Заболевания человеческого мозга

Они могут быть следствием наследственного нарушения обмена, сосудистого заболевания, инфекции, опухоли, травмы. При исследовании психических заболеваний важны отношения между генетическими факторами и факторами внешней среды

В такой сложной структуре, как человеческий мозг, может возникнуть множество нарушений. Удивительно то, что у большинства людей мозг работает эффективно и непрерывно дольше шестидесяти лет. Это говорит о пластичности, избыточности и самовосстанавливающейся природе его механизмов. Но дело в том, что в мозгу иногда нарушается его структурная архитектоника или электрические и химические процессы. Более ста лет назад патологи уже умели обнаруживать заболевания, связанные с повреждением крупных анатомических структур мозга и возникающие в результате кровоизлияния, компрессии, смещения, воспаления, дегенерации и атрофии. Микроскоп и избирательное окрашивание дали возможность увидеть, как морфологическое повреждение вызывает голодание, дегенерацию и гибель нейронов.

Компьютерная аксиальная томография (КАТ) использует рентгенограммы, сделанные под разными углами, с целью получения картины головного мозга в поперечном разрезе. Инъекция йодистого препарата в венозную систему усиливает контраст. На кадрах а и б для выявления плотного сгустка крови в пространстве между мозгом и черепом иод был не нужен. Кровоизлияние произошло от удара тупым орудием по этой части черепа. По диагонали от сгустка видно кровоизлияние на поверхности мозга или непосредственно под поверхностью; это кровоизлияние вызвано повреждением мозга по механизму «противоудара» (contre-coup). Желудочки (в центре) сужены из-за набухания ткани мозга. На кадре в препарат иода выявил опухоль (в центре внизу) у больного с метастазами рака. Справа от узла опухоли — нормальная вена, которая отчетливо видна благодаря контрастному веществу — введенному в кровь иоду. Желудочки смещены набуханием тканей вокруг опухоли. На кадре г менингиома (доброкачественная опухоль) без иода едва видна. Внутри опухоли лежит небольшой островок кальция. Гиперостоз, разрастание кости вблизи опухоли, характерно для менингиомы. На кадре д под действием иода та же самая опухоль стала видна гораздо лучше. Тонкая белая линия, пересекающая опухоль, проведена сканирующим аппаратом с целью измерения. На кадрах е и ж злокачественная опухоль (в середине) без иода едва видна, но на кадрах з и и, полученных с применением иода, она ясно выделяется в виде пятнистого участка. Желудочки смещены, и границы их зазубрены. На кадре е кальцинированный эпифиз (в середине) тоже слегка смещен. Усиленные иодом белые кольцевые зоны характерны для злокачественной опухоли. Девять кадров КАТ любезно предоставлены Ф. Ходжесом III (F. Hodges III) из Медицинской школы Университета Джонса Гопкинса.

Глиальная клетка, которая вырабатывает и обновляет жироподобный слой миелина, образующий оболочку аксонов в центральной нервной системе, может играть роль в расстройствах функции головного мозга. А. Электронная микрофотография нормальной глиальной клетки; это сравнительно темная клетка с плотно упакованными внутриклеточными органеллами, в том числе митохондриями, шероховатым эндоплазматическим ретикулумом и четко очерченным аппаратом Гольджи (рядом дана карта органелл). В этой нормальной клетке хроматин - носитель генетического материала - равномерно распределен по всему ядру. На периферии клетки лежат части нескольких миелинизированных аксонов; миелин является прямым продолжением специализированной цитоплазматической мембраны глиальной клетки. Б. Глиальная клетка больного хроническим лимфатическим лейкозом. Органеллы клетки сильно разрушены. Клетка, находящаяся в ткани, взятой при аутопсии, отличается увеличенным и смещенным ядром, конденсированным хроматином и наличием многочисленных вирусных частиц, уничтожавших клетку. В результате миелин аксонов не обновлялся. Постепенная демиелинизация основных нервных путей привела к развитию симптомов болезни. Приблизительно за четыре месяца до смерти больной жаловался на ухудшение зрения (что закончилось слепотой в левом поле зрения), на то, что он не различает лиц и не может читать. В конце наступила полная слепота, некоторая спутанность сознания с двусторонним парезом. В. Глиальная клетка в ткани, взятой при аутопсии у больного подострым склерозирующим панэнцефалитом. Отдельные органеллы в клетке неразличимы, хотя близлежащие миелинизированные аксоны еще видны. Хроматин образовал комки и сдвинут частицами, характерными для парамиксовируса. Электронные микрофотографии получены Дж. Волынским (J. Wolinsky) из Медицинской школы Университета Джонса Гопкинса.

В течение многих лет препятствием для изучения заболеваний мозга служило отсутствие способов исследования живого мозга. То немногое, что было известно о таких болезнях, явилось результатом посмертных исследований. Открытие рентгеновских лучей в конце XIX в. позволило ученым заглянуть в живой мозг. Теперь есть возможность обнаруживать грубые структурные разрушения, касающиеся желудочков головного мозга, при помощи пневмоэнцефалографии, т.е. рентгенологической методики, при которой жидкость, окружающая мозг и наполняющая его желудочки, замещается воздухом, что позволяет получить картину их формы. При другом методе — церебральной ангиографии - в кровь вводят рентгеноконтрастное вещество и это дает возможность видеть на рентгенограмме патологическое смещение кровеносных сосудов мозга. Обычное рентгенологическое исследование при всей своей ценности страдает одним крупным недостатком: на проявленной пленке рентгенографические проекции патологически измененных областей могут наложиться на проекции нормальных структур, из-за чего трудно или даже невозможно отличить их друг от друга. Это особенно дает себя знать при одинаковой проницаемости соседних структур для рентгеновских лучей, как, например, в случае опухоли, окруженной нормальной тканью такой же плотности.

Создание метода компьютерной аксиальной томографии (КATI позволило преодолеть этот недостаток. КАТ-сканирование - это особая методика, при которой сопоставляются многочисленные рентгеновские снимки, сделанные под разными углами, с целью получения изображения внутренней структуры головного мозга в поперечном сечении. Такое сканирование выявляет увеличение или атрофию нормальных структур и любые патологические образования.

В середине нашего столетия возникли электрические методики, ставшие важными инструментами исследования мозга. Сообщения, получаемые мозгом от органов чувств, директивы, которые он им посылает, и сообщения между миллиардами нейронов в самом мозгу — все они передаются с помощью электрических сигналов. Электрические поля у поверхности мозга улавливаются и усиливаются электроэнцефалографом. Это позволяет определить специфическую локализацию источников нарушения электрической активности.

В течение последних двух десятилетий изучение функции мозга распространилось на химические процессы. Как мозг использует энергию, можно исследовать, измеряя кровоток и использование кислорода из глюкозы. Благодаря недавним работам Н. Лассена (N. Lassen) из Клиники Биспебьерга в Копенгагене и Д. Ингвара (D. Ingvar) из Копенгагенского университета появилась возможность наблюдать на рентгеновском экране, как при таких специфических видах умственной деятельности, как чтение вслух или чтение про себя, быстро меняется кровообращение в разных участках мозга. Л. Соколов (L. Sokoloff) с сотрудниками из Национального института охраны психического здоровья разработали приемы для количественной оценки метаболизма глюкозы в любой точке мозга. Поскольку функциональная активность тесно связана с интенсивностью кровотока и использованием глюкозы, такие методики служат средством для картирования живого мозга в отношении функционирования его компонентов.

