что такое нейробиология простыми словами
Профессия: нейробиолог
Как почувствовать себя детективом, изучая мозг и нервную систему
Нейробиология изучает устройство и развитие нервной системы, а также поведение человека с точки зрения генетики, биохимии и физиологии. До середины XX века нейробиологические исследования относили к разным дисциплинам. В 60-х годах университеты США стали открывать самостоятельные отделения нейробиологии для изучения психики и мозга.
Школьники, которые хотят помогать людям, часто выбирают медицинские профессии или становятся психологами. Современные проблемы развития и поддержки человека требуют новых подходов. Чтобы разобраться в причинах проблем, нужно выйти за рамки отдельных областей. Нейробиолог похож на Шерлока Холмса в сфере диагностики заболеваний. В этой статье мы рассказываем, что делает этот специалист и как стать нейробиологом, если в вузах такой специальности пока нет.
Как стать нейробиологом
Как я пришла в профессию
Я окончила факультет естественных наук и защитила кандидатскую диссертацию по биологии. В центре иммунологии я получила возможность исследовать влияние медикаментов на работу нейтрофильной фракции лейкоцитов.
В 2013 году у моего ребёнка диагностировали расстройство аутистического спектра. Тогда в Красноярске не было проверенных методик работы с такими детьми, и я искала способ помочь сыну. Я нацелилась на «запуск» его речи. Через восемь месяцев занятий ребёнок заговорил, но оказалось, что я решала не ту задачу: появилась речь, но не было коммуникации. Тогда я переквалифицировалась в олигофренопедагога и дефектолога — окончила курсы профессиональной переподготовки и сменила профессию.
Я начала работать в «Клинике коррекционных и развивающих технологий», использовать нейроэнергокартирование, изучать электроэнцефалограммы. Мне пригодились знания биохимии и цикл Кребса. При этом пришлось освоить много нового: методику невербального театра Ричарда Хейхау, ПЕКС (Picture Exchange Communication System) — коммуникацию с помощью картинок, floor-time подход — взаимодействие с ребёнком на полу, на его уровне.
Где учиться
Нейробиолог изучает головной мозг с разных сторон. Получить такое образование на одном факультете невозможно. Нейробиолог — это, пожалуй, не профессия, а призвание.
Стать нейробиологом может выпускник факультета естественных наук или медицины, поскольку для этого нужно изучать биохимию, биологию и патофизиологию. Безусловно, любому специалисту придётся дополнительно изучать какие-то научные области: нейропсихологу — физиологию мозга, биохимию и генетику; неврологу и нейрофизиологу — особенности функционирования головного мозга.
Что делает нейробиолог
Детективная работа
По статистике, каждый третий новорождённый имеет неврологические нарушения.
Нейробиолог — это учёный, а не врач. Он помогает семье разобраться в проблеме, если отдельные специалисты затрудняются с постановкой диагноза или лечение не даёт результатов.
Например, приходят ко мне на приём мама, папа и ребёнок. Родителей беспокоит отсутствие речи, нарушение движения, сна, гиперактивность ребёнка или другие симптомы. Невролог или дефектолог видят верхушку айсберга: аутизм или ДЦП (детский церебральный паралич). Это не помогает выработать стратегию поддержки. Я же могу выявить источник проблем и предложить комплекс коррекционных занятий. Для этого я изучаю все доступные данные о ребёнке: результаты анализов мочи и крови, ультразвуковых исследований, МРТ, электроэнцефалограммы, заключения неврологов, генетиков, кардиологов, психологов, дефектологов и других специалистов.
В этом году к нам обратилась мама ребёнка, который страдал нарушением функции поджелудочной железы. Невролог убедил родителей сделать ребёнку генетический скрининг. Стоимость таких исследований составляет от 50 до 250 тысяч рублей. Скрининг показал мутацию по некоему хромосомному плечу. Маме выдали список из 50 синдромов, которые могут быть вызваны данной мутацией. Проблема была в том, что ни один из синдромов у ребёнка диагностировать не удалось.
Во время работы с этой семьёй я заметила, что результаты биохимического анализа крови ребёнка с рождения отклоняются от нормы. Ферменты поджелудочной железы превышали допустимые значения в десять раз. После нейробиологической диагностики и беседы с родителями мы пришли к выводу, что у ребёнка инфекция.
