За последние 30 лет в нейробиологии произошли
серьезные качественные изменения, начало которым в 50-х годах положило
появление микроэлектродной техники. В это же время были установлены
строение двойной спирали ДНК и ее роль в репродукции белка, что
произвело подлинную революцию в молекулярной биологии и генетике.
Конечно, горизонты нейробиологии не могут сравниться с теми
головокружительными перспективами, которые открывают перед человечеством
биотехнология и геноинженерия, развившиеся на почве молекулярной
биологии.
Даже самый пристрастный нейробиолог не может не признать приоритета
таких злободневных, жизненно важных направлений в биологии, как новые
биотехнологии; как передача микробам, растениям и домашним животным
ценных отсутствующих у них генов или восстановление нормального генома у
больных людей и тем самым излечение их от тяжелых недугов; как
промышленное производство высокоспецифических моноклональных антигенов,
как выведение более продуктивных и выносливых хозяйственно полезных
сортов растений и животных; как устранение или хотя бы нейтрализация
биологическими средствами причин, разрушающих окружающую среду, и т. п.
Нет, здесь нейробиологии следует удовлетвориться своей ныне реальной,
второстепенной ролью в биологии. В нашей статье мы ни в коей мере не
ставили перед собой цель сравнить различные области биологии, не
сопоставимые даже в далекой перспективе, или тем более выяснить их
практический приоритет. Наука со всеми ее элементами, причем не только
естествознание, но и обществоведение, способны существовать и
развиваться лишь в прямой или косвенной взаимосвязи друг с другом как
совокупность человеческих знаний. Пробел или небольшая отсталость в
любой частной области науки ослабляет всю ее конструкцию. Можно было бы
долго говорить о том, что сформулированное еще в классической греческой
философии требование "Человек, познай самого себя" на
настоящем этапе развития мира в полном смысле слова стало насущным
вопросом для человечества и цивилизации. При этом не обязательно
воображать картину апокалипсической катастрофы атомной войны. Достаточно
осознать, что быт, условия жизни человека с каждым днем становятся все
более искусственными (урбанизация; радикальная перестройка условий и
процессов работы, применение роботов; изменение роли женщины и отношений
между полами; то обстоятельство, что забота о престарелых, больных,
беспомощных и детях, как никогда ранее, стала проблемой общества и в
какой-то мере имеет "производственный" характер). Эти радикальные
изменения даже в социалистических странах, где они происходят при более
строгом и продуманном общественном контроле, привели к серьезным и
заранее непредвиденным последствиям. Живущие ныне - это люди уже не того
склада, о котором говорит опыт нескольких предыдущих тысячелетий, причем
изменения будут, по-видимому, нарастать. Разве при этом не возникает
вопрос, что, может быть, уже в следующем столетии придется пересмотреть
сложившиеся между различными областями науки приоритеты?
Но, повторяю, цель нашей статьи в другом. Мы хотим проанализировать
наиболее существенные черты настоящего, бесспорно, ускорившегося
развития нейробиологии и выяснить, в каком направлении оно
осуществляется. Выше уже отмечалось, что это ускорение началось с
применения микроэлектрофизиологических методов на клеточном уровне. И,
как нередко бывало, методическое достижение, впоследствии признанное
переломным, при своем появлении почти не внесло изменений в сложившуюся
картину данной 1"ауки.
Возьмем, к примеру, результаты исследований Экклса (Eccles, Австралия) и
его сотрудников, результаты, которые вначале казались лишь
подтверждением принципов структурно-функциональной деятельности
центральной нервной системы, сформировавшихся на основе нейронной теории
в 80-х годах прошлого столетия и затем в начале нашего столетия на
основе результатов классической нейрофизиологии Шеррингтона (Sherrington,
Англия). Выяснилось, что нейроны - действительно отдельные клеточные
элементы нервной системы, связь между которыми осуществляется с помощью
синапсов* .
Возбуждение обычно возникает у основания нервного отростка (аксона**) и
пробегает до его концевых разветвлений; синапсы действительно являются
контактами, через которые импульс передается без изменения на следующий
нейрон с помощью какого-либо химического медиатора. Постсинаптическое
возбуждение (возбуждающий постсинаптический потенциал - ВПСП) -
действительно локальный процесс возбуждения; суммирование во времени и в
пространстве множества таких местных очагов вызывает импульс,
распространяющийся на следующий нейрон. Все это явилось лишь
окончательным доказательством классического представления о нервных
цепях и образуемых ими рефлекторных дугах, располагающихся иерархически
одна над другой. Это доказательство вызвало, точнее, могло бы вызвать
глубокое удовлетворение у тех ученых-нейроморфологов, которые, как и
автор, приняли нейронную теорию и верили в то, что - хотя в то время еще
и примитивными методами нейронной дегенерации - можно проследить один за
другим элементы некоторых нервных цепей и даже от нейрона к нейрону -
целые рефлекторные дуги. Невропатологи в этой области достигли еще
больших успехов, что красноречиво доказывают известные во всем мире
остроумные схемы Бехтерева важнейших восходящих и нисходящих нервных
путей и рефлекторных дуг (конечно, в наш век бурного развития науки и
особенно ее методов мы часто забываем о прошлых достижениях, как, напри-
мер, о том, что ленинградский ученый И. Раздольский был первым, кто
разработал специфический гистологический метод идентификации синапсов на
основе их дегенерации и с успехом применил его уже в 20-х годах нашего
столетия).