На уровне нейрона мозговые расстройства могут возникнуть из-за аномальных химических процессов, действующих в синапсах между нейронами. Нарушения синтеза, высвобождения или инактивации определенного химического медиатора или нарушения чувствительности пост-синаптических рецепторов медиатора могут привести к дисфункции синапса. Такая дисфункция необязательно сопровождается морфологическими изменениями на макро- или микроуровне. Разработанные недавно гистофлуоресцентные и иммунофлуоресцентные методики, т. е. по существу методы окрашивания на специфические медиаторы или ферменты, позволяют обнаруживать и измерять действие медиатора на отдельные нейроны. Новые химические методики с применением радиоактивных изотопов дают возможность определять число и чувствительность постсинаптических рецепторов, а мощными аналитическими приемами можно исследовать жидкость в головном мозгу, спинномозговую жидкость, кровь и мочу на присутствие ничтожных следов медиаторов и их метаболитов.

Для успешного протекания таких сложных психических процессов, как восприятие, мышление, суждение и эмоции, необходимы идеально настроенные и бесперебойно функционирующие синапсы. Поскольку при психических заболеваниях такие процессы часто нарушаются, расширение представлений об этих процессах должно помочь раскрыть тайны нарушений психики. Лишь недавно эти новые способы изучения химизма синапса были применены в случаях психических заболеваний — шизофрении и маниакально-депрессивного психоза. Мне представляется вполне возможным, что эти орудия исследования будут для психиатрии тем, чем старые методики были для невропатологии.

Патологические процессы вызываются в мозгу большим разнообразием близких и отдаленных причин, которые часто делят на генетические факторы и факторы внешней среды. Поскольку всякое свойство живого организма в конечном счете определяется сложным взаимодействием генетических влияний и влияний внешней среды, попытка расчленить их может показаться бесплодной. Но все же есть возможность их дифференцировать, если проследить, каков вклад каждого из этих влияний в изменчивость данного конкретного признака. Например, способность к речи требует высокоразвитого механизма в головном мозгу, механизма, который совершенно очевидно зависит от генетических процессов. Но тот конкретный язык, на котором говорит человек, не обусловлен генетически, а почти полностью определяется фактором среды — принадлежностью к той или иной культуре и т.п. С другой стороны, существуют генетические дефекты головного мозга, которые выявляются только в условиях специфического питания. Если эти условия повсеместны, то отличие аномального индивидуума от нормального будет полностью обусловлено генетическим фактором; поэтому такое нарушение относят к генетическим болезням. Разумеется, большинство человеческих свойств не поддается классификации с такой легкостью. По-видимому, они оказываются где-то между двумя крайними точками.

Гены определяют последовательности аминокислот, образующих белки. Именно эти белковые молекулы, синтезируемые в особых местах и в особое время, служат структурными компонентами и ферментативными катализаторами, которые обусловливают развитие и работу мозга. Известно, что многие нарушения в центральной нервной системе, в особенности те, которые проявляются умственной отсталостью, обусловлены генетически. Например, фенилкетонурия и галактоземия вызываются генетически обусловленной недостаточностью определенных ферментов. При той и другой болезни из-за дефицита определенного фермента становятся токсичными некоторые компоненты обычной пищи. У ребенка с фенилкетонурией отсутствует фермент - фенилаланингидроксилаза, - который обеспечивает дальнейший метаболизм фенилаланина. В результате эта незаменимая аминокислота в избытке накапливается в крови и тканях, что нарушает развитие и работу мозга.

При галактоземии новорожденный ребенок кажется нормальным, но через несколько дней или недель кормления молоком у него появляются анорексия и рвота, он начинает отставать в весе и погибает от истощения. Дети, выжившие без лечения, остаются карликами и умственно отсталыми. Галактоземия вызывается отсутствием фермента, необходимого для дальнейшего метаболизма сахара галактозы, который поэтому в избытке накапливается в организме. Вредные последствия этих болезней можно устранить внешним воздействием, а именно исключением из рациона ребенка (по крайней мере в раннем детстве, в период интенсивного роста и развития головного мозга) того вещества, метаболизм которого в организме нарушен (фенилаланина или галактозы).

Больший процент самоубийств установлен среди биологических родственников тех приемных детей, которые страдали депрессией, по сравнению с числом самоубийств среди их приемных родственников и родственников приемных детей контрольной группы, не страдавших психическим заболеванием, что заставляет предполагать в основе этих самоубийств генетический фактор. На каждом графике показано число родственников-самоубийц по отношению к общему числу родственников. Данные взяты из работы, проведенной автором и Д. Розенталем (D. Rosenthal) из Национального института охраны психического здоровья. Ф. Шульзингером (F. Schulsinger) из Копенгагенского университета и П. Уэндером (P. Wender) из Университета Юты.

Некоторые генетически обусловленные болезни сцеплены с полом. Синдром Леша-Нихана, характеризующийся бесцельными и неуправляемыми движениями, умственной отсталостью и психотическим поведением («самоповреждение»), возникает из-за отсутствия определенного фермента, что в свою очередь обусловлено отсутствием или дефектом гена в Х-хромосоме. Этот синдром встречается только у мужчин, у которых всего одна Х-хромосома. У женщин, у которых имеется две Х-хромосомы, отсутствие или дефект гена в одной из них компенсируется нормальным геном другой.

Мозговые расстройства возникают не только от недостатка генетического материала, но и от его избытка. Наличие добавочной Х- или Y-хромосомы сопровождается синдромами незначительных нарушение интеллекта и личности. При синдроме Дауна, который наблюдается у одного из каждых 700 новорожденных, имеется лишняя хромосома 21. Такие дети отстают в развитии — как физическом, так и умственном.

Генетические болезни не всегда обнаруживаются при рождении. Например, симптомы хореи Гентингтона, а именно неконтролируемые движения и снижение интеллекта, появляются впервые в возрасте 30—50 лет. Эта болезнь, которая наследуется как доминантный генетический признак, связана с резко выраженной атрофией мозолистого тела и дегенерацией нейронов в хвостатом ядре и других глубоких ядрах, а также в лобной коре больших полушарий.

В 1968 г. Л. Полинг (L. Pauling) предположил, что существуют генетически обусловленные индивидуальные различия в потребности в витаминах. Он полагал, что эти различия связаны с заболеваниями центральной нервной системы, включая головной мозг. Примерами, свидетельствующими в пользу этой гипотезы, служат некоторые редкие неврологические синдромы у детей, при которых генетически обусловленная неспособность усваивать или перерабатывать определенный витамин создает тяжелую витаминную недостаточность, которая неблагоприятно сказывается на функции центральной нервной системы. Возникающие патологические синдромы успешно излечиваются большими дозами соответствующего витамина. Полинг предположил подобный механизм в основе шизофрении, однако повышенная потребность в том или ином витамине при шизофрении не доказана.

Психозы, в том числе шизофрения и аффективные расстройства, встречаются значительно чаще упомянутых выше заболеваний. В этих психозах главную роль, по-видимому, играют генетические факторы, хотя их биологические последствия еще не определены, в отличие от того, как это сделано для многих других заболеваний мозга. С тех самых пор, как около 100 лет назад были впервые описаны шизофрения и маниакально-депрессивный психоз, известно, что они носят характер семейных болезней. Около 10% родственников больного тоже страдают этим заболеванием. Поэтому такие болезни часто считали наследственными.

