того, через черепные нервы мозг управляет мышцами головы и шеи. Благодаря этому мы можем не только жевать, показывать язык и улыбаться, но и переводить взгляд с объекта на объект, а еще крутить головой и пожимать плечами. Единственная белая ворона в дружной семье черепных нервов, контролирующих голову и шею, – это блуждающий нерв. Он тоже берет на себя некоторые «головные» функции – иннервирует глотку и гортань, собирая сенсорную информацию и передавая обратно двигательную. Однако самые длинные его отростки уходят далеко вниз, к органам грудной клетки и брюшной полости: он успокаивает пульс, расслабляет кровеносные сосуды и активизирует пищеварение, когда организм переключается из режима «бей и беги» в режим «отдыхай и переваривай».

У человека 12 пар черепных нервов, и 10 из них отходят от ствола головного мозга

Черепные нервы оканчиваются в ядрах – специализированных группах клеток, которые получают или отправляют информацию по своим нервам. Ядра, расположенные в стволе мозга, чрезвычайно важны для нормальной работы всех черепных нервов, за исключением обонятельного.

Бабочка, запертая в скафандре

«Скафандр и бабочка» – это название книги, которая вышла во Франции 7 марта 1997 года. Ее автор, Жан-Доминик Боби, диктовал текст рукописи в течение многих месяцев, будучи запертым в собственном теле [4].

Боби работал главным редактором журнала Elle до декабря 1995 года, когда в результате обширного инсульта в области ствола головного мозга он впал в кому. Через 20 дней он пришел в сознание, однако обнаружил, что не может пошевелиться – повреждения в области моста привели к полному двигательному параличу. Инсульт разъединил верхнюю часть ствола и переднюю часть мозга с тем, что располагалось ниже: нижней частью ствола, спинным мозгом и остальным телом. Помимо того что Боби не мог пошевелить телом, он не был способен жевать и глотать и за 20 недель потерял 27 кг. Единственное, чем Боби мог управлять произвольно, были движения левым глазом.

Несмотря на тяжесть своего состояния, Боби полностью сохранил высшие нервные функции: он продолжал чувствовать и мыслить, мучительно переживая то, что теперь бабочка его разума заперта в скафандре тела, управлять которым он больше не мог.

Инсульт в области моста частично повредил способность Боби ощущать свое тело и лицо, но не до конца: он чувствовал онемение, покалывание и жгучую боль в отдельных частях тела.

Жан-Доминик Боби хотел поделиться с миром своей историей. Используя для связи с миром единственную возможность произвольного движения – моргание глазом, – Боби смог надиктовать текст своей книги с помощью ассистентки. Она диктовала буквы французского алфавита, а Боби моргал, когда слышал нужную ему букву.

«До тех пор мне никогда не доводилось слышать о мозговом стволе. В тот день я совершенно неожиданно обнаружил для себя эту основную деталь нашего бортового компьютера, непременную связующую нить между мозгом и нервными окончаниями, когда сердечно-сосудистое нарушение вывело вышеупомянутый ствол из строя. Прежде это называли кровоизлиянием в мозг, и от этого попросту умирали. Развитие реанимационных технологий усовершенствовало кару. Выжить можно, но при этом заполучишь то, что англосаксонская медицина и окрестила как раз locked-in syndrome: парализованный с головы до ног пациент замурован в собственном теле, он мыслит, но этого не видно, и единственным средством общения становится левый глаз, которым человек может моргать» [8].

Спустя два дня после выхода своей книги Жан-Доминик Боби умер от пневмонии. Его книга стала бестселлером: она была издана в 30 странах миллионными тиражами.

Полтора года жизни, уготованные безголовому цыпленку Майку, сохранившему невредимым ствол и лишившемуся передних отделов мозга, и полтора года жизни, которые суждено было прожить писателю Жану-Доминику Боби после повреждений в стволе, разительно отличались – как отличаются и задачи тех отделов, что поддерживали в них эту жизнь.

