Новые возможности
Когда-то Иван Павлов говорил о том, как много мы могли бы узнать, если бы череп был прозрачным, а возбужденные нервные клетки светились, как лампочки. В последние десятилетия минувшего века техника превзошла его фантазию: в нейрофизиологических лабораториях появились компьютерные томографы, позволяющие воочию увидеть активность нервной ткани не только на поверхности коры, но и в любом слое и структуре мозга. Правда, в отличие от приборов прежнего поколения томографы, основанные на эффекте ядерного магнитного резонанса, «видят» не непосредственно электрическую активность ткани, а уровень обмена веществ в ней. Противники этого метода говорят, что это примерно то же самое, что пытаться выяснить технические характеристики машины, измеряя нагрев разных ее частей в ходе работы. Тем не менее именно томограф впервые «увидел» мозг, в том числе и человеческий, в работе.
Современные методы, позволяющие «заглянуть» внутрь мозга, а именно позитронно-эмиссионная и магнитно-резонансная томография, появились в конце прошлого столетия и стали фундаментом для очередной ступени исследований. Видимо, поэтому и Конгресс США объявил девяностые годы этапом фундаментального изучения человеческого мозга. Инициатива была подхвачена учеными всего мира и получила статус международной.
При помощи томографов — позитронно-эмиссионных (ПЭТ) — стало возможным определить уровень метаболической активности. Для этого пациенту вводится короткоживущий радиоизотоп, который накапливается в различных отделах мозга. В тех участках, где обменные процессы активнее, количество позитронов (антиэлектронов), образующихся при распаде изотопов, больше. Рождаясь, они тут же аннигилируют с электронами, порождая пару гамма-квантов, которые можно уловить находящимся вне головы приемником и точно определить точку, из которой они вылетели. Так, одним из первых достижений нейрофизиологов, полученных с помощью ПЭТ, стала наглядная иллюстрация расположения речевых функций в левом полушарии.
Одним из важных направлений с использованием ПЭТ стало микрокартирование мозга, позволяющее определить «местожительство» наиболее сложных проявлений человеческих возможностей, отвечающих, например, за грамматику, смысл речи или математические вычисления. Приток глюкозы с радиоактивной меткой точно указывает центр усиленной работы нервных клеток.
Методом магнитного резонанса, передающего информацию на специальный сканер, можно воочию наблюдать, какие участки мозга активизируются, когда человек испытывает те или иные эмоции. Так, исследования, проведенные в лаборатории неврологии эмоций в Висконсинском университете в Мадисоне, показали, что префронтальная (расположенная за лобной долей) кора левого полушария вовлечена в формирование положительных эмоций, а соответствующий ей участок «правой» коры, наоборот, связан с отрицательными эмоциями, а также функцией запрещения. Изучение этих процессов открывает хорошие перспективы реабилитации людей с психическими заболеваниями.
Другой мощный источник информации о работе мозга дали успехи молекулярной биологии. Физиологи давно догадывались, что долгосрочные изменения в нервной системе, такие как память, каким-то образом связаны с работой генов. В 60-е годы прошлого века, под влиянием ряда открытий, связанных с расшифровкой генетического кода, возникли даже гипотезы, что запоминаемая информация, подобно генетической, записывается в виде больших линейных молекул. Вскоре выяснилось, что в нейронах, вовлеченных в обучение, действительно начинается бурный синтез каких-то белков. Однако на роль «молекул памяти» они явно не годились: чему бы ни учили животное, белки у него вырабатывались одни и те же.
Однако в 90-е годы исследователи получили возможность быстро определять и белки, и гены, с которых они были считаны. И вскоре «белки обучения» были опознаны как факторы транскрипции — сигнальные вещества, запускающие синтез других белков (такие цепочки сигналов, работающие как каскадные усилители, — обычное дело в биохимических системах). В этих многоступенчатых реакциях еще многое неясно, но предполагается, что их конечным продуктом могут быть белки-рецепторы к нейромедиаторам — веществам, передающим нервный импульс с одного нейрона на другой (или, наоборот, подавляющим активность нейрона-адресата). Если это так, то увеличение числа рецепторов может облегчать передачу сигнала, а это прямо соответствует тому, что давно ищут нейрофизиологи.
Еще в 1949 году канадский психолог Дональд Хебб предположил, как мог бы быть устроен механизм памяти. По мнению ученого, главные события памяти разворачиваются в зоне контакта двух нейронов — синапсе. Если через данный синапс импульсы какое-то время идут чаще обычного, то в нем происходят перестройки, облегчающие прохождение сигнала, и в дальнейшем нейрон будет срабатывать и на те импульсы, которые прежде не могли подвигнуть его на импульс. Формирование такого «облегченного запуска» и есть элементарный акт запоминания. В то время эта схема была чисто бумажной, у физиологов не было возможности проследить процессы, происходящие в синапсе. Сегодня они появились. И известно уже множество генов, активизирующихся в ходе работы нейрона.
Если в теле нейрона сигнал существует в форме электрического потенциала, то при контакте между нейронами в дело вступают химические посредники — медиаторы. В местах контакта мембраны соприкасающихся нейронов не сливаются, а образуют особую структуру — синапс. В этом месте цитоплазма одного из нейронов содержит крохотные пузырьки с веществом-медиатором. С приходом нервного импульса часть этих пузырьков изливает содержимое в пространство между мембранами — синаптическую щель. Достигнув противоположной мембраны, молекулы медиатора связываются с расположенными в ней белками-рецепторами. Те изменяют свое состояние, открывая в мембране каналы для ионов калия, натрия и кальция. Чем больше молекул медиатора достигнет рецепторов, тем вероятнее возникновение нервного импульса, который затем охватит все тело нейрона-адресата. Бывают, впрочем, и тормозные синапсы, выброс медиатора в которых усиливает поляризацию мембраны, снижая вероятность возникновения импульса. Каждый синапс может проводить сигналы только в одном направлении. Сегодня известно несколько десятков различных медиаторов. Почти все они представляют собой относительно простые органические вещества — как правило, аминокислоты, производные аминокислот или цепочки из небольшого числа аминокислот (пептиды). Есть, впрочем, и медиаторы неаминокислотной природы, как, например, ацетилхолин, имеющий широчайшее распространение. Многие медиаторы химически сходны с гормонами или внутриклеточными сигнальными веществами. Во всех синапсах одного нейрона, как правило, выделяется один и тот же медиатор, но при этом в одних синапсах он может передавать возбуждение, а в других — торможение. (Недавно выяснилось, что аминокислота глютамат в синапсах ведет себя как обычный медиатор, а связываясь с рецепторами вне синапса, может запускать апоптоз — самоуничтожение нейрона-адресата.) Разнообразие медиаторов не удается связать и с функциональной специализацией выделяющих их нейронов. Наиболее убедительное объяснение этого феномена принадлежит российскому нейрохимику Дмитрию Сахарову, предположившему, что оно отражает историю становления нервной ткани: клетки-связники, эволюционно возникая в разных тканях, использовали разные сигнальные вещества. Слившись позднее в единую нервную систему, они сохранили свои «фамильные» медиаторы. На фото: Синапс — зона контакта двух нейронов. В цитоплазме одного содержатся молекулы медиатора (красные шарики), которые через синаптическую щель достигают рецепторов (розового цвета) на мембране другого нейрона и открывают каналы (оранжевые) для ионов К, Са и Nа, участвующих в проведении нервного импульса