Однако членов одной семьи объединяют не только генетические влияния, но и общие влияния среды, и поэтому семейный характер заболевания еще мало говорит о его этиологии. Пеллагра - болезнь, обусловленная витаминной недостаточностью, которая в первые десятилетия нашего века была причиной 10% психических заболеваний в США, тоже поражает целые семьи, и поэтому одно время считалась наследственной. В 1915 г. Дж. Голдбергер (J. Goldberger) из Службы здравоохранения США показал, что главной причиной пеллагры является острый недостаток в пище ниацина - витамина группы В. Поскольку члены одной семьи обычно едят одинаковую пищу, болезнь носит семейный характер. При помощи соответствующего питания пеллагру удалось почти полностью искоренить.

Доказательство генетической этиологии шизофрении и маниакально-депрессивного психоза получено при исследовании частоты данных заболеваний у однояйцовых и разнояйцевых близнецов (у первых все гены одинаковые, а у вторых одинаковы около половины генов). У однояйцовых обе болезни дают большой процент совпадения (конкордантность около 50%), тогда как у разнояйцевых он такой же, как вообще у потомков (около 10%). Работы последних лет сосредоточены на изучении приемных детей, генетическую конструкцию которых можно выяснить обследованием кровных («биологических») родственников, а влияние среды — обследованием их «приемных» родственников.

Такие исследования показали, что и шизофрения и маниакально-депрессивный психоз чаще встречались в биологических, а не в приемных семьях. Частота психических нарушений среди приемных, родственников больного ребенка оказалась такой же, как в общей популяции. Этот факт наряду с более высокой конкордантностью по этим заболеваниям у однояйцовых близнецов свидетельствует о роли генетических факторов в этиологии шизофрении и маниакально-депрессивного психоза, хотя и не исключает возможной роли факторов среды. Поскольку выражение гена осуществляется только через биохимические механизмы, значение генетических факторов в этиологии психических болезней является неопровержимым доказательством роли биохимических субстратов, хотя эти субстраты точно не идентифицированы.

Изучение биологических и приемных семей выявило важную роль генетического фактора при хроническом алкоголизме, при котором фактор среды, а именно алкоголь, играет очевидную роль, а также при самоубийствах, при которых несомненно играют роль разнообразные внешние влияния. Генетическими факторами таких заболеваний может объясняться то обстоятельство, что не каждый, кому случается пить спиртные напитки, становится алкоголиком, и что только немногие из людей, попавших во внешне безвыходные положения, кончают с собой.

Поскольку все негенетические этиологические факторы должны представлять собой факторы внешней среды, эта последняя категория охватывает широкий диапазон влияний, различных по качеству, силе и тем периодам жизни индивидуума, когда они проявляются. Такие факторы впервые начинают действовать в период внутриутробного развития. В сложных превращениях оплодотворенного яйца в новорожденного ребенка действуют химические и физические процессы, благодаря которым реализуется генетическая программа. Все виды недостаточности и нарушений внешней среды могут помешать этой реализации и нарушить нормальное развитие центральной нервной системы.

Электроэнцефалограмма больного эпилепсией (цветная): видна нормальная электрическая активность головного мозга до припадка, начало которого приблизительно соответствует средней точке цветных кривых. Их первая половина схожа с электроэнцефалограммой человека, не страдающего эпилепсией (черная). Каждая кривая является выражением того, как меняется во времени потенциал между двумя участками головы (обозначенными двумя буквами, которые соответствуют участкам на схеме). Под кривыми дана калибровка, на которой горизонтальная линия соответствует 1 секунде, а вертикальная - 200 микровольтам. Кривые зарегистрированы Р. Янгом (R. Young) из Гарвардской медицинской школы.

Многие формы церебрального паралича и умственной отсталости возникают как результат нарушений факторов среды, окружающей плод, или процесса родов. Если в первые три месяца беременности плоду передается от матери краснуха, это может привести к умственной отсталости и, возможно, к детскому аутизму. Если в мозг плода проникает цитомегаловирус, который широко распространен у взрослых и обычно безвреден, то у плода это может привести к глухоте и снижению интеллекта. Ядерная желтуха - желтуха плода, причиной которой является его несовместимость с матерью по резус-фактору, может привести к потере слуха, церебральному параличу и умственной отсталости, хотя благодаря диагностическим и профилактическим мерам частота таких осложнений резко снизилась. Установлено, что гормональные нарушения у матери и воздействие некоторых медикаментов и других посторонних веществ вызывают аномалии развития у плода. Весьма вероятно также, что недоедание или приверженность матери к алкоголю или наркотикам нарушает нормальное развитие мозга у плода.

Серьезной причиной заболеваний мозга в разные периоды жизни служат бактериальные инфекции, хотя борьба с инфекциями посредством антибиотиков позволила почти полностью искоренить многие тяжелые болезни, например общий паралич и острый психоз как осложнения сифилиса, а также менингит, или воспаление мозговых оболочек (часто со смертельным исходом) как последствие туберкулеза и других бактериальных инфекций.

Вирусные инфекции не излечиваются столь эффективно, как бактериальные, и иногда такие вирусные болезни, как корь, свинка, грипп и герпес, сопровождаются острым энцефалитом, часто со смертельным исходом. Полиомиелит - вирусное поражение мотонейронов - почти полностью ликвидирован благодаря созданию эффективных вакцин. Эпидемия гриппа, охвативная весь мир в 1918 г., оставила после себя несметное число людей, у которых постепенно развилась болезнь Паркинсона, характеризующаяся тяжелым нарушением регуляции движений. Данный штамм вируса гриппа «предпочитал» экстрапирамидную систему мозга. По-видимому, это первый зарегистрированный пример вирусной инфекции нервной системы, которая пребывала в латентном состоянии в течение нескольких лет, прежде чем оказала свое разрушительное действие.

В последнее время удалось выявить в этиологии некоторых других болезней латентные или медленно развивающиеся вирусные инфекции нервной системы. Примером служит куру - медленно развивающееся неврологическое заболевание, распространенное только среди небольшого племени в Новой Гвинее. Эта болезнь носит семейный характер, и потому ей приписывали генетическую природу, пока Д. Гайдушек (D. Gajdusek) не установил его вирусную этиологию.

Болезнь Крейцфельдта-Якоба - редко встречающаяся деменция (слабоумие) в среднем возрасте - еще одно медленно прогрессирующее вирусное заболевание. Болезнь Альцгеймера - более распространенный тип старческого слабоумия - сходна с болезнью Крейцфельдта-Якоба по многим клиническим проявлениям. Несколько лабораторий занимаются проверкой предположения о вирусной этиологии болезни Альцгеймера. Вирус герпеса и цитомегаловирус служат примерами еще двух вирусов, которые могут годами находиться в организме в латентном состоянии, а затем проявиться неврологическими или психическими симптомами. Есть данные о вирусной природе некоторых форм шизофрении.

История психиатрии и невропатологии знает много случаев заболеваний мозга, вызванных разного рода токсинами. Сумасшедший Шляпник был не просто плодом воображения Льюиса Кэрролла, а введенной в повествование жертвой профессионального заболевания, распространенного в XVIII и XIX веках. Шляпники, подвергаясь ежедневно действию ртути, применяемой при изготовлении войлока, нередко страдали токсическим психозом. Известно, что и другие тяжелые металлы разрушают нервную систему. Марганец вызывает одну из форм паркинсонизма, а свинец разрушает периферические нервы и головной мозг. Свинцовое отравление у детей (главным образом, от заглатывания изготовленной на свинце краски) может привести к нарушению поведения и утрате способности к обучению.

В средние века хлеб из ржаной муки, зараженной спорыньей, вызывал «эпидемии сумасшествия». Как теперь известно, это паразитическое растение содержит несколько алкалоидов, которые оказывают огромное влияние на нервную систему. Синтетическим производным одного из них является сильно действующий галлюциноген LSD.