Глава 2
Что находится выше мозгового ствола? Краткий путеводитель по строению мозга

Рассказ о мозге невозможен без знакомства с терминологией. Если мы хотим научиться ездить на автомобиле, неплохо бы отличать капот от багажника, пассажирское кресло – от кресла водителя, выучить, где находятся педали тормоза, газа и переключения передач, а также названия и смысл деталей, рычагов и кнопок, которые придется использовать водителю. Иначе инструктор просто не сможет объяснить нам, как всем этим пользоваться.

С мозгом примерно так же: наша психика устроена очень сложно, а мозг «оборудован» множеством важных штучек, отвечающих за те или иные процессы.

Задачи, кажущиеся простыми, решаются благодаря сложным процессам внутри мозга, большинство из которых мы даже не осознаем.

Казалось бы, чего проще – узнать знакомого в толпе людей; найти нужный подъезд в незнакомом районе по сбивчивым описаниям родственников; сразу понять, что сегодня не стоит заводить разговор с начальником о повышении зарплаты или пройти по бордюру в обход лужи, перескочив по пути особо грязную и скользкую секцию, и не потерять равновесия. Однако все это процессы невероятной сложности – разработчикам компьютеров не удается добиться таких высот от роботов, хотя те могут мгновенно вычислить корень четвертой степени из ста сорока семи или извлечь из памяти файл, загруженный на жесткий диск семь с половиной лет назад (и даже выдать список всех файлов, созданных или измененных в тот день).

В общем, наш мозг – удивительный и сложный орган, который умеет справляться с невероятным разнообразием хитроумных задач (хоть они и кажутся нам заурядными и простыми). Чтобы в самых общих чертах описать, как устроен и работает наш мозг, нужно для начала знать названия основных частей и отделов, о которых пойдет речь дальше^[4].

Общее устройство мозга отражает процессы его формирования. Наша нервная система состоит из головного и спинного мозга и множества нервных волокон, которые соединяют их со всеми органами и тканями. У зародыша нервная система изначально закладывается как бороздка из складок кожи на спине. Этот желобок углубляется, а затем окончательно погружается в толщу тела и становится нервной трубкой, дающей начало спинному мозгу, расположенному в глубине позвоночника. В полости этой трубки находится спинномозговая жидкость, которая очень важна для нормальной работы нервной системы.

Наш головной мозг развивается из системы пузырей на конце нервной трубки – она сложным образом сворачивается и изгибается внутри зародыша, поскольку места в голове не так уж и много. Но если мысленно выпрямить развивающийся головной мозг, можно разобраться, к каким отделам относятся разные его структуры. У человека конечный мозг разрастается особенно сильно – это то, что мы называем большим мозгом или большими полушариями мозга. По мере развития большого мозга почти все остальные его отделы прячутся под «шапкой», к тому же еще изгибаются вслед за направлением роста, образуя систему дуг и арок (это можно заметить на следующей картинке). Полости со спинномозговой жидкостью внутри пузырей образуют желудочки головного мозга.

Спереди на конце нервной трубки формируется пузырь (точнее, сразу несколько, расположенных один за другим): это «заготовка» для будущего головного мозга. Постепенно его форма усложняется, а по бокам формируются все более сложные отростки. Передний отдел разрастается особенно сильно, вырастая сначала вверх и немного загибаясь назад, – именно так закладывается и начинает расти головной мозг. Однако отделы, расположенные под покровом конечного мозга, не так уж сильно отличаются у людей по сравнению с другими млекопитающими. Чем ближе к спинному мозгу, тем больше сходство в строении и работе отделов мозга. Общий принцип строения головного мозга позвоночных животных можно описать так. В центре у основания головного мозга расположены самые древние отделы, которые появились в эволюции раньше всего и отвечают за простые автоматические процессы и формы поведения. Ближе к конечным отделам по мере продвижения к поверхности мозга появляются все более сложные отделы, тут выше изменчивость в строении и назначении – это те отделы, которые появляются в эволюции намного позже и во многом обеспечивают специфические для каждого вида задачи [1].

Через мозговой ствол курсирует значительная часть информации, передаваемой от мозга к органам.