И все-таки применение микроэлектродной техники в нейрофизиологии привело
к радикально новому и до этого не предвиденному результату - открытию
специфических тормозных нейронов (Экклс и его сотрудники, 1954). То, что
в нейронной деятельности помимо возбуждения существует и торможение,
знали уже давно. Впервые эта мысль возникла в гениальных умозрениях
Декарта, первое экспериментальное подтверждение она получила в
фундаментальных работах Сеченова (1863), а позднее сам Павлов в одной из
своих ранних работ обратил внимание на физиологическую сторону этого
явления. Начиная с конца XIX столетия и, естественно, в классической
нейрофизиологии Шеррингтона торможение считалось таким же реальным
явлением в деятельности нервной системы, как и возбуждение. Тем не менее
было не ясно, является ли торможение функцией специфических нервных
элементов, как это имеет место в нервной системе низших организмов, или
же торможение - следствие другого рода деятельности тех же нервных
элементов, которые вызывали возбуждение. Из исследований Экклса и его
сотрудников выяснилось, что существуют специфические тормозные нейроны,
которые проводят импульс того же типа, что и возбуждающие нейроны, но
медиаторы, выделяемые ими у синапса, вызывают торможение в следующем
нейроне. Постепенно выяснилось, что медиатор, взаимодействуя с
определенным участком постсинаптической мембраны, стимулирует открытие
или закрытие ее каналов, которые служат для движения ионов через
мембрану. В результате на этом участке постсинаптической мембраны
создаются возбуждающий (ВПСП) или тормозной (ТПСП) постсинаптические
потенциалы (Экклс, Нобелевская премия, 1963).
Все это потому и могло заинтересовать нейро-морфолога, что при точном
морфологическом анализе нейронного состава различных рефлекторных дуг
уже ранее выяснилось, что возбуждающий путь к антагонистической мышце
обычно содержит на один нейрон меньше по сравнению с идущим параллельно
тормозным путем, ведущим к агонистической мышце. Несколько позже стало
очевидно, что не только в простых рефлекторных дугах имеются
специфические тормозные нейроны, но и в большинстве высших нервных
центров многие интернейроны оказывают тормозное действие.
Далее, с развитием электронной микроскопии были разработаны и такие
ультраструктурные критерии (Грей - Gray, Англия, 1962; Учизо-но -
Uchizono, Италия, 1967), на основе которых с определенной вероятностью
можно было установить, является ли данный синапс возбуждающим или
тормозным. Стала возможной не только физиологическая, но в некоторой
степени и структурная идентификация синапса в отношении его тормозного
или возбуждающего характера.
Тем не менее вскоре стало очевидно, что классическое представление о
строении нервных центров и рефлекторных дуг уже не может объяснить и
объединить множество новых фактов. Дело прежде всего в том, что старые
структурные модели нейронных сетей, построенные на основании конкретных
связей специфических нейронов (как, например, модель мозжечка*,
созданная
* Упомянутая здесь модель нейронной
сети коры мозжечка разрабатывалась автором с 1963 г. и основывалась на
классических представлениях и данных последних лет. Большинство
выдвинутых в этой модели гипотез полностью подтвердилось
физиологическими экспериментами Экклса. Монография Экклса, Ито и
Сентаготаи "Мозжечок как нейронная машина" (Шпрингер-ферлаг, 1967)
стимулировала изучение физиологии и морфологии мозжечка во всем мире.
Спустя почти 20 лет оказалось, что основная идея этой модели остается в
силе за исключением незначительных поправок. Эта идея заключается в том,
что вход в кору мозжечка (из многих источников: с периферии, из
лабиринта, из высших центров и особенно коры мозга) осуществляется через
так называемые параллельные волокна и возбуждение распространяется вдоль
извилин, называемых дольками, приводя к активации множество клеток
Пуркинье, расположенных в один слой вдоль продольной оси извилины. Одни
и те же параллельные волокна возбуждают два типа интернейронов:
корзинчатые и звездчатые клетки, аксоны которых проходят, как правило, в
направлении, перпендикулярном оси дольки, и образуют синапсы между
соседними рядами клеток Пуркинье. Если допустить, как предполагалось в
нашей модели, что корзинчатые и звездчатые нейроны тормозные, то ряд
одновременно возбуждаемых клеток Пуркинье будет располагаться по обеим
сторонам поля торможения. (Читатель, знакомый с работами И. П. Павлова,
вероятно, узнает в этом частный случай ранее высказанного И. П. Павловым
простого заключения, сделанного, конечно, на основе косвенного и гораздо
более общего предположения, что фокус возбуждения в нервной ткани будет
рано или поздно окружаться и суживаться зоной торможения. Павлов в
первую очередь имел в виду кору головного мозга, но это очень рано
высказанное им предположение верно практически для всех образований
мозга, и сам этот принцип - один из самых главных принципов
функционирования нейронов.) В общем смысле функциональный механизм,
справедливый для коры мозжечка, мог бы рассматриваться как случай
прямого торможения в противоположность более известному механизму
возвратного торможения. Детальное объяснение строения мозжечка и других
нейронных циркуляционных моделей увело бы нас далеко за пределы данной
статьи.
автором этих строк, представляющая основу монографии
Экклса, Ито (Ito) и Сентаготаи, изданная в 1967), содержали чрезмерные
упрощения, которые сегодня уже не соответствуют новому уровню знаний.
Открытие так называемых дендро-дендрит-ных синапсов сначала в
обонятельной луковице, а затем массовое обнаружение их прежде всего в
ядрах таламуса (выявление таких синапсов в высших центрах пока еще очень
редко) потребовало значительно изменить подход к объяснению описываемых
явлений. Это уже нашло свое отражение в монографии Сентаготаи и Арбиба (Arbib,
Венгрия) "Концептуальные модели нервной системы" (перевод с английского
О. С. Виноградовой. М., Мир, 1975).