Кроме экзогенных ядов и лекарственных средств токсичными для мозга могут быть эндогенные вещества, которые вырабатываются в самом организме при тех или иных заболеваниях. Нелеченный диабет и тяжелая или смертельная почечная или печеночная недостаточность нередко сопровождаются появлением в организме токсичных веществ, которые вызывают спутанность сознания, бред и, в конце концов, кому. Порфирия представляет собой редкое расстройство обмена генетического происхождения, при котором образование порфирина нарушает умственную деятельность. Сумасшествие короля Георга III объясняют порфирией.

Хотя процессы иммунитета служат для защиты организма от инфекции, иммунная реакция иногда искажается, что приводит к различным расстройствам, в которые иногда вовлекается мозг. Самыми распространенными заболеваниями такого рода являются астма и сенная лихорадка. Такие болезни, как ревматический артрит, красная волчанка и другие коллагенозы также связаны с патологической иммунной реакцией, направленной против собственных нормальных тканей. Окончательно установлено, что такой аутоиммунный процесс лежит в основе myasthenia gravis - тяжелого нервно-мышечного расстройства, которое характеризуется приступами утомления и слабости мышц. Болезнь поражает нервно-мышечные соединения, где выделяется медиатор ацетилхолин, который действует на рецепторы мышечных клеток, запуская сокращение. Последние данные показывают, что при этой болезни аутоиммунный процесс нарушает функцию рецепторов и снижает эффективность нервно-мышечного соединения. Возможно, что причиной рассеянного склероза тоже является аутоиммунный процесс. Данные в пользу этого получены в лабораторном эксперименте на модели аутоиммунного заболевания, названного экспериментальным аллергическим энцефаломиелитом, который напоминает рассеянный склероз.

Наиболее распространенные болезни мозга связаны с недостаточным кровоснабжением. Потребность головного мозга в энергии — одна из самых высоких в организме. Мозгу требуется одна пятая всего объема крови, выбрасываемой сердцем, и одна пятая кислорода, потребляемого организмом в покое. Хотя известны и врожденные аномалии сосудов головного мозга, чаще всего встречается их атеросклеротическое поражение. Атеросклероз поражает не только сосуды мозга, но и сердца, почек и конечностей. Атеросклероз приводит к сужению просвета, а иногда к тромбозу сосуда, что создает постепенное или внезапное сокращение кровоснабжения какой-либо области мозга, нарушая ее функцию. Возможен также разрыв пораженного сосуда и кровоизлияние в ткань мозга. Симптомы тромбоза или кровоизлияния бывают весьма разнообразными в зависимости от того, какие области мозга поражены и какие процессы затронуты. Некоторые симптомы кровоизлияния являются результатом повышения внутричерепного давления, которое нарушает кровоток, смещает отделы мозга и искажает его архитектонику. Такое же действие могут оказывать опухоли и травмы головы.

Эпилепсия, характеризующаяся одновременной ритмической импульсацией большого числа нейронов, представляет собой нервно-психическое заболевание, этиология которого остается пока неясной. Один из видов эпилепсии возникает в результате формирования на поверхности мозга рубца, как следствия травмы или инфекции. Рубцовая ткань служит очагом патологической электрической активности, которая распространяется по обширной области соседних нормальных нейронов. Однако в большинстве случаев эпилепсии никаких рубцов или других повреждений не обнаруживается. Для этих случаев накапливается все больше данных о химической природе дефекта, который касается одного или нескольких медиаторов, в частности ГАМК, - главного тормозного медиатора в центральной нервной системе.

Что касается наиболее часто встречающихся психозов — шизофрении и маниакально-депрессивного психоза, - то их этиология еще не выяснена. В тяжелой классической форме они могут быть сходны с органическими поражениями мозга. Отдельные симптомы или весь синдром психического заболевания иногда обнаруживается на ранних стадиях хорошо известной нервной болезни - хореи Гентингтона.

Полиомиелит - вирусная инфекция мотонейронов - почти ликвидирован благодаря созданию специфических вакцин. А. На электронной микрофотографии показана нормальная клетка из переднего рога спинного мозга макака-резуса; для нее характерны крупные тельца Ниссля в цитоплазме, центральное положение ядра и диффузно рассеянный в нем хроматин. Б. Необратимо поврежденная клетка из спинного мозга обезьяны на поздней стадии полиомиелита. Микрофотографии получены Д. Бодиеном (D. Bodian) из Медицинской школы Джонса Гопкинса.

О химической природе психических болезней яснее всего говорят упомянутые мною исследования, которые выявили значение генетических факторов в этиологии психозов. Биохимические процессы, лежащие в основе выражения соответствующих генов, точно не установлены, хотя имеются определенные сведения о том, что они протекают на уровне некоторых синапсов головного мозга. Фармакологические препараты,действующие на мозг, способны смягчить симптомы депрессии и шизофрении, но могут также и вызвать их. Такие препараты оказывают специфическое действие на синаптические процессы. Препараты, которые удаляют из синапсов определенные медиаторы (дофамин, норадреналин и серотонин), вызывают депрессию, тогда как все препараты, применяемые для лечения клинической депрессии, обычно повышают содержание этих медиаторов или усиливают их действие. Гипотеза, согласно которой некоторые формы депрессии возникают вследствие недостатка этих медиаторов или других, взаимодействующих с ними, представляется вероятной, и в ее пользу говорят исследования метаболитов в моче и спинномозговой жидкости.

Кроме того, известно, что все медикаменты, снимающие симптомы шизофрении, ослабляют активность дофаминовых синапсов; тогда как фенамин, который вызывает токсический психоз, очень близкий к шизофрении, повышает уровень дофамина в этих синапсах. Прямых доказательств избыточного содержания дофамина в мозгу больных шизофренией у нас нет; вполне возможно, что существуют другие факторы, дающие такой же эффект, как избыток дофамина; таким фактором могла бы быть чрезмерная чувствительность дофаминовых рецепторов или недостаточная активность другого медиатора, который в норме противодействует дофамину. Все это необходимо еще исследовать.

В этиологии психических заболеваний важную роль безусловно играют психологические и социальные факторы. Нет сомнения в том, что такие влияния изменяют проявления, тяжесть, длительность и течение этих болезней и во многих случаях вызывают их. Выдвинуто несколько вероятных гипотез относительно возможного взаимодействия между факторами среды и биологическим предрасположением к психической болезни. К внешним влияниям, которые играют некоторую этиологическую роль в психических заболеваниях, относятся, помимо психологических факторов, физиологические сдвиги в предродовом периоде и при родах, инфекции и некоторые токсины. Такие влияния имеют разное социальное распределение. Они чаще наблюдаются у представителей бедных слоев общества в связи со скученностью, плохими гигиеническими условиями и недостаточной медицинской помощью. Известно, что среди бедняков, живущих в больших городах, шизофрения встречается вдвое чаще, чем в общей популяции.

Успешное лечение или предупреждение того или иного заболевания мозга во многом определяется тем, что о нем известно. Симптомы опухоли, или атеросклероза кровеносных сосудов, можно иногда смягчить паллиативными воздействиями, но более специфическое лечение или профилактика болезни требует понимания механизмов, лежащих в ее основе. Болезнь Паркинсона, проявления которой делают инвалидами около 50000 американцев в год, может служить хорошим примером того, как знание нейробиологических процессов, вызывающих определенную болезнь, дает возможность создать успешный метод ее лечения. В прежние времена это прогрессирующее хроническое заболевание означало для его жертв смерть или тяжелую инвалидность. Болезнь начинается с непроизвольной дрожи в руках. Атаксичесхий тремор распространяется на все конечности, шею и челюсть. Спина деревенеет, мышцы становятся ригидными, походка странной, шаркающей. На терминальных стадиях больной прикован к постели.