Неровная и бугристая, изрезанная бороздами и извилинами часть, которую иногда принимают за собственно мозг, – это все-таки лишь одна из частей нашего головного мозга. Неудивительно, что ее называют большим мозгом (как бы противопоставляя маленькому мозгу – мозжечку). Снаружи большой мозг покрыт корой – серым веществом толщиной несколько миллиметров, в котором «сидят» тела нервных клеток, в то время как их длинные отростки образуют белое вещество^[5] под поверхностью коры. Кора большого мозга разделена на два полушария – правое и левое. Они соединены крупными пучками проводящих путей, через которые оба полушария обмениваются информацией – это мозолистое тело.

Хотя большинство людей не задумываются о том, что еще есть в головном мозге, кроме двух больших полушарий, «под покровом» большого мозга скрывается множество других очень важных структур. Не все, что находится под поверхностью коры, относится к белому веществу, которое только проводит информацию, – внутри есть «начинка» из серого вещества, разделенная на множество мелких и крупных включений. Такие скопления тел нервных клеток обычно компактно расположены и называются подкорковыми ядрами. Каждая пара ядер внутри мозга – по одному справа и слева – выполняет собственные задачи, образуя сети с другими подкорковыми структурами и участками коры.

Весь мозг представляет собой гигантскую сеть распространения и обработки сигналов, состоящую из десятков миллиардов узлов – отдельных нейронов, сгруппированных в разных отделах подкорки и коры в соответствии с теми задачами, которые они выполняют.

Вообще говоря, именно подкорковые ядра чрезвычайно важны для многих ключевых задач, которые решает мозг, обеспечивая наше выживание и жизнедеятельность. А кора, в свою очередь, отвечает за все наши чисто человеческие функции, которые разительно отличают нас от животных. В коре есть участки, где формируются речь, арифметические навыки, умение читать и способности к абстрактному и логическому мышлению. Кора головного мозга (неокортекс) обеспечивает прежде всего обучение новому.

Тем не менее оказалось, что жить можно и без коры головного мозга (правда, в этом случае речь идет не о людях, а о братьях наших меньших – зверях с более просто устроенным неокортексом). В первой половине XX века ученые проводили эксперименты на животных, изучая как в мозге формируются условные рефлексы и где происходит обучение. В этих экспериментах крысам, кроликам и собакам полностью удаляли кору с поверхности головного мозга, а после восстановительного периода изучали их поведение. Оказалось, что звери вполне способны выжить и прожить довольно долгое время после того, как им полностью удалили кору [2]. Все потому, что базовые программы поведения, включая рефлексы, стандартную повседневную активность и даже мотивацию и настроение животных, кодируют подкорковые структуры мозга.

Что находится внутри полушарий большого мозга?

Промежуточный мозг: таламус, гипоталамус, гипофиз

В основании больших полушарий лежит промежуточный мозг, чью основу составляют таламус и гипоталамус. Это небольшая отдельная часть в составе переднего мозга наряду с конечным – к нему как раз относятся большие полушария и еще несколько структур внутри них.

Мозговой ствол, о котором мы говорили в предыдущем разделе, сверху упирается в два овальных таламуса. Они расположены практически в самой сердцевине мозга и соединяют органы чувств (кроме обоняния) с другими его отделами.

Таламус – своеобразный информационный центр управления внутри переднего мозга [3]. Почти вся информация от органов чувств (за исключением запаховой) сначала попадает в таламус, проходит там начальную обработку и сортировку и только после этого отправляется в свой отдел коры головного мозга. Обоняние – единственное исключение из правил: обонятельные луковицы, отвечающие за вкусы и запахи, относятся к лимбической системе (о ней мы еще поговорим подробнее) и отправляют информацию непосредственно к обонятельной коре в обход таламуса.

Внутри таламуса находится два десятка различных ядер, каждое из которых отвечает за свой набор задач. Часть ядер работает в основном с внешней информацией от органов чувств, другие участвуют в двигательном контроле, есть отделы, соединяющие друг с другом различные участки коры больших полушарий. Что происходит с информацией, которая попала из таламуса в кору? После обработки она опять поступает в таламус, и он вновь оценивает ее, выделяя в огромном сенсорном потоке сигналы, на которые сейчас стоит обратить внимание, и отсеивая те, что пока можно проигнорировать.

