Препринт: «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

Препринт: «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

Книга Роба Десалла «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия» обобщает новейшие результаты в сфере исследований человека. В ней рассказывается не только о том, как мы видим, слышим, осязаем, ощущаем вкус и запах, поддерживаем равновесие, но и о том, как все это формирует наше восприятие мира. Прочтите отрывок из книги о травмах мозга и об их влиянии на чувства человека.

Наш организм имеет щит — просто чтобы отгородиться от вредного воздействия окружающей среды. И иногда эти защитные средства и механизмы преграждают путь многим сигналам из внешнего мира, которые не проникают в тело и, следовательно, не поступают в мозг. Однако в ходе эволюционного процесса появились разнообразные способы, помогающие лучшему восприятию информации извне и точной передаче ее в мозг. Например, кожа обеспечивает защиту от пыли, грязи, микробов и других факторов окружающей среды, которые могли бы причинить нам вред, и она же первая реагирует на любое физическое взаимодействие нашего тела с внешним миром, такое как давление воздуха или удар обо что-то. Уши собирают и фильтруют звуковые волны, воздействию которых мы подвержены постоянно. Глаза получают, сортируют и передают информацию, которую несут световые волны.

Таким образом, процесс восприятия мира начинается примерно в одном и том же месте — в клетках, которые первыми реагируют на внешние раздражители. Некоторые чувства, такие как обоняние и вкус, действуют довольно просто и единообразно. Здесь задействован только один механизм первой реакции — механизм замка и ключа. Разнообразие всего того, что мы можем попробовать и понюхать, эти органы чувств воспринимают как вариации на тему. Зрение похоже на восприятие запаха и вкуса тем, что первый отклик приходит от клеточного компонента (белка, который семь раз пронизывает мембрану), очень напоминающего те, которые используются при первой реакции в ответ на запахи и вкусы. Отличие же реакции зрения заключается в том, что механизм замка и ключа не используется. Вместо этого свет попадает на клетку и выталкивает ассоциированную молекулу (ретиналь) из встроенного в клетку сетчатки рецептора опсина, и это запускает дальнейшие биохимические реакции в палочках и колбочках сетчатки. Тактильное чувство уникально, и оно задействует несколько видов клеток при первой реакции, но опять же, как только они активируются, все происходящее в этих клетках становится просто вариацией на тему, запускающей потенциал действия для мозга. Равновесие и слух также тесно связаны с тем, как клетки в этих системах действуют в первый момент. И в том и в другом случае решающее значение для первой реакции имеет изгиб маленьких ресничек, или волосков. Даже ноцицепция (боль) и температура воздействуют на первую чувствительную клетку, конечная задача которой заключается в передаче сигнала (потенциала действия) в нервную систему.

Строение глаза и сетчатки. Источник: книга «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

Как только потенциал действия инициируется и передается из клетки, нервная система реагирует практически одинаково для всех этих чувств. Основная задача периферической нервной системы — передача электрического потенциала действия в мозг. Каждый орган чувств имеет свои нервные пути, и поэтому сигналы поступают в самые разные части мозга. Процесс, происходящий в мозге, довольно сложен, и важно понимать, что чувства не просто проецируются на мозг потенциалом действия. На самом деле сигнал от одного источника запаха достигает нескольких областей мозга, и восприятие любого одоранта представляет собой комбинацию потенциала действия, идущего к различным частям мозга, где это восприятие и формируется при помощи мыслительных процессов. Чтобы поведать историю наших чувств, я использовал чувства животных и странные человеческие ощущения.

Есть еще один способ, который ученые применяют при исследовании работы мозга и его влияния на чувства. То, насколько разумен и пластичен наш мозг при восприятии информации от органов чувств, видно на примере людей с некоторыми черепно-мозговыми травмами: достаточно понаблюдать за их поведением после подобных травм или операций на мозге. У этого подхода даже есть название — клинико-анатомический корреляционный метод. Я уже упоминал эксперименты Уайлдера Пенфилда, проводившего операции на открытом мозге. На приведенных примерах вы увидите, как смесь информации и скопление отдельных ощущений становятся восприятием.