В работе А. Карлсона (A. Carlson) из Гетеборгского университета и О. Хорникевича (О. Hornykiewicz) из Венского университета обнаружено, что причина этой болезни лежит в прогрессирующем разрушении нейронных связей, для которых характерен медиатор дофамин. Следствием этого, как было установлено, является нехватка дофамина в синапсах проводящих путей полосатого тела, - структуры, которая лежит близ середины мозга и модулирует движение.

Эти сведения позволили исследователям разработать эффективное лечение. Было известно, что, хотя сам дофамин не проникает через гематоэнцефалический барьер, для его химического предшественника L-ДОФА этот барьер проходим. Препарат L-ДОФА после приема внутрь (через рот) попадает из кишечника в кровоток и достигает головного мозга, где захватывается и преобразуется в дофамин. При клинических испытаниях больших доз L-ДОФА Дж. Котциас (G. Cotzias) из Национальной лаборатории в Брукхевене установил выраженное смягчение симптомов болезни. Терапевтические дозы L-ДОФА довольно высоки (до 8000 мг в день), что вызывает возникновение многочисленных побочных эффектов. Недавно разработаны модифицированные формы лечения, которые не дают серьезных осложнений.

Эффективная терапия болезни Паркинсона - одна из самых крупных побед медицины, основанных на фундаментальных исследованиях в области биохимии и нейробиологии. Но даже до того, как становится понятным механизм заболевания мозга, иногда случайно удается открыть способ его эффективного лечения. Так было с антидепрессантами и антипсихотическими лекарственными препаратами, которыми ознаменовалось развитие психофармакологии и которые произвели революцию в психиатрии. Понимание того, как эти препараты действуют на химические синапсы, облегчает создание более эффективных лекарственных средств с меньшим побочным действием. Эпилепсия, причины и механизмы которой еще неизвестны, успешно лечится дилантином — препаратом, который был открыт в результате систематического поиска с применением электрофизиологических методик.

По мере того как в процессе тщательных исследований и накопления фундаментальных знаний растет понимание конкретных болезней, создаются новые способы их лечения и в конце концов методы их предупреждения. Так произошло с такими инфекционными заболеваниями мозга, как полиомиелит, менингит и некоторые виды энцефалита, когда установление этиологического агента сделало возможными профилактическую вакцинацию и терапию, антибиотиками. Еще раньше так было с пеллагрой. Есть основания надеяться, что то же самое произойдет с теми болезнями мозга, которые пока еще окутаны тайной.

Ф. КРИК

Мысли о мозге

Раздумывая о себе самом, человеческий мозг открыл некоторые поразительные факты. Чтобы понять, как он работает, очевидно, нужны новые методики его исследования и новая система понятий

В предыдущих статьях этого издания читатель, вероятно, видел, как мозг изучается на многих уровнях — от молекул в его синапсах до сложных форм поведения — и путем различных подходов — химического, анатомического, физиологического, эмбриологического и психологического - к нервной системе разнообразных животных, от примитивных беспозвоночных до самого человека. И все же читатель, вероятно, заметил также, что, несмотря на непрерывное накопление детальных сведений, то, как работает человеческий мозг, по-прежнему окутано глубокой тайной. Издатели "Scientific American" попросили меня как новичка в нейрофизиологии сделать некоторые общие замечания о том, как воспринимает эту проблему сравнительно посторонний наблюдатель. Я интересуюсь нейробиологией более 30 лет, но только последние года два пытаюсь заняться ею серьезно.

Зрительная кора ночной обезьяны служит примером того, как кора больших полушарий образует «карту» из областей, геометрически связанных с их функциями. В коре этого животного левое полушарие состоит из девяти областей, которые представляют собой организованные в соответствующем порядке карты поля зрения обезьяны (и трех областей, которые отвечают на стимулы, лежащие в поле зрения, но, по-видимому, не воспроизводят его в определенном порядке). А. На весьма схематичном изображении зрительная кора, занимающая заднюю треть коры больших полушарий, развернута таким образом, что ее можно видеть сверху. Геометрические отношения между полем зрения и разными участками зрительной коры были установлены в электрофизиологических опытах, где посредством микроэлектродов, введенных в зрительную кору, регистрировали ответы небольших групп нейронов на стимулы, предъявляемые в определенных участках поля зрения. Б. Здесь показана правая половина поля зрения. Квадратами обозначен ее горизонтальный меридиан, кружками — вертикальный, а треугольниками - крайняя периферия поля. Эти символы наложены на те участки мозга, которые реагируют на части поля, представленные символами. Девять организованных зрительных областей следующие: первая зрительная (Зр 1), вторая зрительная (Зр 2), дорсолатеральный серп (ДЛ), медиальная височная (MB), дорсальная промежуточная (ДП), дорсомедиальная (ДМ), медиальная (М), задняя вентральная (3В), передняя вентральная (ПВ). Три, по-видимому, неорганизованные зрительные области следующие: задняя теменная (ЗТ), височно-теменная (ВТ) и нижнетеменная (НТ). Плюсы обозначают верхнюю часть поля зрения, минусы - нижнюю часть. В. На дорсолатеральной поверхности мозга показано положение левого полушария и зрительных областей в нем. Картирование коры ночной обезьяны произвел Дж. Олмен (J. Allman) из Калифорнийского технологического института и И. Каас (J. Kaas) из Университета Вандербильта.

Приступая к новой дисциплине, полезно попытаться отделить те вопросы, которые хотя еще далеко не разгаданы, но по крайней мере могут, по-видимому, быть изучены тем или иным обычным способом, - от таких, для которых в настоящее время даже в общих чертах не предвидится готового объяснения. (Именно такой анализ привел нас с Дж. Уотсоном к поискам структуры ДНК.) К первой категории я бы отнес такие вопросы, как химическая и электрическая природа нейронов и синапсов, привыкание и сенситизация одиночных нейронов, действие медикаментов на нервную систему и т. д. Собственно говоря, я включил бы сюда почти всю нейроанатомию, нейрофармакологию и значительную часть нейрофизиологии. Даже развитие мозга не представляется мне по существу таинственным, несмотря на то что мы ничего не знаем о тех конкретных процессах, которые протекают в развивающемся эмбрионе.

В то же время некоторые функции человека, как мне кажется, недоступны пониманию на современном уровне наших знаний. Мы чувствуем, что есть нечто трудно объяснимое, но мы почти не в состоянии ясно и четко выразить, в чем состоит трудность. Это наводит на мысль, что весь наш способ мышления о таких проблемах, возможно, ошибочен. Из таких проблем я бы выдвинул на передний план восприятие, хотя другие, может быть, заменили бы его пониманием, воображением, волей или эмоциями. Все они имеют то общее, что составляет часть нашего субъективного опыта и что в них, вероятно, принимает участие множество сложно взаимодействующих нейронов.

Для того чтобы постичь эти высшие уровни нервной деятельности, очевидно хорошо было бы узнать как можно больше о более низких уровнях, особенно тех, которые доступны прямому эксперименту. Но само по себе такое знание еще недостаточно. Представляется несомненным, что мы должны рассмотреть теории, которые касаются непосредственно переработки информации в больших и сложных системах, будь то информация, поступающая от органов чувств, или инструкции, посылаемые мышцам и железам, или же поток информации, содержащийся в обширной нервной активности между этими двумя крайними членами.