Чрезвычайно важным было последовавшее затем открытие модулирующих
нейронных систем, которое радикально изменило представление о локальной
сети нейронов высших центров. Вскоре эту картину еще более усложнило
открытие пептидергических систем нейронов, точная локализация которых
стала возможной благодаря современной иммуноцитохимии. Сегодня уже нет
числа расположенным в самых различных частях центральной нервной системы
нейронам, содержащим и выделяющим вещества, которые до того считались
специфичными медиаторами гипофиза, гипоталамо-гипофизарной или
периферической нервной системы.
Какова связь этих пептидных медиаторов с классическими медиаторами
передачи возбуждения или торможения, такими, как ацетилхолин,
глютаминовая кислота, гамма-аминомасляная кислота, глицин, таурин и т.
д., мы не знаем. Доказано, что в некоторых случаях они оба - и
классический медиатор, и нейропептид - совместно принимают участие в
передаче возбуждения, но каково функциональное значение этой
своеобразной комбинации, неизвестно. Однако, и из сказанного уже ясно,
что старое классическое представление о нейронных сетях, построенных из
простых возбуждающих и тормозных нейронов, ни в коем случае недостаточно
для объяснения процессов, протекающих в нервной системе.
Другая причина, заставившая пересмотреть классическую теорию, была еще
более серьезной. Оказалось, что эмбриональные нервные центры и даже их
небольшие, состоящие всего из нескольких десятков клеток, трансплантаты
или эксплантаты (культуры тканей) обнаруживают удивительную тенденцию к
самоорганизации. Изолированные группы нервных клеток, вопреки
традиционной рефлекторной концепции, показывают следы своеобразной
нервной активности. Сегодня на основе сходных результатов совершенно
различных опытов мы уже знаем, что полностью изолированные от окружающей
среды группы нервных клеток обладают так называемой "спонтанной"
активностью*. Однако, так как составные элементы изолированных нейронных
групп, по всей вероятности, имеют между собой многосторонние случайные
взаимосвязи, эти "шумовые" спонтанные возбужденные состояния не
ограничиваются тем нейроном, в котором они возникли, а распространяются
дальше и на другие синаптически связанные с ним нейроны.
Из математики известно, что существуют системы, в которых при
определенном уровне сложности многочисленные взаимосвязанные нелинейные
процессы способны организовываться в единую систему. Именно это
происходит с трансплантированными или эксплантированными группами
нервных клеток, изолированных от естественных контактов в нервной
системе. Каждая такая группа в зависимости от количества, вида и
многообразия внутренних элементов развивает разные, но определенные
формы активности и поддерживает их в течение длительного времени. Мы
должны подчеркнуть, что такие нейронные группы, функционирующие по
принципу самоорганизации, не нуждаются в афферентном возбуждении.
Экспериментально соединяя эти группы с сенсорными нейронами, легко
преобразовать их в искусственную систему рефлексов, однако для
возникновения процессов самоорганизации в этом нет необходимости.
Конечно, в деятельности таких изолированных нервных
центров, состоящих из совершенно случайно соединенных элементов и
обладающих случайными внутренними контактами, нет никаких биологических
признаков. Однако методами экспериментальной эмбриологии можно создать
состоящие из специфических элементов и имеющие специфические внутренние
связи изолированные нервные центры. Например, изолированные центры,
содержащие сегментальный двигательный аппарат спинного мозга (Цех и
Секей - Creh, Szekely, Венгрия, 1971)**, способны при помощи механизма
самоорганизации генерировать выходной моторный импульс, необходимый для
шагающего движения конечности.
Из теории самоорганизующихся систем возможно вывести необходимые
критерии функционирования таких генерирующих выход нервных сетей (Секей
и Клинг - Szekely, Kling, Венгрия,
* В этом случае под термином
"спонтанный" мы подразумеваем лишь то, что изолированные нервные клетки
в процессе метаболизма и в связи с их функциональной
сверхчувствительностью "случайно" (то есть с непредсказуемой частотой и
амплитудой) переходят в состояние возбуждения. Такие "спонтанные"
возбужденные состояния относятся к понятию "шума" и представляют, по
сути дела, процессы, сходные с броуновским молекулярным движением,
которое протекает лишь в масштабах, меньших на несколько порядков.
** Все венгерские ученые, работы которых упоминаются а статье, являются
сотрудниками и учениками автора. - Ред.
Рис. 1. Окраска пероксидазой хрена
физиологически идентифицированных нервных клеток с реконструкцией их
дендритных и аксонных ветвлений. Маркировка проводится внутриклеточной
инъекцией пе-роксидазы хрена (ПХ) - энзима, который после реакции с
соответствующим субстратом дает нерастворимый осадок темного цвета.
Осадок хорошо различим как под оптическим, так и под электронным
микроскопом, что широко используется для демонстрации различных
биохимических и иммуноцитохимических реакций. Например, в
иммуноцитохимии, когда антитела реагируют в каком-либо элементе ткани с
антигеном, на который эти антитела были выработаны, место реакции может
быть определено по осадку, образуемому связанной с антителом ПХ
(конечный результат такой процедуры показан, например, на рис. 2, в и
г). а- срез мозжечка кошки, проведенный в сагиттальном направлении (т.
е. вертикально вдоль мозга) по средней линии; б- реконструкция так
называемой клетки Пуркинье на этом срезе. Тело клетки помечено изогнутой
стрелкой, а протяженность дендритного дерева - пунктирной линией.
