Как получилось, что полуторакилограммовая структура, называемая головным мозгом, смогла стать средоточием разума?
В конце концов, это просто статическая ткань. В ней нет движущихся частей (например, сердца). Она не расширяется и не сжимается (как легкие), а при наблюдении невооруженным глазом выглядит почти твердым.
Оказывается, чтобы понять взаимосвязь между мозгом и разумом, необходимо заглянуть внутрь мозга и понаблюдать за небольшими единицами, составляющими его структуру, и за электрическими сигналами, которые перемещаются в этих единицах.
Микроструктура мозга: нейроны
На протяжении многих лет природа ткани головного мозга оставалась загадкой. Взгляд на внутреннюю часть мозга невооруженным глазом не указывает на то, что он состоит из миллиардов более мелких единиц. Природа электрических сигналов в головном мозге и пути, по которым они передаются, начинали открываться только в XIX веке.
Чтобы наблюдать за структурой головного мозга, анатомы XIX века использовали специальные красители, которые увеличивали контраст между различными типами тканей мозга. Когда они рассмотрели эту окрашенную ткань под микроскопом, они увидели разветвленную сеть, которую они назвали нервной сетью.
Считалось, что эта сеть является непрерывной, как система шоссе, в которой одна улица напрямую соединяется с другой, но без знаков остановки или светофоров. При такой визуализации нервная сеть представляет собой сложный путь для непрерывной передачи сигналов (рис. 2.2а).
Рис. 2.2. (а) – теория нервной сети предполагает, что сигналы могут передаваться по ней во всех направлениях. (б) – участок мозга, окрашенный по методу Гольджи. Стрелка указывает на тело клетки нейрона. Тонкие линии – это дендриты и аксоны (см. рис. 2.3).
Окрашивание по методу Гольджи
Одна из причин описания микроструктуры мозга как непрерывно взаимосвязанной сети заключалась в том, что при помощи методов окрашивания и микроскопов того времени нельзя было увидеть мелкие детали. А без этих деталей нервная сеть казалась непрерывной.
Однако в 1870-х годах итальянский анатом и физиолог Камилло Гольджи (1843–1926) разработал метод окрашивания, который использовал погружение тонкого среза мозговой ткани, предварительно обработанной дихроматом калия, в раствор нитрата серебра.
Этот метод создавал изображения, подобные представленному на рис. 2.2б. Что сделало этот метод полезным, так это то, что было окрашено менее 1% клеток, поэтому они выделялись на фоне остальной ткани. Если бы все клетки были окрашены, было бы трудно отличить одну от другой, так как они очень плотно упакованы. Кроме того, исследуемые клетки были полностью окрашены, поэтому можно было увидеть их структуру.
Камилло Гольджи (слева) и Сантьяго Рамон-и-Кахаль
Открытие Рамон-и-Кахаля
Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852-1934) – испанский врач, гистолог и физиолог, один из основателей современной нейробиологии, – интересовался исследованием природы нервной сети. Для достижения своей цели Кахаль остроумно применил два метода. Сначала он использовал окрашивание по методу Гольджи, в результате которого были видны только некоторые клетки в срезе ткани мозга.
Затем ученый решил изучить ткань мозга новорожденных животных, так как плотность клеток их головного мозга мала по сравнению с плотностью клеток взрослого человека. Это свойство новорожденного мозга в сочетании с тем фактом, что окрашивание по методу Гольджи затрагивает менее 1% нейронов, позволило Кахалю ясно увидеть, что окрашенные по методу Гольджи клетки являются отдельными единицами (Kandel, 2006).
Открытие Кахаля, заключающееся в том, что отдельные единицы, называемые нейронами, являются основными строительными блоками мозга, было центральным элементом доктрины нейронов – идеи о том, что отдельные клетки передают сигналы в нервную систему, и что эти клетки не являются непрерывно связанными с другими клетками, как предполагает теория нервной сети.
На рис. 2.3а показаны основные части нейрона. Тело клетки содержит механизмы, поддерживающие ее жизнь.
Рис. 2.3. (а) – основные компоненты нейрона в коре головного мозга. (б) – нейрон со специализированным рецептором вместо тела клетки. Этот рецептор реагирует на давление, оказываемое на кожу.
Дендриты – ответвляемые от тела клетки отростки, получают сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или непосредственно от внешних раздражителей.
Аксоны (нейриты – длинные цилиндрические отростки нервных клеток) передают нервные импульсы от тела клетки (сомы) к иннервируемым органам и другим нервным клеткам.
Таким образом, нейрон имеет приемный и передающий конец, и его роль, как это выявил Кахаль, заключается в передаче сигналов.
Рамон-и-Кахаль пришел и к другим выводам относительно нейронов:
(1) Помимо нейронов в головном мозге есть также нейроны, которые собирают информацию из окружающей среды, например, нейроны кожи, глаз и ушей. Эти нейроны, называемые рецепторами (рис. 2.3b), похожи на нейроны головного мозга в том, что у них есть тело клетки и аксон, но у них есть и специализированные рецепторы, собирающие информацию из окружающей среды.
(2) Место контакта между двумя нейронами – синапс – имеет небольшой промежуток между концом аксона одного нейрона и дендритом другого нейрона. Этот разрыв называется синаптической щелью (рис. 2.4).
(3) Нейроны не связаны без разбора с другими нейронами, а образуют связи только с определенными нейронами. Обычно нейроны соединяются вместе, образуя нейронные цепи.
Рис. 2.4. (a) – нейрон, синапсирующийся с телом клетки другого нейрона; (б) крупный план синапса, показывающий пространство между концом одного нейрона и телом клетки следующего нейрона и высвобождающимся нейромедиатором.
Идея Кахаля об отдельных нейронах, которые общаются с другими нейронами и образуют нейронные цепи, была огромным шагом вперед в понимании того, как работает нервная система.
Все концепции, введенные Кахалем – отдельные нейроны, синапсы и нейронные цепи – являются основными принципами, которые сегодня используются для объяснения того, как мозг создает когнитивные способности.
Эти открытия принесли Сантьяго Рамон-и-Кахалю в 1906 году Нобелевскую премию, и сегодня он признан «человеком, который сделал возможным клеточное исследование психической жизни» (Kandel, 2006, p. 61).