Никто не знает, где и когда произойдет несчастный случай. Бригадир по строительству железных дорог Финеас Гейдж, проснувшись однажды сентябрьским утром 1848 года в Вермонте, и помыслить не мог, что в тот же день в результате взрыва динамита трамбовочный стержень длиной метр двадцать пробьет его череп и выйдет наружу с другой стороны. О том, как этот инцидент отразился на личности Гейджа, ходят легенды, и эта история уже обросла мифами. Когда Финеас умер, его череп сохранили и передали в медицинскую библиотеку Фрэнсиса Каунтвея в Гарварде. Череп Гейджа дает современным нейробиологам возможность проанализировать связи в мозге, которые были порваны ломом, и таким образом лучше понять воздействие травмы на те участки мозга, которые могли быть повреждены.

Да и Франц Брёндл, известный науке как Мистер Б., проснувшись майским утром 1926 года в Германии, понятия не имел, что в тот день с лихвой наглотается угарного газа, вырвавшегося из плавильного аппарата, рядом с которым он работал. Следующие несколько месяцев своей жизни он провел в больницах: из-за недостатка кислорода в мозге у него появились очень странные симптомы. Мистер Б. стал знаменитостью в среде психологов, потому что в результате того несчастного случая у него практически перестала работать кратковременная память.

А выдающийся британский музыкант и музыковед Клайв Уэринг, еще один печальный случай в психологии, проснулся мартовским днем 1986 года в довольно вялом состоянии. Он понятия не имел, что во всем виноват простой вирус герпеса: тот не только проник в его организм, но и поразил центральную нервную систему, разрушив некоторые нервные ткани. В итоге мозг Клайва потерял способность переносить события из кратковременной памяти в долговременную: он помнит все не дольше 7–30 секунд — примерно каждые 20 секунд он «просыпается» и «перезапускает» свое сознание.

И Генри Молисон (также известный как пациент Г. М.), который отправился сентябрьским днем 1953 года в больницу Хартфорда в Коннектикуте, чтобы при помощи операции избавиться от эпилепсии, не подозревал, что проснется без кратковременной памяти. Его нейрохирург, Уильям Сковилл Бичи, провел двустороннюю резекцию медиальной височной доли — операцию прямого соединения левой и правой сторон мозга, нацеленную на предотвращение эпилептических припадков.

Срезы мозга Гейджа, Леборна и Молисона, полученные в исследовании 2015 года. Источник: книга «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

За те двести лет, что строение мозга вызывает у человечества интерес, были изучены и описаны сотни случаев, подобных тем, что представлены на рисунке. По счастливому стечению обстоятельств за последние два столетия багаж знаний нейробиологии в области функционирования мозга значительно пополнился. Французские врачи и ученые начала XIX века были одними из самых квалифицированных анатомов своего времени. Их исследования в конце 1800-х годов внесли большой вклад в науку, известную сейчас как нейроанатомия. Кроме того, французы изучали мозг пациентов со случайными (или иногда умышленными) травмами.

На научном собрании в Париже в 1861 году парижский врач Эрнест Обертен представил доклад о неудачной попытке самоубийства. Обертен был не только врачом, он интересовался работой мозга, в частности связью мозга с языком. Выстрелившего себе в голову месье Каллерье срочно доставили в больницу, где работал Обертен. Ранение было ужасным: пострадала часть черепа Каллерье, и Обертену пришлось ее удалить, в результате чего мозг обнажился. По-видимому, пока врач прилагал усилия по спасению жизни месье, тот был в сознании, потому что сохранял способность разговаривать. Затем Обертен сделал то, что век спустя сделал бы Уайлдер Пенфилд: он поместил хирургический шпатель на область мозга, которая, по его мнению, отвечала за язык и речь, и, надавливая на этот участок, попросил Каллерье говорить. В своем выступлении в Париже Обертен сказал, что речь пациента состояла тогда из «слова, которое начинало раздваиваться». Когда врач ослаблял давление, способность говорить слова нормально возвращалась к Каллерье. Обертен манипулировал частью мозга, которая имела какое-то отношение к речи. К сожалению, Каллерье не пережил событий того дня.