Основной ствол аксона может быть прослежен вправо до конечных
(терминальных) ветвлений (черная стрелка). (Дендриты и аксон- нервные
отростки, отходящие от тела клетки и выполняющие разные функции.) Правая
часть этого рисунка соответствует нижней стороне прямоугольника на рис.
la; длина толстой горизонтальной линии, как и на рис. 1в и ж, равна 0,1
мм; в - та же клетка при большем увеличении; г- внутриклеточная запись
спонтанной активности клетки Пуркинье. Масштабы времени и амплитуды
показаны слева; д- картина характерного дендритного дерева меченой
клетки Пуркинье под оптическим микроскопом; характерное, в форме свеклы,
тело клетки показано изогнутой стрелкой. Диффузия некоторого количества
ПХ в окружающую ткань привела к слабой окраске расположенных рядом двух
других клеток Пуркинье; е- электронно-микроскопическая картина среза, на
которой показана аксонная терминаль, окрашенная внутриклеточным
введением ПХ (темная часть). Видны синаптические пузырьки и
специфические участки мембраны в месте контакта (стрелки).
Горизонтальная линия - масштаб увеличения, ее длина соответствует 1 мкм;
ж- реконструкция той же клетки Пуркинье в другой плоскости (фронтальный
срез мозжечка). Дендритное дерево (А) имеет на этой проекции вид плоской
полосы. Стрелка справа - ход основного ствола аксона, который может быть
прослежен на рис. 16
1968). Уже имеется несколько элегантных и вполне
соответствующих биологическим процессам математических моделей действия
смешанных популяций, состоящих из возбуждающих и тормозных нейронов
(Вильсон и Кован - Wilson, Cowan, Англия, 1972, 1973). Хотя эти
результаты могут показаться тривиальными, все же они проливают свет на
старую дилемму нейробиологии: "рефлекс" или "центральная программа".
Ныне уже совершенно ясно, что старые и когда-то считавшиеся
противоречивыми два представления о конечных принципах нервной
деятельности далеко не противоречивы; наоборот, они взаимно дополняют
друг друга. Сеть нейронов, с одной стороны, - самоорганизующаяся
система, деятельность которой преобразовывает "нейронный шум" (допуская
употребление этого нового понятия). С другой стороны, эта сеть является
и кибернетической системой, связывающей организм с процессами
окружающего мира путем сложной иерархии рефлексов. Понять суть нервной
организации можно, лишь рассматривая эти два аспекта совместно, не
переоценивая догматически один или другой.
В общем смысле "центральными программами" нервных центров являются те
известные нам функциональные единицы, которые обусловлены генетически,
характерны для данного вида и йе требуют ни предварительного опыта, ни
обучения. Конечно, было бы крайне наивно сравнивать их с применяемыми в
вычислительной технике программами, записанными на магнитофонную ленту.
В природе такого не существует. Множество опытов доказало, что часто
очень сложные, казавшиеся врожденными цепи поведенческих актов в
действительности только в своих элементарных частях существуют в
генетически закрепленной форме. Позднее было также доказано, что эти
цепи - результат постепенной интеграции элементарных частей в общую
систему сложных поведенческих актов.
Однако целью нашей статьи опять-таки не является подробный анализ этого
вопроса, так как даже самое краткое его изложение на современном уровне
потребовало бы целого ряда подобных статей. Сделанное выше отступление
было необходимо, чтобы представить, каким образом могут фиксироваться
генетически детерминированные элементы поведения в элементарной
нейронной сети.
Трансплантированные или эксплантированные нервные фрагменты, состоящие
из нескольких десятков или сотен нервных клеток, обладают, повторяем,
самоорганизующей способностью даже в том случае, когда взаимосвязи между
их нейронами носят случайный характер. Как уже упоминалось, возникающие
в таких фрагментах выходные сигналы могут быть чрезвычайно сложными, но
не иметь биологического смысла. Как выяснилось из исследований Цеха и
Секея,
Рис. 2. Идентификация нейромедиатора при
оптической и электронной микроскопии нейрона. Основным медиатором
передачи импульсов тормозными нейронами считается гамма-аминомасляная
кислота (ГАМК). Замечено, что большинство нервных клеток имеет
специальный "механизм захвата" своего собственного медиатора, что
демонстрируется здесь на рис. 2, а - в а- зарисовка окрашенного по Гольджи звездчатого нейрона зрительной коры крысы; 6- микрофотография
фрагмента этой клетки, стрелкой показано ее тело; в - тело той же клетки
(простая стрелка) после обработки препарата для авторадиографии (метка
радиоактивный тритий 3Н). Большое скопление темных пятнышек показывает
избирательный захват этой клеткой 'Н-ГАМК; осадок Гольджи дает темные
контуры тела клетки. Другая неидентифицированная, по-видимому, тоже
звездчатая клетка слева (двойная стрелка) с высокой степенью захвата
метки не была окрашена по Гольджи. Звездочками показаны немеченые
предположительно пирамидные клетки. Масштаб 50 мкм. Метод разработан П.
Сомоджи (Somogyi) и соавг. в 1-м анатомическом отделении медицинского
факультета университета Зоммельвейса в Будапеште и в Биологическом
исследовательском центре Венгерской Академии наук в Сегеде; г -
иммуноцитохимическая идентификация синаптичес-ких окончаний, содержащих
гормон лейцин-энкефалин, в участке спинного мозга; д-
интенсифицированная иммуноцитохимическая окраска нервной клетки
(передний гипоталамус обезьяны), содержащей гормон ЛГ-РГ (лютеинизирующий
гормон рилизинг гормон), начальная часть аксона помечена стрелкой.