Причина, по которой я выдвигаю на первый план восприятие и, в частности, зрительное восприятие, состоит в том, что, как ясно показывают Д. Хьюбел и Т. Визель (см. «Центральные механизмы зрения»), оно более доступно прямому эксперименту. Кроме того, наш внутренний образ внешнего мира и точен и ярок, что неудивительно, поскольку человек относится к животным, у которых зрение особенно хорошо развито. Чувство обоняния у человека, напротив, гораздо более смутное. Любопытно, что во многом зрительный образ строится способами, требующими от нас лишь незначительных усилий. Когда мы пытаемся думать об истинно трудных задачах, мы обычно выбираем что-нибудь вроде шахмат или математики, или изучения иностранного языка. Мало кто осознает, каким поразительным достижением является сама по себе способность видеть. Главный вклад в сравнительно новую область искусственного интеллекта состоял не столько в решении проблем обработки информации, сколько в том, чтобы показать, как невероятно трудны эти проблемы. Когда задумаешься над тем, какие расчеты должны быть произведены для опознания даже такой обычной картины, как человек, переходящий улицу, то поражаешься тому, что такое необыкновенное число последовательных детальных операций может быть осуществлено без всякого усилия за такое короткое время.

Создание более крупных, более быстрых и более дешевых компьютеров - достижение, еще далекое от конечной цели, - дало нам некоторое представление о том, чего можно достичь быстрым вычислением. К сожалению, аналогия между компьютером и мозгом хотя и полезна в некоторых отношениях, но может и ввести в заблуждение. В компьютере информация обрабатывается при быстром темпе импульсов и последовательно. В мозгу темп гораздо медленнее, но информация может быть обработана параллельно в миллионах каналов. Детали современной вычислительной машины очень надежны, но исключение одной или двух из них может нарушить все вычисление. По сравнению с ними нейроны мозга несколько ненадежны, но порча даже немалого их числа вряд ли приведет к сколько-нибудь заметному изменению поведения. Компьютер работает по строго двоичному коду, мозг же пользуется менее точными способами сигнализации. Зато он, по-видимому, приспосабливает сложными и тонкими приемами число и эффективность своих синапсов к тому, чтобы его операции соответствовали прошлому опыту. Поэтому не удивительно, что, хотя компьютер точно и быстро производит длинные и запутанные арифметические вычисления — в чем человек довольно слаб, - человек способен опознавать изображения такими приемами, к которым ни один из современных компьютеров еще и не начал приближаться.

Было бы не слишком удивительно, если бы орудием теоретического подхода к таким проблемам оказалась теория информации. Пока что применение ее к зрительному восприятию ограничивалось главным образом ранними этапами зрительного пути. Так, например, для объяснения того, как информация, посылаемая по ограниченному каналу (такому, как зрительный нерв), может в принципе быть представлена более подробно в зрительной коре головного мозга, из области обработки информации были взяты теорема отсчетов и метод пересечения нуля (по Логану). Кроме того, Д. Марр (D. Магг) из Массачусетского технологического института схематически представил ход вычислительных операций, какие должен выполнить мозг, чтобы мы видели предметы так, как мы это делаем. Это дало нам представление о сложности проблемы, но пока что не привело к сколько-нибудь значительному выяснению действующих механизмов. В частности, до сих пор мы не располагаем каким-либо описанием сознательного восприятия, которое осветило бы наш непосредственный опыт такого восприятия. Как можно полагать, такие феномены основаны на том, что пути вычислений действуют каким-то образом сами на себя, но как именно это происходит, неизвестно. Поскольку эта центральная проблема ускользает от решения, нам остается только обратиться к более локальным и частным вопросам в надежде, что, трудясь над их решением, мы натолкнемся на правильный подход к более сложным глобальным проблемам.

Какой, в общем смысле, аппарат дает мозгу возможность выполнять свою замечательную деятельность? Число компонентов (нейронов) в мозгу составляет, вероятно, около 10¹¹. Число синапсов, или контактов между нейронами, равно, возможно, 10¹⁵. В среднем на каждом нейроне имеется несколько тысяч отдельных входов, и он сам посылает связи ко многим другим нейронам. Физическое распределение большинства компонентов не особенно отчетливое. Дендриты, или короткие волокна, соседних нейронов сложно переплетены, хотя обычно они не соприкасаются друг с другом. Между дендритами ветвятся аксоны, или длинные волокна нейронов; многие из них часто обладают тысячами контактов. Монтажная схема таких волокон, если бы возможно было ее создать, разумеется, была бы весьма запутанной.

Как пробираться через эти немыслимые джунгли? Традиционный способ состоит в том, что удаляют части мозга и смотрят, как меняется поведение. Это можно проделать на экспериментальных животных, хотя лишь немногие операции достигают желаемой точности. Над людьми такие «опыты» вопреки нашему желанию совершают инсульты, опухоли и травмы, но в этих случаях трудно точно определить характер и степень повреждения. Тем не менее такие «опыты» принесли много ценных сведений. Возникают два важных вывода. Первый состоит в том, что разные области мозга выполняют разную работу. Нарушения деятельности мозга вследствие повреждения одной области часто совсем иные, чем нарушения, возникающие при повреждении другой. Второе заключение несколько неожиданно. Некоторые опыты показывают, что мозг перерабатывает информацию способами, совершенно отличными от тех, какие можно было бы предполагать. Такие процессы, как узнавание букв и узнавание цифр, которые, казалось бы, должны протекать в одном и том же месте, по-видимому, осуществляются в разных местах. Справедливо и обратное: некоторые процессы, представляющиеся раздельными, нарушаются при повреждении одной и той же области.

Это приводит нас к одному из самых серьезных предостережений, какое должен принять исследователь мозга. На всех уровнях нас вводит в заблуждение наша интроспекция. Это относится не только к сложным процессам, но и к процессам, которые представляются простыми. Человек, не размышлявший о таких вещах, возможно, полагает, что видит в деталях одновременно все части зримого мира. Хотя он и знает, что те предметы, на которые он смотрит «краем глаза», видны не очень четко, но не отдает себе отчета в том, насколько в действительности узко то окно ясного видения, через которое он создает себе большую часть картины внешнего мира. Поскольку движением глаз человек по желанию выделяет детали в любой части видимого мира, у него создается впечатление, что она «все время перед ним».

Быть может, наиболее яркой иллюстрацией сказанного служит наличие слепого пятна в каждом глазу. Далеко не все осознают его присутствие, хотя это легко доказать. Примечательно, что в нашем поле зрения мы не видим дыры. Происходит это отчасти потому, что у нас нет способов обнаружить ее края, а отчасти потому, что мозг заполняет дыру зрительной информацией, получаемой из ее ближайшего окружения. Наша способность к самообману по поводу работы собственного мозга почти безгранична, главным образом потому, что часть, о которой мы можем сообщить, составляет лишь ничтожную долю того, что происходит у нас в голове. Вот почему философия в значительной части бесплодна уже более 2000 лет и, вероятно, останется такой же, пока философы не научатся понимать язык переработки информации.

Это не значит, однако, что следует вовсе отказаться от изучения нашей умственной деятельности путем интроспекции, как это попытались сделать бихевиористы. Поступить так, значило бы устранить один из наиболее значительных атрибутов того, что мы стараемся изучить. Но факт тот, что никогда нельзя принимать на веру свидетельства интроспекции. Им следует давать объяснения иные, чем только те, которые дает она сама.