Внутри таламуса работает что-то вроде фильтра – он помогает переключать внимание с одного потока информации на другой: например, если нам наскучил разговор и мы стали разглядывать симпатичную картину на стене, таламус «прикручивает тумблер» для звуковой информации и пропускает в первую очередь зрительную информацию, которая сейчас нам важнее и интереснее.

Нейронаука умеет исследовать человеческий мозг, не вскрывая череп.

Когда мы замечаем, что кто-то в обсуждении называет наше имя, таламус опять переключает фильтры входящей информации в прежний режим, мы забываем про картину и снова включаемся в беседу.

Фактически таламус играет важнейшую роль в том, куда будет направлен фокус нашего внимания, что именно достигнет осознания и послужит пищей для размышлений.

Под таламусом расположены гипоталамус и гипофиз – они связывают мозг с эндокринной системой, управляя выработкой большинства гормонов.

Гипоталамус – это небольшая зона мозга возле основания таламуса (спереди и книзу от яйцевидного таламуса). Он тесно связан с остальными зонами в среднем и переднем мозге и состоит из множества мелких ядер, каждое из которых специализируется на том или ином аспекте нашего поведения или работы внутренних органов.

Гипоталамус контролирует постоянство внутренней среды организма и запускает инстинктивные программы и потребности, когда нам требуется восстановить ресурсы.

В крови мало сахара? Гипоталамус активирует центры голода. В кровотоке избыток солей? Надо подключить центры жажды, чтобы восполнить недостаток воды в организме. Специальные центры в гипоталамусе следят за температурой тела и кровяным давлением, аппетитом, жаждой, уровнем активности.

Ядра гипоталамуса играют важную роль, когда речь заходит о сексуальном возбуждении или нужно запустить материнский инстинкт.

Клетки гипоталамуса важны и для грудного вскармливания, и для формирования нежной привязанности и заботы между родителем и ребенком.

Одним словом, гипоталамус следит за тем, чего нам сейчас остро не хватает, и старается сделать так, чтобы в организме было достаточно воды и питательных веществ, поддерживались постоянная температура и кровяное давление, чтобы мы могли эффективно справляться с задачами выживания и размножения – короче говоря, чтобы все было в порядке и работало, как следует.

Одна из главных задач гипоталамуса заключается в управлении небольшой железой прямо под ним – это гипофиз, который следит за тем, как и когда в организме вырабатываются гормоны.

Гормональная регуляция для поведения не менее важна, чем мышечный контроль: гормоны действуют намного медленнее, но позволяют скоординировать режимы работы всех систем органов, обеспечивая слаженную деятельность всех систем организма.

А еще гипоталамус контролирует реакцию «бей или беги», которая проявляется, когда нам угрожает опасность, – выделяющиеся здесь вещества регулируют выработку гормонов в эндокринной системе и помогают всем органам скоординироваться и переключиться в режим боевой готовности. К сожалению, гипоталамус и система ответа на угрозу не слишком разбираются в том, какая именно опасность нам угрожает. Тысячи лет назад наши предки при встрече с медведем или тигром спасались только благодаря эндокринной системе: выделявшийся адреналин разгонял пульс, помогал поднять кровяное давление и давал энергию для работы мышц, чтобы древние люди смогли спастись от хищника, а кортизол готовил организм на тот случай, если неприятности продлятся дольше, чем хотелось бы. Теперь тигры и медведи сменились недовольными начальниками или контрагентами, но эндокринная система, управляемая гипофизом, работает все так же на случай, если мы все же решим сбежать от нагоняя (к сожалению, обычно такое решение только усугубляет проблемы, а не помогает их решить).

Гипофиз регулирует работу желез внутренней секреции – щитовидной железы, надпочечников и половых желез, а еще в нем контролируются процессы роста, обмена веществ и работа почек.

Эпифиз

Эпифиз – это непарный вырост между таламусами и четверохолмием. Он тоже относится к промежуточному мозгу и иногда появляется в литературе и интернете под громким и интригующим названием «третий глаз». У такого названия есть вполне солидные основания: у наших позвоночных предков эпифиз действительно работал как самый настоящий светочувствительный орган, и прямо над ним в костях черепа образовывалось специальное отверстие, чтобы свет мог попадать туда напрямую [4]. Да и сегодня существуют отдельные виды рыб, амфибий и рептилий, у которых эпифиз сохранил ту же роль. Правда, самый известный пример третьего глаза – теменной глаз живой ископаемой ящерицы гаттерии – это вырост парапинеального органа, который у ящериц находится по соседству с эпифизом.