Метод разработан Т. Гертцем (Gores) в отделении
анатомии медицинского факультета университета в г. Печ (Венгрия) под
руководством проф. Б. Флерко (Flerko). Метод позволяет выявлять все
дендритное дерево и большую часть аксонных ветвлений иммунореактивных
клеток (метод Гольджи "второго поколения") необходима какая-то
минимальная специфичность связей между разными типами нейронов
изолированного фрагмента спинного мозга, чтобы возник импульс,
обеспечивающий, например, шагающее движение конечности. На основании
ранних эмбриологических экспериментов известно, что для образования
выходного сигнала, генерирующего подобное движение, достаточно даже
небольшой части одного из 3-4 сегментов спинного мозга, иннервирующих
конечность. Сегменты же, генетически не предназначенные для приведения
конечности в движение (например, средний торакальный сегмент), не
способны генерировать подобный сигнал.Поэтому предположение о том, что
моторная программа ходьбы может быть встроена в отдельный "командный"
нейрон сегмента спинного мозга, иннервирующего конечность, так же
бессмысленно, как и противоположное, по которому вся нейронная сеть
сегментов, приводящих в движение конечность, ответственна за генерацию
необходимого выходного сигнала. Единственное логичное предположение
такое. Изолированный фрагмент спинного мозга содержит возбуждающие,
тормозные и несколько мотор ных нейронов, между которыми образуются
специфические взаимосвязи. Они преобразуют нейронный шум в выходной
сигнал, необходимый для обеспечения движения конечности. Теперь
попытаемся факты, справедливые для небольших изолированных фрагментов
серого вещества спинного мозга, а также связанные с ними мои
предположения, распространить на всю нервную систему. Представим себе,
из скольких десятков и сотен тысяч, а у высших позвоночных - из скольких
миллионов таких фрагментов складывается нервная система. По очень
осторожным подсчетам только кора головного мозга человека состоит
примерно из двух миллионов так называемых структурных модулей*, каждый
из которых содержит 5000 нервных клеток. К тому же модули не изолированы
друг от друга, а сложно соединены между собой генетически точно
детерминированными связями. Представим себе, какие огромные возможности
для самоорганизации имеет такое невообразимое количество частных
явлений. Кроме того, на разных уровнях и между ними существуют
иерархические связи, сплавляющие воедино в каждый момент активность всей
нервной системы.
В то же время нельзя забывать о том, что нервная система не изолирована
от внешнего мира, а имеет постоянный контакт с ним посредством
нескольких десятков миллионов афферентных и примерно стольких же
эфферентных каналов. К тому же возникающие таким образом и соединенные
друг с другом в сложной иерархии рефлексы в большинстве случаев являются
не открытыми функциональными цепями (возбуждение -" рецептор -"
афферентный импульс -" центральное переключение -" эфферентный импульс
-" эффектор), а замыкающимся через внешний мир кругом, т. е. рефлекс или
другой более сложный процесс поведения меняет взаимоотношение между
животным и внешним миром, что в свою очередь иногда полностью изменяет
форму входного сигнала (возьмем, к примеру, простой факт, когда при
повороте наших глаз на несколько градусов на сетчатку попадает
совершенно другое изображение). Таким образом, связь животного с внешним
миром является непрерывным, постоянно меняющимся информационным, точнее,
деятельным, циклическим процессом.
Несмотря на то что часть этих соображений почти тривиальна, все-таки
нужно еще и еще раз заново продумать все это, чтобы не попасть во всем
известную ловушку собственного мышления при биологическом объяснении
высшей нервной деятельности. Тогда высшая нервная
Рис. 3. Выявление под электронным микроскопом
деталей сннаптнческих контактов "аксо-аксонного" интернейрона коры
головного мозга (клетка-"канделябр"), окрашенного методом Гольджи.а -
подобная клетка из первичной зрительной коры крысы (тело обозначено
крупной стрелкой). Этот фотомонтаж из микрофотографий, снятых с разным
фокусом, показывает лишь незначительную часть дендритных и аксонных
разветвлений, поскольку они распределяют-" ся на разной глубине среза.
Вертикально ориентированная терминальная часть разветвления аксона '.
'(вертикальные стрелки) очень точно следует ходу начального сегмента
аксона пирамидной клетки. Это крупнее показано на рис. 3б;пирамидная
клетка (П) коры противоположного полушария помечена введением
пероксидазы хрена. По точкам ПХ-метки может быть распознан первичный
сегмент ее аксона (ПСА). К нему тесно примыкает вертикальная
терминальная часть интернейрона, видна также тонкая пресинаптическая
коллатераль (К); в- доказательство такого контакта под электронным
микроскопом:аксонная терминаль интернейрона(Б) окружает первичный
сегмент аксона (ПСА) пирамидной клетки, видны внутренние мембраны аксона
(маленькие стрелки). Синаптический контакт (толстая стрелка)
идентифицируется по умеренному утолщению мембран. Масштаб: 10 мкм в а и
б и 0,2 мкм в в. (Работа П. Со-моджи с соавторами); г- аксоаксонный
интернейрон, так называемая клетка-"канделябр"
деятельность, включая сюда и человеческое сознание,
не будет истолковываться упрощенно, не будет сводиться к явлениям,
идентичным деятельности самой нервной ткани.