Основная проблема состоит в том, что почти всякий процесс, который можно изучать, наблюдая общее поведение (например, чтение), включает сложное взаимодействие многих областей мозга, каждая из которых перерабатывает информацию по-своему. Мы знаем только в самых общих чертах, как распознать и классифицировать эти разные области. Хотя наши сведения о том, как они взаимосвязаны, быстро расширяются, но ни качество, ни количество этих сведений еще далеко не достаточны. Кроме того, мы редко знаем, какую операцию производит каждая область, т.е. как соотносятся выходы с входами, а в некоторых случаях мы даже не имеем ни малейшего представления о том, что происходит.

В этом лежит главная причина того, почему по мерке строгой науки чистая психология довольно бесплодна. Это не значит, что она не может быть количественной. Одна ее отрасль, довольно забавно именуемая психофизикой, безусловно, использует количественный подход и притом часто разумно и с воображением. Основная трудность состоит в том, что психология пытается обращаться с мозгом, как с черным ящиком. Экспериментатор изучает входы и выходы и из полученных результатов старается вывести структуру и операции внутри ящика. Такой подход необязательно плох. Многие годы предмет генетики был черным ящиком. Она старалась, не без известного успеха, вывести структуру и функцию генетического материала из изучения результатов выведения животных и растений. И, действительно, немало хорошего в биологии создано методом черного ящика. Это возможно на любом уровне. Для предыдущего поколения биохимиков фермент был черным ящиком. В наше время многие энзимологи изучают структуру фермента с целью связать ее с его поведением. То, что для одного является черным ящиком, для другого составляет задачу исследования.

Трудность подхода, исходящего из принципа черного ящика, состоит в том, что если только ящик по сути своей не совсем прост, то скоро наступает стадия, когда наблюдаемые результаты одинаково хорошо объясняются несколькими соперничающими теориями. Попытки выбрать одну из них часто оказываются безуспешными, поскольку по мере проведения новых опытов выявляются все большие сложности. И если вопрос тем или иным способом должен быть решен, то здесь нет иного выбора, как постучаться внутрь ящика.

То, что мы знаем о мозге — как это здесь показано, - говорит нам о двух вещах. Мозг явно настолько сложен, что возможности предсказывать его поведение только на основании изучения его частей еще слишком далеки, чтобы стоило принимать их во внимание. Эта же сложность служит нам предостережением, что если применяемый чистой психологией подход по принципу черного ящика не потерпит поражения, то это будет для него большой удачей. Психология необходима. Что делает организм в действительности, мы можем узнать, только наблюдая его. Однако одна только психология скорее всего окажется бесплодной. Она должна сочетать изучение поведения с параллельным исследованием того, что происходит внутри мозга. Хорошим примером служит исследование Р. Сперри и его сотрудников из Калифорнийского технологического института, проведенное у больных с «расщепленным мозгом», у которых нарушены связи между двумя полушариями большого мозга. Другим примером является применение дезоксиглюкозы для введения метки в те участки мозга, в которых уровень активности выше среднего, когда подопытное животное выполняет какую-нибудь задачу. Таким образом, изучение нейроанатомии и нейрофизиологии может сочетаться с исследованиями поведения. Мы должны изучать и структуру, и функцию, но изучать их внутри черного ящика, а не только снаружи.

Новичок в таких вопросах бывает рад, когда, отпрянув в ужасе от сложностей нейроанатомии, он потом обнаруживает, что этот предмет в последнее время стал одним из самых захватывающих в нейробиологии. Это объясняется тем, что хотя, вообще говоря, схема соединений мозга очень запутанна, но работы последнего времени показали, что эти соединения гораздо более упорядоченны, чем можно было думать

всего несколько лет назад. Такой переворот произошел в значительной мере благодаря новым экспериментальным методикам, пришедшим из биохимии, в частности благодаря использованию аминокислот, меченных радиоактивными изотопами, и фермента пероксидазы хрена для прослеживания связей, а также благодаря использованию меченой дезоксиглюкозы для тех участков, где нейроны особенно активны. Кроме того, плодотворным оказалось применение специфических антител для «окраски» определенного класса нейронов. Есть надежда, что эффективная новая методика моноспецифических (моноклональных) антител, которую только начали применять, даст еще больше для классификации нейронов по типам, имеющим определенное значение, и для обнаружения их трехмерного распределения. Однако задачи эти столь грандиозны, что, как можно сказать с большой долей уверенности, без разработки еще и других новых методов движение вперед будет медленным. Резкий подъем молекулярной биологии оказался возможным благодаря продуманным поискам новых методов (например, методов быстрого определения последовательности оснований в ДНК).

Подобно нейроанатомии нейрофизиология неуклонно развивается, особенно с тех пор, как появилась возможность регистрировать импульсацию отдельных нейронов, а не групп клеток. Хорошим примером этого служит классическая работа Хьюбела и Визеля на зрительной коре. Однако можно предполагать, что и здесь нужно будет изменить темпы. В частности, возможно, понадобится отводить активность многих нейронов одновременно и независимо друг от друга, используя для этого новые возможности, какие дает нам микроэлектроника. Это позволило бы также более эффективно изучать ответы на более сложные комбинации стимулов, например ответ на две или три параллельные линии в поле зрения, а не только на одну.

Как в нейроанатомии, так и в нейрофизиологии накопление новой информации идет медленно по сравнению с общим ее количеством, содержащимся в системе. Поэтому важная роль теоретической нейробиологии состоит не просто в попытках создать правильные и детальные теории нервных процессов (что может оказаться очень трудной задачей), но и в том, чтобы указать, какие свойства полезнее всего изучать и в особенности измерять, чтобы понять, какого рода теория требуется. Бесполезно требовать невозможного, например точной схемы соединений в одном кубическом миллиметре ткани мозга или определения характера импульсации всех нейронов в нем. Задача в том, чтобы установить, какая легко доступная информация была бы самой полезной, а также (что труднее), какие данные можно получить в разумные сроки, если ввести осуществимые новые методики. Иногда ясная формулировка требования - это уже полдела для понимания того, как его выполнить. Например, цены бы не было методике, которая позволила бы вводить в нейрон вещество, способное четко окрасить все связанные с ним нейроны и только их. То же самое относится к методу, при помощи которого можно было бы инактивировать все нейроны строго одного типа, сохраняя все остальные более или менее неизмененными.

Как далеко все это привело нас в настоящее время? Помещенные в данном выпуске статьи дают хорошее общее представление о достигнутых успехах. Чего заметно не хватает, так это широких идейных рамок, в пределах которых можно интерпретировать все эти различные подходы. В таком состоянии находились биохимия и генетика до того, как произошла революция в молекулярной биологии. Дело не в том, что большинство нейробиологов не имеют какого-либо общего представления о том, что происходит. Беда в том, что представление это не сформулировано точно. Стоит притронуться к нему, как оно разваливается. Если привести лишь несколько примеров, то природа восприятия, нейронные корреляты долговременной памяти, функция сна — все они носят такой характер.

Как же в таком случае следует строить общую теорию мозга? На ее пути стоят, по-видимому, три важных ограничительных условия. Первое - это природа физического мира. Повседневный мир, в котором мы живем, не является чем-то аморфным и беспорядочным. Он состоит из предметов, которые обычно занимают определенное пространство и которые, хотя и перемещаются относительно других предметов, сохраняют свои размеры и форму. Зрительно предмет обладает поверхностями, очертаниями, цветом и т. п. Он может испускать звук или запах. Не вникая в детали, безусловно можно ожидать, что какова бы ни была переработка информации, поступающей в мозг, она будет связана с инвариантами и полуинвариантами во внешнем мире, доступными органам чувств.

