Топография мозга
Поверхность тела и некоторые особенности внешнего мира с высокой степенью упорядоченности интегрированы в мозг. Эти так называемые «топографические карты» существуют в системах мозга — и в сенсорных, и в двигательных. Они формируются по мере развития мозга и необходимы для обработки поступающей информации.
В 1920-х годах нейрохирург Уайлдер Пенфилд предложил методику электрического возбуждения мозга пациентов, находящихся в сознании, для обнаружения и удаления патологических тканей мозга, вызывающих судороги, не затрагивая близлежащих тканей, занятых важными задачами — например, производством речи или памяти. Пенфилд применял местную анестезию скальпа пациентов, вскрывал череп, обнажая поверхность мозга, после чего подсоединял к нему электроды.
Пенфилд прооперировал таким манером около 400 пациентов, методично работая с многими областями мозга. Поскольку его пациенты все время пребывали в сознании, они имели возможность сообщать о своих ощущениях. Пенфилд обнаружил, что стимулирование средней части височной доли, например, пробуждало в пациентах яркие воспоминания, а областей в зрительной коре — несложные световые узоры. Но важнейшее и самое известное его открытие — карты тела, содержащиеся в первичной двигательной и соматосенсорной коре.
Когда Пенфилд стимулировал определенную область левой соматосенсорной коры — полоску ткани, проходящую вдоль передней части теменной доли, — пациент сообщал об ощущении покалывания в правой руке. Перемещение электродов на сантиметр вверх по соматосенсорной полосе вызывало у пациента чувство, будто его трогают за предплечье или локоть. Похожим образом дело обстоит и с двигательной корой, располагающейся в лобной доле. Стимулирование участка двигательной коры вызывало подергивание мышц или небольшие движения в зеркально противоположной части тела, а перемещение электродов к соседней области побуждало к движению соседнюю часть тела.
«Растущие волокна при установлении синаптических связей крайне щепетильны, и каждый аксон соединяется лишь с определенными нейронами, к которым он избирательно примыкает посредством особого химического сродства» Роджер Сперри (1913-1994), американский нейропсихолог, нейробиолог
Пенфилд обнаружил, что у разных людей из-за особенностей индивидуального устройства мозга реакции на стимулирование слегка разнятся, однако в целом организация этих карт у всех примерно одна и та же: тело представлено на поверхности мозга высоко упорядоченно — соседние участки тела спроецированы в точности по соседству и в мозге. Пенфилдова революционная методика электростимулирования до сих пор в ходу у нейрохирургов — усовершенствованная технически, разумеется. Его открытие топографической организации двигательной и соматосенсорной коры, отраженное в знаменитом «гомункуле» по-прежнему актуально.
Зрительная карта
Зрительная информация, поступающая через глаза, также имеет карту в мозге; это явление носит название «ретинотопия». На первой стадии обработки зрительной информации световая энергия попадает на фоторецепторы сетчатки так, что соседние области зрительного поля оказываются на соседних участках сетчатки. Такое топографическое устройство распространяется на всю зрительную систему. Оптический нерв выходит из тыльной стороны глаза и добирается до латерального коленчатого тела, которое передает зрительные данные соответствующим областям затылочной доли в задней части мозга.
Соседние клетки сетчатки тянутся волокнами к соседним же друг с другом областям латерального коленчатого тела, а те в свою очередь — к соседним друг с другом областям зрительной коры. Главенствующая ныне гипотеза формирования ретинотопических карт восходит к серии классических, хоть и довольно зверских, экспериментов, поставленных на африканской шпорцевой лягушке в 1940-х годах. Роджер Сперри перерезал лягушкам зрительные нервы, переворачивал глазные яблоки на 180°, а затем помещал их обратно в глазницы. За несколько недель после этой операции волокна зрительного нерва восстанавливались и врастали обратно в зрительный тектум — главную область обработки зрительной информации у земноводных. После этого Сперри проверял зрение прооперированных лягушек и обнаружил, что оно перевернутое: муха, подвешенная над лягушкой, провоцировала ее высовывать язык вниз, а на муху справа лягушки реагировали, высовывая язык влево.
Эти открытия продемонстрировали, что восстановившиеся волокна зрительного нерва как-то находят способ врасти в исходных местах в тектуме. Сперри объяснил это «гипотезой химического сродства», согласно которой волокна зрительного нерва и места их подсоединения к тектуму имеют комплементарные молекулярные «метки», по которым обнаруживают друг друга. Эту гипотезу подтвердили и современные исследования: они показывают, что растущие нервные волокна и впрямь направляются по верному пути при помощи особых химических сигналов.
Карты звуков и запахов
Топографические карты существуют и в ушных и мозговых структурах, связанных со слухом. Улитка, спиралевидная структура внутреннего уха, содержит клетки, чувствительные к звуковым волнам разной частоты. Обычно мы слышим звуковые волны с частотами в диапазоне от 20 до 20 000 Гц, они связаны с определенными нотами — чем ниже частота, тем ниже нота звучания.
Волосковые клетки, реагирующие на самые низкие частоты, расположены в одном конце улитки, а реагирующие на самые высокие — на другом. Как и в случае зрительной системы, такое «тонотопическое» устройство есть и в первичной слуховой коре, в верхней части височной доли. Здесь нейроны организованы в группы, настроенные на определенные диапазоны частот. Группа в передней части содержит клетки, настроенные на частоты до 500 Гц, затем — на частоты от 500 до 1000 Гц и т. д.
Новейшие исследования показывают, что и обонятельная система устроена похоже. В обонятельной луковице имеются структуры под названием «гломерулы» (клубочки), а в них содержатся нейроны, реагирующие на определенные запахи. Клубочки собраны в пучки в соответствии с запахами, на которые настроены: клетки, связывающиеся химически с молекулами пахучих веществ со сходным устройством, расположены рядом друг с другом.
Мозговой человечек
Нейрохирург Уайлдер Пенфилд (1891-1976) спроецировал тело на поверхность мозга путем электрической стимуляции коры пациентов-эпилептиков, в ходе эксперимента находившихся в сознании и сообщавших о своих ощущениях. Пенфилд обнаружил, что некоторые части тела представлены непропорционально обширными двигательными и соматосенсорными областями коры. Площадь коры, соответствующая той или иной области тела, зависит от количества нервных окончаний в этой части тела.
Руки и лицо — самые чувствительные и содержат больше отдельных мышц, чем любой другой участок организма. Поэтому под них и занята большая часть первичной двигательной и соматосенсорной коры, что отражает теперь уже знаменитый гомункул, которого впервые изобразила секретарша Пенфилда. Пенфилд также установил, что области, связанные со стопами и гениталиями, располагаются в соматосенсорной коре по соседству, и этим объяснил сексуальное влечение к ступням (футфетишизм), однако последние исследования этого вывода не подтверждают.