Надо сказать, что и у нас эпифиз в определенном смысле работает как светочувствительный орган. Правда, теперь световые сигналы попадают туда не напрямую через кожу и дырку в черепе, а от сетчатки глаз через сложную систему соединений между нервными клетками. На пути к эпифизу информация об освещенности в какой-то момент покидает головной мозг и оказывается в шейном ганглии спинного мозга и только оттуда, наконец, попадает в конечную точку – бывший третий глаз, а теперь железу, которая регулирует циклы сна и бодрствования, стараясь сделать так, чтобы люди спали по ночам, а днем вели активный образ жизни. В темноте эпифиз вырабатывает мелатонин – он проявляет мягкий снотворный эффект и контролирует другие гормоны, выработка которых зависит от времени суток, включая гормон роста, половые гормоны, гормоны надпочечников и щитовидной железы [5].

Базальные ганглии

Снаружи и немного спереди от таламусов расположены базальные ганглии – это целая сеть ядер, образующих между собой сложные взаимосвязи и соединяющихся с таламусом и корой больших полушарий. Это центр принятия решений – сюда сходятся все потоки информации, которую нужно учитывать, и они преобразуются в некое решение – то, что мы будем делать и как себя вести исходя из того, что вокруг творится и чего нам сейчас хочется [6].

Базальные ганглии важны для двигательного научения – здесь находится что-то вроде библиотеки поведенческих программ на те случаи жизни, с которыми мы частенько сталкивались в прошлом [7]. Если нам постоянно нужно выполнять одни и те же действия, например по пути из дома на работу, довольно скоро в базальных ганглиях сформируется «автопилот», который проведет человека из офиса домой даже тогда, когда он ужасно устал или потрясен до глубины души: пока мы заняты тем, что нас беспокоит, базальные ганглии позаботятся о том, чтобы четко выполнить стандартную программу действий, не отвлекая внимание человека от того, что его заботит.

Мозг запускает и контролирует множество неосознаваемых процессов, например дыхание, сердцебиение, кашель и глотание.

Вокруг базальных ганглиев оборачивается еще одна система отделов мозга – лимбическая. Она важна для мотивации и эмоций и управляет базовыми (инстинктивными) формами поведения, направленными на утоление голода и жажды, проявление базовых эмоций типа страха или ярости. Эта же система заведует сексуальным поведением и формирует основу родительских инстинктов – эти поведенческие программы играют ключевую роль в эволюции и естественном отборе, и в их реализации задействована целая сеть довольно древних структур, обеспечивающих продолжение рода, – поиск сексуальных партнеров и заботу о детях, пока они не станут достаточно самостоятельными.

Лимбическая система

Если постепенно двигаться от основания мозга к его поверхности, к коре больших полушарий, мы увидим любопытную закономерность. В то время как отделы на поверхности мозга в основном участвуют в осознаваемых процессах и ощущениях, многими из которых мы можем произвольно управлять, то по мере погружения внутрь будут встречаться все менее контролируемые и осознаваемые [1].

В глубине мозга находится множество чрезвычайно важных отделов, которые помогают нам принимать решения и берут на себя множество задач, причем о существовании некоторых из них мы даже не догадываемся.

Многие решения наш мозг принимает, не донося до сознания человека, благодаря этому мы можем ехать на велосипеде, не задумываясь о том, как двигать руками и ногами и сохранять равновесие, или можем моментально отпрыгнуть в сторону и только после этого осознать, что на тропинке перед нами грелась змея. Еще структуры в глубине мозга отвечают за поддержание гомеостаза и наше эмоциональное состояние, помогают учиться и формировать воспоминания – многие важные отделы центральной нервной системы спрятаны от взгляда наблюдателя, если он смотрит на мозг снаружи. На картинке выше показаны самые заметные и важные из подкорковых структур промежуточного мозга (таламус, гипоталамус, эпифиз), базальных ганглиев и лимбической системы, а также две извилины, формирующие лимбическую кору.