Оказалось, что во время беременности у матери был герпес и два дня держалась высокая температура. Сдали анализы — подтвердилась цитомегаловирусная инфекция (ЦМВ). Поэтому мы решили помимо телесной терапии с ребёнком подключить к работе иммунолога.
Иногда родители жалуются на проблемы со слухом, а сурдолог говорит, что ухо ребёнка функционирует нормально. В таком случае я направляю ребёнка на исследование вызванных потенциалов. Если на пути к головному мозгу звуковой импульс теряется, вероятно, нарушена миелинизация нерва, то есть он не полностью покрыт оболочкой. Даже если слуховой нерв недостаточно развит, лекарства помогают его восстановить.
Создание общей картины развития
Родители приносят в нашу клинику толстые медицинские карты своих детей. Отчаявшиеся мамы и папы платят за ненужные дорогостоящие обследования, но не получают внятного ответа на свои вопросы. При этом существенные отклонения в самых обычных анализах педиатр или участковый невролог иногда не замечают или игнорируют. В итоге у родителей копятся бумажки, а что делать с ребёнком и как ему помочь, никто не говорит.
Я не измеряю линейкой графики ЭЭГ, но могу понять заключение нейрофизиолога и рассказать родителям об альфа-, бета- и тетаритмах. Например, к нам приводят ребёнка с нарушением и говорят: «Врач сказал, всё нормально». Я объясняю, что означают результаты диагностики, предлагаю сделать нейропсихологические тесты. Нейроэнергокартирование, к примеру, может показать, почему ребёнку трудно учиться: интеллект сохранен, но нет связей между участками коры головного мозга.
Исследование работы мозга
Во время двухчасовой нейропсихологической диагностики я оцениваю сенсорные каналы: как ребёнок слышит, видит, реагирует на лёгкие прикосновения и ощутимое давление. Я расспрашиваю родителей об особенностях поведения, режиме сна и бодрствования, вкусовых предпочтениях, реакциях на различные раздражители и обстоятельства. Подобно неврологу я оцениваю коленные, локтевые, запястные, ахилловы рефлексы и рефлексы пирамидного пути. Важная часть сбора анамнеза — вопросы, как протекала беременность.
Работа в команде
На основе полученной информации я предлагаю родителям маршрут дальнейшего движения — какие занятия, терапию и обследования стоит провести. Эффективность работы с ребёнком зависит от специалистов, которые подхватят его на этом маршруте. Развивающие, поддерживающие, коррекционные занятия с ребёнком проводят логопед, невролог, нейропсихолог, телесный терапевт и массажист. Важно, чтобы все они говорили на одном языке, работали в едином подходе — это должна быть слаженная команда, а не отдельные профессионалы в разных центрах.
Доход и перспективы профессии
Стоимость консультации
Государственные медицинские центры пока не предоставляют консультаций нейробиолога. Можно пойти работать в НИИ и зарабатывать столько, сколько и другие учёные. Частные клиники более гибко реагируют на спрос.
Год назад моя консультация в Красноярске длилась 60 минут и стоила 800 рублей. Я набиралась опыта, училась, читала и использовала всё больше методик. Сейчас я провожу двухчасовую диагностику за 2000 рублей. В Москве это будет стоить примерно в три раза дороже. Доход нейробиолога зависит от объёма работы: если я буду проводить по две консультации каждый будний день, за месяц выйдет 80 тысяч рублей.
Два направления работы
С каждым годом растёт число людей с проблемами развития и функционирования психики. Чаще всего это дети и пожилые люди.
Некоторые дети имеют врождённые проблемы, но бывает, что здоровый с виду ребёнок внезапно перестаёт говорить, слышать, нормально двигаться. Помощь нейробиолога особенно эффективна на ранних этапах. Наш опыт показывает, что в течение первого года жизни удаётся нивелировать многие неврологические проблемы и даже снять диагнозы. Мы занимаемся ранней педагогикой: не только лечим ребёнка, но и учим родителей создавать благоприятные условия дома.
Люди старшего возраста сталкиваются с проблемами памяти, восприятия и мышления. К нам уже обращались пожилые люди с симптомами болезни Альцгеймера и Паркинсона, но пока мы не можем предложить им комплексную помощь. Чтобы работать с пожилыми людьми, нужна отдельная команда профессионалов, которые любят свою работу. Сейчас наш центр специализируется на работе с детьми и поддержке родителей.