Конечно, никакая высшая нервная деятельность не существует без
соответствующей деятельности мозга, т. е. без функционирования миллионов
и миллиардов нервных клеток. Но мы не знаем конкретно, что чем
определяется. Связаны ли те или иные процессы умственной деятельности с
определенной частью анатомической нервной сети, с комбинацией в данный
момент активных возбудительных и тормозных нейронов, с биохимическими
структурами, кодирующими каким-то образом элементы памяти (например, в
какой-то части молекулы РНК, из которой, однако, информация, связанная с
памятью, должна достигнуть синапса - ведь там решается дальнейший путь
возбуждения и торможения), с состоянием деятельности Моноаминергических
нейронных систем, с активностью какого-либо из пептидергических нейронов
и т. д.? Уже после постановки этих вопросов становится очевидным, что с
точки зрения высшей нервной деятельности не имеет никакого смысла
отдавать какой-то приоритет тому или иному подходу из множества тех, с
позиций которых современная наука исследует процессы нервной системы. И
наоборот, очевидно, что не следует отказываться от поиска научного
объяснения ради какого-то мистического (дуалистического или иного)
соображения, которое ищет объяснение сознания вне рамок материального
субстрата высшей нервной деятельности.
Конечно, обыкновенные редукционистские теории
Рис. 4. Комплексный анализ интернейрона ("клетки
с двойным букетом") из зрительной коры обезьяны. (Окраска методом Гольджи, электронная микроскопия и выявление захвата медиатора.)
Специфика клетки такого типа - вертикально направленные узким слоем
через всю толщу коры аксонные разветвления, а-в - зарисовки клетки с
препарата Гольджи. а- полная картина разветвления аксона слева направо в
нисходящем порядке, х-х' соответствует месту, где зарисовку пришлось
перерезать, чтобы вместить в размер данного рисунка. Начальная часть
аксона указана стрелкой. Большинство синапсов, образуемых разветвлениями
аксона, формируются с интернейронами, имеющими гладкие) бесшипиковые)
дендриты. Однако эти разветвления аксона не являются строго специфичными
в отношении места образования контактов (в противоположность типу
нейрона, показанному на рис. 3, который строго специфичен в этом
отношении) и образуют изредка контакты также и с дендритными шипика-ми.
Это показано на электронной микрофотографии рис. 4д;6- тело клетки и
дендритное дерево, место отхожде-ния аксона указано стрелкой;в-
расположение тела клетки на границе слоя II и III коры мозга; пунктирная
линия указывает на область ветвления нисходящего аксона в виде узкой
полосы, которая достигает границы слоя VI;
г- распределение меченых тел нейронов после незначительной инъекции
3Н-ГАМК в глубине слоя VI коры мозга (большая точка внизу диаграммы на
границе с белым веществом). В слоях IV-VI меченые клетки распределяются
почти случайно и соответствуют, очевидно, тормозным интернейронам,
которые захватывают меченый Н-ГАМК через свои дендриты (клетки,
расположенные в непосредственной близости к месту введения) или аксонные
разветвления. В слоях II и III над местом введения видна группа мелких
меченых нейронов (Hi, Н;. Hj). По-видимому, это интернейроны "с двойным
букетом", показанные на рис. 4, а-в, так как они посылают аксоны в
глубокие слои коры; д- окрашенный по методу Гольджи бутон (белая
звездочка) контактирует с шипикоч (Ш), образуя симметричный контакт
(толстая стрелка). Этот же шипик образует асимметричный контакт с другой
неокрашенной терминалью (черная звездочка). Обычно симметричные контакты
рассматривают как тормозные, а асимметричные - как возбуждающие;е-
авторадиография полутонкого среза из верхней части слоя II. Нейроны Н, и
М сильно мечены, в то время как пирамидная клетка (П), окрашенная по
Гольджи, не содержит медиатора совсем (отсутствие гранул серебра на
фотоэмульсии). Следовательно, мелкие интернейроны, которые метятся прямо
над фокусом инъекции, являются интернейронами "с двойным букетом",
показанными на Гольджи-зарисовках а-в. Эти клетки захватывают 'Н-ГАМК
своими нисходящими аксон-ными ветвями. Поскольку захват ГАМК в коре
головного мозга характерен для тормозных интернейронов, то можно сделать
вывод, что этот тип клеток является тормозным (на что также указывает
структура их синапсов на фото 4 д). Так как эти клетки преимущественно
контактируют с нейронами с гладкими дендритами (т. е. тормозными), можно
думать, что их основная роль - торможение торможения вдоль узкой
вертикальной полосы по всему поперечнику коры. Масштаб: а -50 мкм; в-100
мкм; д-0,2 мкм; е-10 мкм. Работа П. Сомоджи и А. Ковей
"мозг-психика" затрудняются дать объяснение -
хотя бы теоретическое - того, каким образом высшая нервная деятельность
- скажем, сознание - влияет на деятельность мозга. Нетрудно представить
(но трудно объяснить), как деятельность нейронов в конечном итоге
претворяется в сознание. Более сложно дать научное объяснение обратной
причинной связи этой цепи. Правда, принципиально понять обратную так
называемую "направленную вниз" причинность сразу же легче, если
представить себе нейронную сеть как самоорганизующуюся систему, несущую
информацию, как это делает И. Д. Дубровский (СССР, 1978). Я не считаю
себя вправе анализировать здесь проблему "мозг-психика" с точки зрения
информационной теории. Я знаю и то, что до сих пор мнения
физиков-теоретиков по этому вопросу сильно расходятся. И все же, если
связь между термодинамической энтропией* (5= k\ogW) и шенноновской
информацией (1= - logP) выражает какую-то реальность и сходство между
двумя формулами не является случайным совпадением, тогда в рамках "негэнтропической
теории информации", сформулированной Бриллюеном, и, ограничиваясь вторым
законом термодинамики, возможно представить, формулируя весьма
примитивно, что "сознание оказывает влияние на деятельность мозга".
