Нейронная доктрина
Современная нейробиология основывается преимущественно на представлении о мозге как об общности клеток. Мозг человека содержит поражающее воображение количество нейронов — от 80 до 120 миллиардов, они образуют прихотливо переплетенные системы, в которых обрабатывается информация. Нейроны (нервные клетки), одна из двух разновидностей клеток мозга, производят электрические сигналы и взаимодействуют друг с другом.
В 1830-х годах двое немецких ученых предложили теорию, утверждавшую, что все живые существа состоят из клеток. В те времена микроскопам не хватало мощности, чтобы выявить структуру нервной системы достаточно подробно, и потому оставалось неясным, применима ли клеточная теория к нервной ткани; эта тема еще долго вызывала споры. Некоторые исследователи полагали, что нервная система, как и остальные части тела, должна состоять из клеток, а другие считали, что это непрерывная сеть ткани.
Совершенствование микроскопов и методов химических цветовых реакций позволило ученым рассматривать нервную ткань все подробнее. Значительным прорывом стала так называемая «черная реакция», предложенная Камилло Гольджи, — метод окрашивания и отвердения ткани при помощи растворов бихромата калия и аммония с последующим погружением ее в раствор нитрата серебра. «Черная реакция» целиком окрашивает случайное небольшое число нейронов в образце ткани, делая их очертания полностью видимыми. В 1880-х годах испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль начал использовать метод окрашивания при сравнительном изучении тканей многих участков мозга у различных видов животных. Кахаль усовершенствовал методику Гольджи повторной обработкой растворами. Теперь можно было окрашивать нейроны глубже и изучать их еще подробнее.
«Я — как энтомолог, охотящийся за яркими разноцветными бабочками: мое внимание притягивал цветник серого вещества, содержащего клетки хрупкой, изящной формы — загадочные бабочки души» Сантьяго Рамон-и-Кахаль (1852-1934), испанский врач, гистолог
Кахаль заключил, что мозг, несомненно, состоит из клеток, а на конференции 1889 года в этом убедились и все остальные, и так родилась нейронная доктрина — представление о нейроне как о базовой структурной и функциональной единице нервной системы. В 1906 году Кахаль и Гольджи получили за свой вклад в науку Нобелевскую премию по физиологии. Несмотря на то, что изобретенный им метод привел к открытию нейрона, Гольджи, как ни парадоксально, и дальше придерживался представления о нервной системе как о непрерывной сети ткани. Кахаль же, с другой стороны, общепринято считается отцом современной нейробиологии.
Вестники тела
Человеческий мозг содержит нейроны не менее нескольких сотен, а то и тысяч разновидностей, всевозможных форм и размеров, но их все — в соответствии с функциями — можно разделить на три типа. Чувствительные (сенсорные) передают информацию от органов чувств в мозг; двигательные (моторные) отправляют команды мышцам и органам; вставочные (ассоциативные) отвечают за сообщение между нейронами в локализованных нервных цепях и на больших расстояниях — между разными участками мозга.
Несмотря на это потрясающее разнообразие, основные свойства у большинства нейронов одинаковы. Традиционно устройство нейрона представляют трехчастным, у каждой части — свои функции.
Дендрит
Название происходит от греческого «дендрон» — дерево; это разветвленный отросток тела клетки. Дендрит — сегмент нейрона, отвечающий за «ввод данных»: он принимает и обрабатывает сигналы от других нейронов, после чего передает их клеточному телу.
Клеточное тело
В этом отсеке происходит обработка сигналов, поступающих от дендрита, и производится исходящий сигнал. Здесь же расположено ядро клетки, а в нем — ДНК, длинная молекула, хранящая информацию для синтеза тысяч белков, контролирующих функции клетки. Каждый тип нейронов определяется уникальной комбинацией генов, придающих ему его особые свойства.
Аксон
Одиночный отросток на другом конце нейрона, проводник исходящего сигнала нейрона. Электрические сигналы генерируются в основании аксона и отводятся от клеточного тела, после чего передаются другим клеткам. Конец аксона образует ветвистые терминали, они и доносят сигнал до множества «целевых» клеток. Мы уже знаем, однако, что импульсы могут возникать в любой части нейрона и двигаться в обоих направлениях.
Вымуштрованная армия
Большинство нейронов — около 80% — располагается в мозжечке. Клетки в его коре (внешней оболочке) устроены высокоупорядоченными слоями, подобно дисциплинированным солдатам в войсках особого назначения. Два типа клеток в этой части мозга наглядно показывают, насколько разнообразны бывают нейроны. Клетки Пуркинье — крупнейшие нейроны мозга. Они широкие, плоские и чрезвычайно разветвленные. Гранулярные же клетки, напротив, мельчайшие. У них одиночное волокно вблизи клеточного тела раздваивается и ответвляется перпендикулярно дендритам клетки Пуркинье. Каждая клетка Пуркинье формирует связи примерно с 250 000 волокон гранулярных клеток.
Кора головного мозга тоже слоиста, и каждый слой — предельно упорядоченная общность нейронов. Пирамидальные клетки, расположенные во всех слоях, кроме самого верхнего, — один из основных видов клеток, они собраны в скопления определенного устройства, воспроизводимого на каждой тридцатитысячной доле миллиметра. Структура этих клеток в разных слоях и участках мозга разная, но у всех узнаваемая пирамидальная форма клеточного тела, сильно разветвленные дендриты и ветвистые аксоны, простирающиеся к клеткам в других слоях коры и удаленных областях мозга.
Клетки Дженнифер Энистон
Исследуя мозг страдающих эпилепсией, ученые обнаружили нейроны, реагирующие на образы знаменитостей вроде Дженнифер Энистон или Хэлли Берри или же на легендарные объекты — Эйфелеву башню или Белый дом. Эти клетки расположены в области мозга, содержащей структуры, необходимые для производства памяти. Далее те же исследователи установили, что эти клетки активизируются не только в тех случаях, когда пациент видит образы знаменитостей или объектов, но и когда просто о них думает. Эти открытия привели к предположению, что индивидуальные клетки отвечают за кодирование абстрактных понятий.
Однако более вероятным видится такой вывод: каждая клетка есть часть распределенной системы, содержащей несколько миллионов нейронов, и эта система кодирует воспоминание о знаменитости или объекте. Отдельные клетки, вероятно, участвуют в миллионах других систем и каждая система кодирует определенное воспоминание или понятие.