Советы старшеклассникам
Проверьте, насколько вы готовы
Если вас заинтересовала профессия нейробиолога, лучше сразу проверить, насколько вам подходит медицинская специальность и работа с людьми с ОВЗ. Посмотрите документальные фильмы о работе врачей и физиологов, например, цикл видеоматериалов об экспериментах И. П. Павлова. Полезно хотя бы несколько дней поработать на подхвате в клинике, куда приходят люди с аутизмом, ДЦП, синдромом Дауна.
Прочтите книги
Если вы не брезгливы, вас не пугает шум и непредсказуемое поведение — беритесь за книжки. Рекомендую прочесть «Лабиринты мозга» Натальи Бехтеревой, внучки знаменитого российского физиолога. Она написана непростым языком, но лично у меня вызвала сильные эмоции и научный интерес.
Учебник «Патохимия» А. Ш. Зайчика и Л. П. Чурилова написан с юмором и читается как художественная литература. Чтобы понять феномен аутизма, советую учебник О. Б. Богдашиной «Расстройства аутистического спектра: введение в проблему аутизма» и статьи этого автора о нарушении работы сенсорно-перцептивного профиля людей с РАС.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
Нейробиология
Изучение человеческого мозга является междисциплинарной наукой и включает в себя много уровней изучения, от молекулярного до клеточного уровня (отдельные нейроны), от уровня относительно небольших объединений нейронов, до больших систем, таких как кора головного мозга или мозжечок, и на самом высоком уровне нервная система в целом.
Темами нейробиологии являются:
Содержание
Представители
Россия
Национальная аспирантура по нейробиологии
Другие страны
См. также
Ссылки
Полезное
Смотреть что такое «Нейробиология» в других словарях:
нейробиология — нейробиология … Орфографический словарь-справочник
нейробиология — сущ., кол во синонимов: 1 • биология (73) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов
нейробиология — нейробиоло/гия, и … Слитно. Раздельно. Через дефис.
Нейробиология — раздел биологии, предметом которого является изучение деятельности нервной системы … Словарь по психогенетике
Когнитивная нейробиология — наука, изучающая связь активности головного мозга и других сторон нервной системы с познавательными процессами и поведением. Особое внимание когнитивная нейробиология уделяет изучению нейронной основы мыслительных процессов. Когнитивная… … Википедия
Салиентность (нейробиология) — Салиентность это термин заимствованный из английского языка обозначающий свойство объекта, человека, пиксела, т.д. выделяться на фоне группы других, соседних объектов того же типа. Нахождение салиентных объектов считается ключевым механизмом… … Википедия
Салиентность (Нейробиология) — Салиентность это термин заимствованный из английского языка обозначающий свойство объекта, человека, пиксела, т.д. выделяться на фоне группы других, соседних объектов того же типа. Нахождение салиентных объектов считается ключевым механизмом… … Википедия
Нейробиолог — Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России всё… … Википедия
Нейрология — Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России всё… … Википедия
Нейронаука — Нейробиология наука, изучающая устройство, функционирование, развитие, генетику, биохимию, физиологию и патологию нервной системы. Изучение поведения является также разделом нейробиологии. За рубежом, а в последние 5 6 лет также и в России всё… … Википедия
Что изучает современная нейробиология и какие методы использует?
В первую очередь, стоит упомянуть о том, что нейробиология является одной из отраслей биологии. Эта наука изучает строение, физиологию и основные функции мозга. Основные объекты изучения — нейроны.
Как развивалась нейробиология?
Когнитивная нейробиология как наука зародилась между 19 и 20 веками. Среди отцов-основателей этой области: Г. фон Гельмгольц, Э. Дюбуа-Реймон, К. Бернар и другие. Эти ученые смогли доказать электрический характер сигналов, которые передаются нервными волокнами. В 60-е годы ХХ века история нейробиологии пополнилась открытием ряда компонентов, среди которых были: фосфотазы, ферменты, многочисленные G-белки.
Современные методы нейробиологии используют микроэлектроды, чтобы зафиксировать активность нейронов. Какие интересные факты о мозге удалось открыть нейробиологам?