Упорядоченность системы (ее негэнтропия) может быть увеличена, правда с
потерями, при овладении информацией, а из негэнтропии (снова с потерями)
может быть опять получена информация. Если взаимный обмен информации и
негэнтропии воспринимать как расширенный цикл Карно, тогда нам не грозит
предположение о существовании какого-то "вечного двигателя", ведь
нервная система, будучи живой и, значит, открытой системой, постоянно
перестраивает свое упорядоченное состояние (свою негэнтропию) за счет
ресурсов внешнего мира.
Читатель, наверно, простит нам, что мы забрели в область философии, хотя
целью этой статьи ни в коем случае не является изложение какой-то новой
теории мозга. Я хотел лишь дать представление о том, что некоторые из
обсуждавшихся выше направлений в исследовании мозга не чужды главной
проблематике научного мышления наших дней и не свободны от нее. И все
же, располагая всеми этими знаниями, рассмотрим, какое именно
направление характерно для исследования мозга на современном этапе.
Для более точного понимания ситуации важно знать, что одновременно с
"микроэлектродной революцией" 50-х годов формируется современная нейрохимия, а также
"этология" как самостоятельная дисциплина, изучающая
поведение животных в их естественных жизненных условиях. В настоящее
время начинается методологическая революция, более значительная по своим
перспективам, чем уже упомянутые. Может показаться странным, что на этот
раз руководящая, объединяющая остальные дисциплины роль принадлежит тем
структурным исследованиям, которые с начала столетия были отодвинуты на
второй план. Нет сомнений в том, что электронно-микроскопическое
исследование нервных элементов, подтвердив главные положения учения о
нейроне, начиная с 60-х годов значительно продвинуло нейробиологию
вперед. Мы уже упомянули и о том, что электронная микроскопия нервной
системы сыграла значительную роль в образовании новых воззрений на
формирование нейронных сетей. Но все это кажется незначительным по
сравнению с появившимся в последние 5-6 лет поразительным методом. Суть
его в том, что практически каждый нейрон и даже каждый его синапс (и те
синапсы, которые он образует на других нейронах, и те, которые
образуются на нем) стали однозначно идентифицируемыми: 1) в
анатомическом смысле, 2) в физиологическом смысле и 3) в биохимическом
смысле.
1) Под идентификацией в анатомическом смысле подразумевается определение
того, к какому типу нервных клеток относится нейрон, каково его
дендритное дерево, куда идут главная и побочные ветви его аксонов,
каковы происхождение, локализация и тип строения синапсов, котот рые он
формирует и которые формируются на нем.
2) В физиологическом смысле нейрон является идентифицированным в том
случае, если известно, чем вызывается его активность или торможение в
данных искусственных экспериментальных условиях и какова его спонтанная
активность (это, конечно, еще очень скромные требования, но критерий
идентичности может быть уточнен в случае определения активности данного
нейрона и в более сложной ситуации), а также - что, собственно, и есть
конечная задача - если известно, какова активность этого нейрона при
свободном поведении животного в процессе учебной или другой
психологической ситуации. Последнее пока было достигнуто только в очень
специальных случаях, однако нет принципиальных препятствий для того,
чтобы в ближайшем будущем осуществить это и более широко.
3) Биохимически идентифицирован тот нейрон или синапс, медиаторы
которого известны: или сам медиатор, или некоторые его предшественники,
или расщепляющие его ферменты; а если нейрон является пептидергическим
(или, в частности, и пептидергическим), он должен быть идентифицирован
еще и иммуноцитологическим методом, как тело нейрона, так и его синапсы.
Все эти методы идентификации в отдельности были возможны и до сих пор.
Новизна состоит в том, что эти три метода теперь возможны одновременно
на одном нейроне или синапсе и даже на электронно-микроскопическом
уровне. Конечно, идентификацию определенного нервного элемента
совершенно строго удается провести только в очень редких случаях. Но для
нас сейчас важно, что мы уже в принципе владеем техническим арсеналом
для такого исследования. Возможности его ограничены огромными затратами
рабочего времени и тем, что необходимое оборудование и профессиональный
опыт в большинстве случаев рассредоточены в различных институтах.
Перекрестная идентификация (идентификация нейрона в вышеупомянутых
аспектах) может быть осуществлена различными способами. Самый
непосредственный путь - когда нейрон, исследованный микроэлектродами
внутриклеточно, после получения как можно большего количества
физиологических параметров заполняется концентрированным раствором
пероксидазы хрена (обычно выдавливанием раствора через электрод,
представляющий собой стеклянный капилляр). Пероксидаза хрена за
несколько часов заполняет все главные отростки нервной клетки, а также
синапсы, образованные этими отростками. После проведения реакции на
выявление темно-коричневого осадка пероксидазы хрена вся нервная клетка
становится видна под микроскопом. Таким образом, полная система
отростков нервной клетки, первоначально идентифицированной в
физиологических экспериментах, видна так же чисто, как это раньше было
возможно только с помощью метода Гольджи (Golgi, Италия, 1870) путем
осаждения хромовых солей серебра. Вот почему эти методы и называются
методами Гольджи второго поколения, однако с той разницей, что при их
помощи выявляется не какая-то случайная нервная клетка, а конкретная,
ранее идентифицированная в физиологическом опыте.