Эксперимент показывает, что так это и происходит, притом часто неожиданным образом. Хорошим примером является такого рода восприятие цвета, какое показано в опытах Э. Ленда (Е. Land). Можно было бы думать, что когда дело идет о большом цветном пятне, то воспринимается окраска света, который действительно исходит от пятна и падает на сетчатку. На самом же деле цвет в большинстве случаев создается сочетанием окраски света, падающего на предмет, и света, отражаемого поверхностью предмета. Как это ни удивительно, мозг способен извлекать эту последнюю информацию из поступающих зрительных сигналов. Она может в значительной степени компенсировать характер падающего света. То, что мы воспринимаем, больше соответствует отражению от поверхности, которое является свойством самого предмета.

Поразительная демонстрация такого рода феномена проводится в Эксплораториуме в Сан-Франциско, хотя в этом случае поверхности имеют разные оттенки серого — от почти белого до совершенно черного. Освещение, источник которого скрыт, здесь неровное — оно гораздо сильнее в нижней части экспозиции, чем в верхней. Один участок внизу выглядит очень черным, другой участок наверху кажется почти белым. С помощью узких трубок эти участки можно рассматривать каждый по отдельности. И если смотреть в них таким образом, то видно, что оба участка имеют в точности один и тот же оттенок серого. Когда моя жена - художница - у видела этот экспонат, она была поражена и заявила, что это фокус. Она не отдает себе отчета в том, что в известном смысле все, что она видит, это фокус, который показывает ей ее мозг.

Второе ограничительное условие налагается биохимией, генетикой и эмбриологией. Нервная система сделана не из металла или неорганических полупроводников, а из специализированных клеток. Импульс, бегущий по аксону, движется с умеренной скоростью по сравнению со скоростью света (даже несмотря на то, что нейрон может при помощи разных фокусов ускорять его движение); это ограничение налагается на него биохимией. Хотя важную роль в нейронной активности играют такие неорганические ионы, как натрий и калий, не вызывает удивления тот факт, что передача нервного импульса от одного нейрона к другому производится мелкими органическими молекулами, потому что многие такие молекулы синтезируются с легкостью. Удивительно то, что один и тот же медиатор действует в столь многих различных местах - ограничительное условие, вероятно, налагаемое эволюцией.

Дальний конец аксона находится далеко от ближайшего пункта синтеза белка (не считая митохондрий внутри аксона), и это обстоятельство может налагать ограничения на скорость, с которой в нем происходят некоторые биохимические изменения. Вероятно, существуют одни типы нейронных цепей, с которыми организм справляется сравнительно легко, и другие, которые для него непосильны. Насколько мы знаем, генам высшего животного может быть трудно придавать схеме нейронных связей большую точность, особенно если в схеме участвует очень много клеток. Например, точного распределения связей, необходимого для правильного стереоскопического зрения, трудно достичь без того благотворного влияния, какое оказывает некоторый контакт с реальным внешним миром, может быть, потому, что системы, связанные с двумя глазами, вероятно, не могут быть построены с требуемой точностью.

Возможны и другие ограничения. Как предположил много лет назад Г. Дэйл, нейрону, по-видимому, трудно так устроить свои дела, чтобы одна веточка его аксонного дерева выделяла один медиатор, а другая - другой. Этот принцип, возможно, лежит в основе случая, описанного Э. Кэнделом в настоящем выпуске (см. статью «Малые системы нейронов»), когда медиатор, продуцируемый одной и той же клеткой, возбуждал одни клетки, тормозил другие и оказывал смешанное влияние на клетки третьего типа.

Третье ограничительное условие налагается математикой, в частности теорией связи. На первый взгляд может показаться, что некоторые такие результаты противоречат ожиданиям. При известных обстоятельствах распределение, или общая структура (pattern), прекрасно воссоздается на основе небольшой выборки, если производить ее через правильные промежутки. Информация может быть заложена в память в распределенной форме подобно голограмме таким образом, что извлечение части хранимой информации не устраняет какой-либо части картины, хотя снижает до некоторой степени качество всей картины.

Возникает искушение ввести четвертое ограничительное условие, но опыт показал, что оно ненадежно. Это условие налагается эволюцией. Несомненно, все организмы и их компоненты образовались в результате долгого эволюционного процесса, и это обстоятельство никогда нельзя забывать. Однако неразумно было бы угверждать (разве только в самых общих выражениях), что эволюция не могла сделать того-то или должна была сделать то-то. Биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его. Это не значит, что сравнительные биологические исследования не могут показать, что определенная структура часто связана с определенной функцией. Таксономическое сопоставление результатов эволюции может привести к полезным предположениям, но такие предположения всегда должны быть подтверждены прямым экспериментом.

Как бы то ни было, но первые три ограничительных условия мы понимаем лишь частично. Процесс разложения окружающего нас мира на его существенные признаки не всегда протекает прямолинейно. Многие важные вопросы эмбриологии еще не получили ответа. Теория информации - сравнительно новая отрасль знания. Поэтому, хотя и есть возможность получать какие-то наводящие указания, рассматривая все три условия, исследователь редко встречается с таким обилием ограничений, что это практически позволило бы сделать выбор между теориями. Существует так много способов, какими наш мозг мог бы перерабатывать информацию, что без существенной помощи прямых экспериментальных фактов (а они обычно малочисленны) мы вряд ли сделаем правильный выбор.

Существуют ли какие-то идеи, которых следует избегать? Я думаю, что одна, по крайней мере, есть - это идея гомункулуса. Недавно я пытался разъяснить одной умной женщине проблему, которая состоит в том, как понять, что мы вообще воспринимаем что бы то ни было, но мне это никак не удавалось. Она не могла понять, в чем тут проблема. Наконец, в отчаянии я спросил ее, как она сама считает, каким образом она видит мир. Женщина ответила, что, вероятно, где-то в голове у нее есть что-то вроде маленького телевизора. «А кто же в таком случае, - спросил я, - смотрит на экран?» Тут она сразу же поняла, в чем проблема.

Большинство нейробиологов считает, что в мозгу нет гомункулуса. К несчастью, легче констатировать ошибку, чем не впасть в нее. Это происходит потому, что мы несомненно питаем иллюзию существования гомункулуса — нашей личности. Вероятно, сила и прочность этой иллюзии имеют свои основания. Возможно, она отражает некоторые аспекты общего управления мозгом, но какова природа этого управления, мы еще не узнали.

Следовало бы избегать еще одной общей ошибки. Ее можно было бы назвать «ошибкой премудрого нейрона». Представим себе нейрон, который посылает сигнал на некоторое расстояние по своему аксону.

Что этот сигнал сообщает воспринимающему синапсу? Сигнал, разумеется, закодирован частотой нервных импульсов, но что означает его сообщение? Легко усвоить привычку считать, что оно содержит в себе больше, чем это есть в действительности.

Возьмем, например, нейрон в зрительной системе, который считается цветочувствительным. Предположим, что лучше всего он разряжается при стимуляции пятнышком желтого света. Мы склонны думать, будто он сообщает нам, что свет в этой точке желтый. Однако на самом деле это не так, потому что большинство рецепторов цвета имеют широкую кривую ответов и генерируют импульсы — во всяком случае, в известной степени — в довольно широком диапазоне длин волн. Поэтому данная частота импульсации может быть вызвана и слабым желтым и сильным красным светом. Кроме того, на импульсацию данного нейрона могли повлиять объем движения светового пятна и его точные форма и размеры. Короче говоря, множество разных, хотя и связанны