Префронтальная кора мозга — всему голова. Мы знаем, что когда в мозг поступает новая информация, задействуются все его отделы. Особенное участие в этом принимает и префронтальная кора головного мозга, которая сначала принимает поступающую информацию извне, а затем отдает сигналы в нейронную сеть. Команды могут быть разного характера: действия, суждения, планирование, предвидение и другие.
Переформатирование подросткового мозга. Миелин — особое вещество, которое сопутствует созданию новых нейронных связей, практически перестает выделяться к 7 годам. И вновь его повышенная выработка начинается в период полового созревания. Это — следствие эволюции, когда в этот период мозг человека переформатировался и настраивался на поиск лучшего партнера. Наши древние предки нередко для того, чтобы найти себе пару, отправлялись на поиски в другие племена и были вынуждены постигать новые обычаи и новую культуру.
Электрический мозг. Если взять одну нейронную клетку и измерить ее электрический заряд, а затем умножить на количество нейронов, которое располагается в среднестатистическом мозге человека, то уровень напряжения окажется больше, чем у разряда грозовой молнии. У мозга есть собственные волны внимания — это бета-волны. Их можно наблюдать на ЭЭГ во время решения человеком сложных задач, требующих повышенной концентрации. Альфа, тета и дельта-волны отражают состояние расслабления и рассеянного фокуса: от усталости до глубокого сна.
Многозадачность пожирает мозг. Наш мозг изначально не приспособлен к режиму многозадачности. И только небольшой процент людей действительно имеет способность работать над несколькими задачами одновременно, не нанося себе, при этом вред. Если говорить простым языком, то многозадачность вызывает психологический дискомфорт, нарушает работу памяти и мешает сконцентрироваться.
Наука о мозге – нейробиология
Изучение нервной деятельности и её материального субстрата — нервной системы, мозга — издавна составляло одну из центральных проблем естествознания. Рождение физиологии, которой суждено было стать матерью всех экспериментальных наук медико-биологического цикла, обычно датируют 1628 годом — годом появления гениального труда Уильяма Гарвея (1578–1657), в котором была обоснована идея кругового движения крови; и уже вскоре, в 30-х годах того же столетия, великий французский мыслитель Рене Декарт (1596–1650) заложил основы физиологии нервной системы. Нейрофизиология прошла славный путь, обогатила науку многими представлениями о механизмах нервной деятельности. Казалось бы, ей и продолжать разработку этой проблемы. Но вот каких-нибудь полтора-два десятилетия назад в научный обиход стало властно вторгаться слово «нейробиология». Оно замелькало на обложках научных книг и журналов, дало название школам и симпозиумам, появились нейробиологические лаборатории, студенты слушают лекции по нейробиологии. Что это — необходимость или мода (ведь мода на новые слова, увы, встречается и в науке)? Родилась ли новая область естествознания или просто переименовали старую?
Пытаясь найти ответ на эти вопросы, нужно прежде всего отметить, что новые разделы естествознания рождаются весьма различными способами.
Известно, что науки склонны дробиться, и такой способ возникновения новых дисциплин, пожалуй, наиболее распространён. К примеру, была когда-то зоология, а попробуйте найти просто зоолога в наше время. Один орнитолог, другой энтомолог, есть ихтиологи, малакологи (специалисты по моллюскам) и представители множества других дочерних специальностей, возникающих по мере разрастания знаний о многообразии животного мира. Дробятся уже и сами дочерние дисциплины.
На примере той же зоологии можно убедиться в том, что новая дисциплина не обязательно возникает из того, что было частью старой: иногда в недрах старой появляется нечто существенно новое, о чём до того и не подозревали. Так, буквально на глазах одного поколения из зоологии выделилась этология — наука о врождённых формах поведения животных. Конечно, и прежде знали, что какие-то элементы поведения носят унаследованный характер, но утверждение этологии как самостоятельной области знаний знаменовалось появлением собственной системы идей, особых методических подходов.