Несколько дней спустя Поль Брока — другой французский врач, присутствовавший на том научном собрании, — посетил своего пациента по имени Луи Виктор Леборн, известного также как Тан (пытаясь говорить, он снова и снова повторял это слово). Леборн провел в больнице большую часть взрослой жизни из-за разных болезней, одна из которых привела к афазии — потере речи. Месье Тан попал под наблюдение Брока из-за гангрены ноги. Увы, врач уже ничего не мог сделать для него, и бедный Леборн умер от инфекции. Памятуя о докладе Обертена, Брока заинтересовался, почему Леборн потерял способность говорить, и при вскрытии разрезал мозг своего несчастного покойного пациента. Брока обнаружил, что мозг Леборна имел повреждение в области заднего конца одной из извилин на левой стороне — в нижней лобной извилине. Два года спустя Брока столкнулся с другим пациентом — неким месье Лелонгом, потерявшим речь после инсульта. Афазия Лелонга была подобна той, что имел Леборн. Вскоре пациент умер, и Брока принялся и за его мозг. Изучив мозг еще нескольких субъектов с аналогичной афазией, врач смог идентифицировать область мозга, которая отвечает за речь. Теперь она носит имя Брока. Через пятнадцать лет после этого немецкий доктор Карл Вернике, также изучивший множество пациентов с афазией, нашел еще одну область мозга (область Вернике), отвечающую за языковое восприятие.

Расположение области Брока и области Вернике. Источник: книга «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

Полю Брока нравилось «консервировать» мозг. За годы своей деятельности он сохранил для исследований мозг 292 мужчин и 140 женщин. Его собственный мозг также был «законсервирован» и описан в книге Карла Сагана «Мозг Брока: рассуждения о романсах науки» (Broca’s Brain: Refl ections on the Romance of Science). Сохранившиеся с тех пор образцы мозга и черепов людей с серьезными травмами сейчас изучают с помощью современных методов визуализации мозга. В 2015 году Мишель Тибо де Шоттен и его коллеги исследовали три мозга, о которых я говорил выше, с помощью технологий, которые за последнее десятилетие приобрели большую популярность у нейробиологов, — компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сохраненный в формалине мозг Леборна тоже был визуализирован с помощью МРТ.

Технология МРТ основана на следующем принципе: атомные ядра в молекулах и клетках, помещенных в сильное магнитное поле, поглощают и излучают энергию радиоволн. Причина излучения этих радиоволн — наличие протонов в ядре каждого атома (например, водорода), которые действуют как крошечные магниты. В нормальной ткани ядра расположены случайным образом, но, если изменить направление магнитных полей вокруг ядер, протоны в ядрах также изменят направление и выровняются по магнитному полю. Когда магнитное поле выключается, протоны немедленно возвращаются к своей первоначальной позиции, а количество и направление изменений ядер можно обнаружить по излучению энергии. Эта энергия излучается в виде волн частотой от 3 кГц до 300 МГц (помните, что диапазон человеческого слуха составляет от 20 Гц до 20 кГц) и является областью радиолокационных волн. Энергия, выделяемая в виде электромагнитных волн этого диапазона, фокусируется в антеннах, расположенных вокруг органа, с которого снимаются данные, а компьютер обрабатывает данные об источнике излучения и реконструирует объект. При большем количестве атомов водорода (то есть большем количестве воды) в определенном виде ткани или в определенном месте органа длина излучаемой волны будет отличаться от длины волны, излучаемой из области с меньшим количеством атомов водорода. Таким образом, изображение может быть достаточно детальным и способно дать информацию о таких объектах, как колено, бедро или мозг, без необходимости делать резекцию ткани или операцию.
Компьютерная томография — это комбинация большого количества независимых рентгеновских снимков, снятых с разных ракурсов. Рентгеновские изображения собираются вместе при помощи компьютерных технологий и составляют общую базу данных, которая может создавать изображения в поперечном сечении. Таким образом, технология позволяет при помощи математического алгоритма, называемого цифровой геометрической обработкой, воспроизводить трехмерные реконструкции внутренностей сканируемого объекта. Череп Финеаса Гейджа исследовали с использованием этого подхода, и его давно исчезнувший мозг был реконструирован с помощью компьютерной томографии и данных реального мозга 129 здоровых людей. Идея Тибо де Шоттена и его коллег заключалась в следующем: опираясь на то, как выглядит мозг здорового человека и как он расположен в черепе, можно сказать, где именно в мозг Гейджа вошел лом. В итоге исследователи смогли восстановить картину и определить, какие нервные пути были повреждены у Гейджа в результате несчастного случая.