Головной мозг занимает почти 95 % объема черепа.

В глубине коры больших полушарий расположена лимбическая система: она отвечает за эмоции – наше настроение и переживания, за то, что мы чувствуем, а не за то, что воспринимаем или думаем. Структуры, которые к ней относятся, расположены по кромке вдоль более древних структур, образуя дугу – отсюда и название «лимбическая система» (от лат. limbus – граница, край). Сюда относятся несколько участков коры, но основа лимбической системы – это подкорковые отделы мозга: миндалевидные тела, таламус и гипоталамус, гиппокамп, свод мозга и еще несколько не таких заметных структур.

Миндалины и гипоталамус – главные по эмоциям; любые воздействия на них приводят к нарушениям эмоционального поведения. Например, люди без миндалины почти не различают эмоции на лицах других людей и сами практически никогда не испытывают страха или тревоги. С гипоталамусом еще сложнее: здесь осуществляется контроль не только за эмоциями, но и за внутренней средой организма, гормонами, температурой тела, аппетитом, голодом, жаждой и пищевым поведением, так что повреждения гипоталамуса чреваты крайне серьезными последствиями для здоровья. Даже небольшие нарушения в работе гипоталамуса могут обернуться серьезными эмоциональными проблемами – раздражительностью, тревожностью, скачками настроения, усталостью и апатией, проблемами с сексуальным возбуждением, циклом сна и бодрствования.

Наши переживания многих базовых потребностей, всевозможных типов удовольствия, влюбленности и любви, симпатии и привязанности к близким зависят от гипоталамуса, как и переживания неудовольствия и страданий, ярости, страха и ненависти. А еще гипоталамус контролирует уровень бодрости и играет ключевую роль в реакциях на стресс.

Гиппокамп расположен в мозге прямо за миндалиной, он отвечает прежде всего за пространственное восприятие и формирование памяти. Хотя его сложно отнести к структурам, отвечающим за эмоции, все же благодаря связи гиппокампа с лимбической системой мы лучше всего запоминаем те вещи, которые произвели на нас впечатление и оставили сильный эмоциональный отклик, – не важно, приятными были эти воспоминания или тяжелыми.

Лимбическая система контролирует поведение, в котором проявляется влияние инстинктивных программ, глубинных эмоций и сильнейших внутренних импульсов. Сюда можно отнести сексуальное поведение и щемящее чувство любви к близким, страх и ярость, удовольствие и азарт. Промежуточное положение лимбической системы между более глубокими и поверхностными уровнями проявляется в том, насколько мы можем контролировать свои эмоции – в сравнении с тем, как контролируем собственные мысли. Чаще всего (хоть и не всегда) мы можем определить, какие чувства испытываем, но управлять ими не так-то просто. Если же человека захлестывает буря эмоций, он обычно теряет рассудок – рациональные части мозга, расположенные снаружи, теряют управление, его перехватывают более древние иррациональные структуры, и мы действуем импульсивно, по велению чувств.

Левое полушарие мозга отвечает за управление и чувствительность правой стороны тела, и наоборот.

Участки коры, которые относят к лимбической системе, иногда выделяют в отдельную лимбическую долю – по большому счету, это не доля, а изогнутая и немного заворачивающаяся дуга. Сверху эта дуга проходит как раз посередине между двумя полушариями – ровно над местом их соединения в одно целое. Еще один участок лимбической коры находится снизу и сзади от поясной извилины, на самом дне височных долей – он оборачивается вокруг спиральной структуры гиппокампа и называется парагиппокампальной корой.

В состав лимбической коры входят и более старые участки коры, расположенные снизу и изнутри больших полушарий. От новой коры – неокортекса – они отличаются строением и задачами, которые выполняют. Нейроны здесь упакованы немного по-другому и образуют на срезе меньше слоев. У человека почти вся кора больших полушарий занята неокортексом, а участки старой коры занимают всего несколько процентов от всей площади. Тем не менее без работы старой коры невозможно формирование памяти и пространственное мышление. Именно старая кора способна быстро запомнить получаемую информацию, а затем она тренирует новую различать те вещи и места, с которыми мы уже когда-то встречались и сохранили о них воспоминания [8].