Соответствующими микроскопическими методами возможно найти все синапсы
этого нейрона, а также установить тип их тонкой структуры, точную
локализацию и т. п. Выбрав один из имеющихся в нашем распоряжении
многочисленных методов, например, посредством принимаемой нейроном и
доставляемой им до синапса меченой радиоактивно аминокислоты, можно
определить и происхождение синапсов, образованных на поверхности данного
нейрона. Наконец, иммуно-цитологическим или биохимическим методами можно
установить, какие медиаторы участвуют в возбуждающих или тормозных
импульсах идентифицированного нейрона и его синапсов.
На этих примерах уже нетрудно представить, что при умело и правильно
выбранной комбинации методов каждый элемент нервной системы может
подвергнуться детальной анатомической, физиологической и биохимической
перекрестной идентификации в соответствии с ранее перечисленными
критериями. Подробное изложение каждого отдельного примера было бы
слишком длинно, но все же я хотел упомянуть, что такого рода анализ
успешно проводится при изучении коры мозга млекопитающих. Так
идентифицирована, например, пирамидная клетка (специальная выходная
клетка коры мозга высших животных), осуществляющая торможение при помощи
медиатора гамма-аминомасляной кислоты (Сомоджи - Somogyi, Венгрия, 1977,
1979).
Подобно этому проводится такой же детальный анализ клетки (обнаруженной
Рамон-и-Кахалом - Ramon у Cajal, Испания), обладающей большой
специфичностью разветвления дендри-тов. Эта клетка тормозит тормозные
нейроны действием того же медиатора гаммааминомасляной кислоты. Этот
тип клетки интересен еще и потому, что в ней осуществляется "торможение
торможением" - физиологический процесс, уже давно открытый в высшей
нервной деятельности Павловым. (Правда, мы не знаем лежит ли в самом
деле в основе павловского процесса этот элементарный клеточный
механизм.)
Можно ли в скором времени ожидать точного и однозначного описания
нервной системы, скажем, животного, обладающего относительно небольшим
числом нервных клеток? Мне кажется, учитывая все изложенное выше о
нервной системе, на этот вопрос придется пока ответить отрицательно.
Если "нейронный шум" - важная часть деятельности нервной системы, то
такая система не может быть представлена как простой рефлекторный
автомат (о чем мы уже говорили), и только после однозначного опознания
ее нейронных связей и их статистического описания перед нами встает
по-настоящему большая задача - выяснить, какие динамические,
пространственно-временные формы связей складываются в некоторых нервных
сетях и при каких условиях, какие могут возникнуть состояния
стабильности и нестабильности, циклы, функциональные разветвления и
"катастрофы" (понимая это в соответствии с теорией катастроф Тома).
Нам, таким образом, не надо бояться того, что исследователи мозга станут
безработными. Однако с большой вероятностью можно предсказать, что
исследование мозга через несколько сотен лет (помимо актуальной
коррекции прежних знаний из-за значительного развития методов) только по
своему названию будет идентично нынешнему. Великий немецкий оптик Э.
Аббе (Abbe), выдающийся исследователь стеклянных линз и возможных с их
помощью увеличений, познав теоретические границы разрешающей способности
оптического микроскопа, сказал: "Возможно, что когда-нибудь создадут
системы линз с существенно большим разрешением, нежели у нынешних
микроскопов, однако они только по своему названию будут сходны с
теперешними". И в самом деле, современные высокоразрешающие электронные
и нейтронные микроскопы только по своему названию схожи с оптическими.
По аналогии то же самое можно сказать и об исследовании мозга в
следующем столетии.
Янош Сентаготаи (Szentagothai)
(p. 1912) - венгерский нейрофизиолог, академик, президент
Венгерской Академии наук. В 1936 закончил медицинский факультет
Будапештского университета, где еще студентом проходил
стажировку у известного нейрогистолога М. В. Леношека. До 1946
работал в Будапештском университете сначала ассистентом, потом
доцентом. С 1946 по 1963 заведовал отделением анатомии
университета в г. Печ, где в 1947 получил звание профессора. В
1963 вернулся в Будапештский университет, где возглавлял
отделение анатомии. С 1967 - действительный член Венгерской
Академии наук, с 1973 - ее вице-президент, а с 1977 - президент.
На протяжении последних 30 лет научная деятельность Я.
Сентаготаи связана с нейробиологией. Он был одним из первых, кто
успешно применил метод экспериментальной дегенерации для
выявления связей между нейронами и особенностей распределения их
синаптических окончаний. Он внес значительный вклад в развитие
функциональной нейроанатомии и синаптологии на основе системного
изучения структуры синаптических окончаний и особенностей ряда
нейрофизиологических процессов, в частности, связанных с
ориентацией глаз. Важный этап его работы - моделирование
нейронных сетей с помощью компьютера. В результате исследования
тонкой структуры синапсов с помощью электронного микроскопа Я.
Сентаготаи описал их сложную организацию. В течение последних 10
лет занимается, главным образом, созданием
струк-турно-функциональных моделей мозга. Разработан-.ные им
концептуальные модели нейронных сетей коры мозжечка, а в
последнее время коры полушарий большого мозга, его теория
"модульной структуры" нервных центров открыли новые направления
для изучения и понимания нейронных цепей в центральной нервной
системе. Я. Сентаготаи - основатель большой школы
экспериментальной нейрофизиологии, автор более 130 печатных
работ, из которых 5 монографий. Он почетный или иностранный член
15 академий наук различных стран, в том числе АН СССР, и многих
анатомических обществ.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