Мозг пациента Г. М. исследовали с помощью МРТ более чем за двадцать лет до его смерти, и в 1993 году эти изображения были заархивированы для дальнейшего использования. Кроме того, после смерти Г. М. в 2008 году его мозг был изъят для дальнейшего изучения. Именно тогда Г. M. стал известен как Генри Молисон, потому что медицинские работники не используют имена живых людей в публикациях или дискуссиях. Мозг Молисона законсервировали в желатине, разделив на 2401 тонкий срез, который затем был сохранен криогенным способом для будущих исследований. Каждый срез был впоследствии оцифрован фотографическим способом для создания трехмерного изображения мозга. В настоящее время существует веб-атлас мозга Молисона, который может использоваться в качестве основы для научной деятельности. Взглянуть на эти изображения довольно интересно, особенно понимая, что этот человек своей жизнью (и смертью) внес вклад в наши знания о мозге. Посмотрите на все это сами, и, возможно, вы будете впечатлены мозгом Г. М. так же, как Карл Саган — мозгом Брока.

Де Шоттен и его коллеги удивительно точно воссоздали поражения мозга, от которых пострадали Гейдж, Молисон и Леборн, продемонстрировав возможности данной технологии. Ученые использовали двадцать два основных проводящих пути в мозге, и им удалось определить степень повреждения, ориентируясь на эти точки в трех вариантах мозга. Более ранние работы по изучению черепа Гейджа указывали на сильные повреждения лобной доли коры головного мозга, однако исследование 2015 года скорректировало это грубое наблюдение. Поскольку ученые использовали двадцать два ориентира, чтобы обратить внимание на связи одних частей мозга с другими, они смогли определить, существовали ли еще какие-либо повреждения помимо самых явных и крупных на лобных долях и коре. Из тех связей, что имеют отношение к нашему исследованию чувств, у Гейджа на 35 % был нарушен лобный орбитополярный нервный путь. Этот путь отвечает за передачу слуховых, обонятельных, зрительных и вкусовых данных в память. Вероятнее всего, память Гейджа о его личных «мадленках» была стерта из-за пережитой травмы. Если сравнить три знаменитых мозга, то очевидно, что мозговые связи Молисона, основанные на двадцати двух ориентирах, пострадали меньше других. И это, скорее всего, объясняется точностью перенесенной им операции, которая в конечном итоге привела к нарушению работы памяти.

Как Г. М. определил запахи (взято из работы Айхенборна и др. 1983 года). Источник: книга «Чувства: Нейробиология сенсорного восприятия»

Из протокола операции и МРТ, сделанных в 1993 году, известно, что доктор Сковилл удалил несколько частей мозга, включая медиальную височно-полярную кору, миндалевидное тело, энторинальную кору, некоторую часть зубчатой извилины, гиппокамп и другие небольшие части лимбической системы. Однако работа де Шоттена и его коллег показала, что операция Молисона также затронула шесть связей, которые удалось обнаружить при помощи ориентиров. Одно из этих соединений особенно важно для органов чувств и включает переднюю комиссуру, или спайку. Эта нейронная связь влияет на реакцию обонятельного органа и действительно могла быть задета у Молисона, потому что после операции у него были большие трудности с определением запахов. Результаты двух пройденных им обонятельных тестов были ужасны. Однако Молисон мог определять предметы по их виду, а это значит, что он не потерял память и помнил, что это за вещи; скорее в результате операции он перестал четко распознавать запахи. Например, когда ему дали понюхать гвоздику, Молисон сказал, что это «свежеспиленное дерево» при первой попытке пройти тест и «мертвая рыба, выброшенная на берег» — при второй.

Мозг Леборна больше всего пострадал от травмы, полученной в раннем возрасте. Участок поражения включал не только область Брока, но и несколько нейронных путей, связывающих ее с областью Вернике. Затронуты были и другие области. Как именно поражение мозга повлияло на поведение Леборна и работу его органов чувств, по большей части неизвестно, потому что Брока изначально лечил его от гангрены ноги. Но, учитывая степень поражения передней спайки и почти всех из двадцати двух ориентиров на левой стороне мозга, можно предположить, что «чувственная» жизнь Леборна после травмы была сущим кошмаром. И, чтобы плеснуть еще черной краски на эту невеселую судьбу, добавлю: когда де Шоттен и его коллеги представляют результаты своей работы, они демонстрируют фотографию Гейджа с его знаменитым ломом в руках (и с очень заметной травмой головы) и снимок Молисона, сидящего с кривой улыбкой, а вот единственное сохранившееся изображение Леборна — его мозг, плавающий в банке с формалином.

18+
© 2008 – 2021 ООО «Издательская Группа Азбука-Аттикус»
Разработано в AIR Production