Нет, причины появления нейробиологии иные. Они выражают важнейшую общую тенденцию современной биологической науки — тенденцию к интеграции подходов и идей, разработанных разными специализированными дисциплинами. Нейробиология в этом смысле стоит в одном ряду с некоторыми другими новыми направлениями, занявшими важнейшее место в науке о жизни, — с биологией клетки, биологией развития. Скажем, биология клетки как особая область науки определяется исключительно интересом к специфическому биологическому объекту — живой клетке; этот интерес позволил объединить усилия тех, кто пришёл к нему, работая в микроскопической анатомии, генетике, медицинской цитологии, микробиохимии и других специальных науках. Сходным образом интерес к особому предмету — процессу индивидуального развития — стал причиной рождения биологии развития, которая отнюдь не идентична эмбриологии или какой-то иной дисциплине (см. главу II). Такой подход к специфическому предмету исследования называют междисциплинарным. Нейробиология родилась из потребности преодолеть изоляцию и объединить усилия тех специальных дисциплин, которые занимались мозгом.
Исторически сложилось так, что нервная система изучалась специалистами разных медико-биологических наук независимо друг от друга. Нейрофизиология, как уже было сказано, появилась в рамках физиологии и давно приобрела полную самостоятельность. Любопытно, что классики нейрофизиологии — наш великий соотечественник И. П. Павлов и его знаменитый английский коллега Ч. С. Шеррингтон — начинали свою научную карьеру как физиологи широкого профиля и были в этом отношении похожи на своих предшественников, работавших в середине XIX в., но рубеж XX столетия и Павлов и Шеррингтон перешагнули, сосредоточив свои интересы на физиологии нервной системы, всё более специализируясь на чистой нейрофизиологии. Примерно в те же годы из среды микроскопистов выделились нейрогистологи — специалисты по микроскопическому строению нервной ткани. Биохимия возникла намного позже, но и в ней не замедлил сказаться процесс дифференциации; появилась нейрохимия. Можно вспомнить и другие дисциплины, предметом которых стала нервная система: нейрофармакология, нейроэндокринология и т. д. Сформировавшись самостоятельно, каждое научное направление существовало обособленно. Узкий специалист, даже крупный, был ограничен традицией своей дисциплины: микроскопист никогда не садился за физиологический прибор, а физиолог за микроскоп. У каждого была своя учёная среда, свой круг идей и интересов; дело доходило до того, что одни и те же понятия называли по-разному. Так, ещё совсем недавно русские нейрогистологи называли клетку невроном, тогда как у физиологов то же слово употреблялось в другой форме — нейрон, и этот разнобой никому не мешал, потому что гистологи читали свою литературу, а физиологи — свою.
Но упорное углубление разных нейродисциплин в свои внутренние задачи и дальнейшее разобщение не могли, в конце концов, не грозить полным тупиком. Примерно в конце 50-х — начале 60-х годов в разных научных центрах одновременно (и, следовательно, закономерно) стали преодолеваться узкодисциплинарные экспериментальные приёмы, способы мышления, понятия, привычки и предрассудки. Условия сложились так, что разные дисциплины искали ответы на одни и те же вопросы и каждой из них было трудно найти их своими ограниченными средствами. В результате специалисты вынуждены были переосмыслить свою область знаний, переучиться, посмотреть на нервную систему с иных позиций. Никакие университеты нейробиологов не готовили, нейробиологами поначалу становились люди, уже имевшие ту или иную специальность.
Методы исследований
Мало того, что к решению нейробиологических задач привлекаются методы разных специальных дисциплин, — сами методы всё чаще становятся такими, что применить их может только нейробиолог. Человеку, который не умеет или не желает выйти за рамки узкой классической специальности, такие методы просто не по плечу.
Рассмотрим в качестве примера одну из старых задач науки о нервной системе — задачу по выяснению формы нейрона. Известно, что нейроны очень различаются по размерам, числу отростков, их протяжённости, характеру ветвления и т. д. Представить себе, как выглядит интересующий вас нейрон, очень трудно: его отростки перепутаны, переплетены с отростками множества других нейронов. Вместе с тем, не решив этой задачи, невозможно судить о том, как организованы системы нейронов. Вот почему задача, о которой идёт речь, не стареет. Она была актуальной век назад и останется актуальной век спустя. Как решали её раньше? Простейшим приёмом издавна служила мацерация: нервной ткани давали немного погнить, пока не разрыхлятся сцепления между составляющими её клетками, а затем вытряхивали более или менее уцелевшие нейроны и рассматривали их в микроскоп. Понятно, что надёжность этого метода не очень велика.
Существовал ещё один старый способ, требующий виртуозного мастерства и доступный лишь единичным умельцам. Нужно было, пользуясь тонко заточенными иглами, вытащить одну клетку вместе со всеми её отростками из ткани мозга. Только тот, кто имел дело со студнем, именуемым нервной тканью, может оценить невообразимую трудность такой работы. Нужно было распутывать под микроскопом студневидный войлок! Чемпионом в этом деле по сей день остался умерший ещё в 1863 г. Дейтерс, блестящий немецкий исследователь, не доживший и до тридцатилетнего возраста. Рисунки изолированных нейронов, оставленные Дейтерсом, до сих пор поражают своей точностью, тонкостью деталей. Не случайно неоконченная рукопись Дейтерса стала классикой микроскопической анатомии, а предложенное им деление нервной клетки на части — тело клетки, дендриты, аксон — полностью сохранилось до наших дней. Но даже этот трудоёмкий способ таил возможности серьёзных ошибок, их не избежал и Дейтерс. Дело в том, что контакты между отростками разных нейронов иногда обладают большой прочностью. Дейтерс принимал за части одной клетки то, что в действительности принадлежало нескольким.
Кроме мацерации и механической изоляции, информацию о форме нейронов черпали из материалов микроскопического изучения срезов нервной ткани, окрашенных тем или иным способом. Особенно полезными оказались импрегнационные методы: при обработке нервной ткани солями некоторых металлов (в частности, серебра) металл как бы пропитывает отдельные клеточные элементы, что делает их видимыми на фоне других элементов, не связавших металл. Хотя химическая основа импрегнационных методов была совершенно неясной, они создали нейрогистологию. Картины в самом деле получались иногда очень красивыми: при определённых условиях обработки серебро почему-то выборочно выявляло немногие клетки, и тогда можно было проследить за ходом их отростков. На этом основан широко применявшийся в течение нескольких десятилетий метод Гольджи, автор которого, знаменитый итальянский микроскопист, был удостоен Нобелевской премии.
Но исследователь, применявший метод Гольджи, никогда не мог знать заранее, какая клетка и по какой причине будет импрегнирована. Великий испанский нейрогистолог Рамон-и-Кахаль, разделивший с Гольджи Нобелевскую премию, пополнил слепую химию импрегнационных методов кое-какими идеями, почерпнутыми из зарождавшейся в те годы фотографии, но был не в силах преодолеть принципиальную нелепость, когда клетки для окрашивания выбирает не исследователь, а случай.
Неуправляемость нейрогистологических методов, трудная воспроизводимость результатов, которые оказывались разными в руках разных исследователей, — всё это было одной из главных причин бесконечного спора по одному из главных вопросов науки о нервной системе: являются ли нервные клетки независимыми структурными единицами мозга, нейронами или же они переходят одна в другую, образуя непрерывный материальный субстрат, на котором разыгрываются процессы нервной деятельности. Даже Гольджи и Кахаль, два самых знаменитых представителя классической нейрогистологии, разделив одну Нобелевскую премию, не смогли до конца своих дней договориться о единой точке зрения на этот предмет. Гольджи утверждал, что он видит на своих микроскопических препаратах доказательства непрерывности субстрата нервных процессов. Кахаль видел независимые нейроны. Прав в этом вопросе был Кахаль, но защищаться приходилось тем не менее ему, — сторонники «нейронной теории» были почти повсюду в меньшинстве.
Хотя и сейчас имеется немало исследователей, применяющих серебряную импрегнацию, окрашивание срезов нервной ткани метиленовым синим и другие методы классической нейрогистологии, радикальным способом решения задачи по выяснению формы нейрона стали новые, нейробиологические методы, основанные на сочетании микроскопической и электрофизиологической (микроэлектродной) техники.
Первый из таких методов появился в конце 60-х годов. Его появлению предшествовало исследование группы советских гистохимиков, посвящённое так называемым проционовым красителям. Их разработали химики для текстильной промышленности. Эти красители заинтересовали биологов как вещества, образующие прочную ковалентную связь с белками. При исследовании красителей было обнаружено, что некоторые из них, в частности проционовый жёлтый, обладают сильной люминесценцией и, следовательно, могут быть использованы в люминесцентно-микроскопической гистохимии белков. Идея ввести проционовый жёлтый внутрь нейрона была предложена и проверена двумя американскими исследователями. Они воспользовались одним из стандартных методов клеточной нейрофизиологии — методом регистрации электрической активности нейрона с помощью внутриклеточного капиллярного микроэлектрода, заполненного раствором электролита. Заполнив такой стеклянный капилляр раствором проционового жёлтого, эти исследователи обычным образом ввели этот электрод внутрь нейрона и получили необходимые сведения о физиологических свойствах нейрона; вслед за этим, пропустив через капилляр электрический ток нужного направления, они вывели краситель из капилляра в нейрон. Оказалось, что краситель расходится по всему нейрону, затекает во все ветви его отростков, но не переходит клеточной границы. Если из нервной ткани, содержащей такой нейрон, приготовить микроскопические препараты и исследовать их в люминесцентный микроскоп, то люминесценцию будет проявлять только нейрон, инъецированный красителем.
Метод электрофоретического введения в нейрон проционового жёлтого стал родоначальником целой серии современных инъекционных методов избирательного выявления нужных нейронов. Сейчас чаще всего применяют для этой цели пероксидазу — фермент, добываемый из хрена. Пероксидаза тоже заполняет весь объем нейрона, ограниченный клеточной мембраной. Затем из исследуемого участка нервной ткани можно приготовить препараты для светооптической или электронной микроскопии. Чтобы сделать инъецированный нейрон видимым, нужно провести на срезе гистохимическую реакцию на пероксидазу.
Миф о нервном процессе
Перечисленные причины создания нейробиологии не единственные. Разобщённость нейродисциплин стала тормозом дальнейшего развития науки о мозге и междисциплинарный нейробиологический подход открывает новые возможности. В наше время, как никогда прежде, становится ясным, что мозг человека и животных — объект биологический и понимание работы мозга должно прийти со стороны биологии. До сих пор в основном искали в мозге сходство с каким-нибудь из известных технических устройств. Такой подход к познанию мозга можно назвать аналоговым. Техника довольно быстро развивается, на смену одним аппаратам приходят другие, соответственно на смену одним аналоговым представлениям об устройстве мозга появлялись другие, не менялся лишь сам подход. «Представления о природе рабочих механизмов мозга, — справедливо отмечал в одной из своих работ советский физиолог А. Б. Коган, — всегда в какой-то степени отражали состояние техники своей эпохи. Если Декарт усматривал в нервном аппарате рефлекса черты механических и пневматических машин своего времени, то современная нейрофизиология применяет для его изучения понятия о соединениях нейронных элементов в функциональные схемы, которыми пользуется электроника». Цитированные слова не содержат элемента иронии, их автор считает такой аналоговый подход естественным и, в свою очередь, ищет в современной ему электронике такие функциональные схемы, которые позволят, наконец, понять устройство мозга.
Между тем очевидно, что процесс эволюции техники не имеет ничего общего с биологическим процессом эволюции, благодаря которому образовался мозг. Со времён Декарта техника прошла бурный путь развития, но мозг человека и животных остался тем же самым. Крайне трудно представить, что этот неменявшийся материальный объект был в один из отрезков этого исторического периода построен из трубок и клапанов, позже представлял собой ничем не прерываемое переплетение проводов, ещё позже — подобие телефонной станции, где провода прерываются переключениями и реле, далее стал похож на компьютер, голографическое устройство и т. д., и т. п. Такую науку о мозге люди могут назвать посмешищем — и будут правы.
Чтобы разобраться в том, как это случилось, необходимо принять во внимание условия, в которых создавалась первая теория нервной системы, и личность её создателя.
Декарт объяснил нервную деятельность движением некоей специфической физической сущности; позже её назвали «нервным процессом». Для того чтобы нервный процесс мог осуществляться, требуется, чтобы субстрат нервной деятельности был однородным. В этом смысле все аналоговые представления хороши: они всегда конструируют нервную систему из однородных элементов. Аналоговая традиция возникла не из любви к технике, а из веры в миф о нервном процессе.
Что же собой представляет миф о нервном процессе и какова нейробиологическая реальность? Прежде чем говорить о содержании картезианской концепции нервной системы («Картезий» — это латинский перевод французского имени «Декарт»), следует напомнить, что исходной специальностью Рене Декарта была математика. Более того, он был выдающимся математиком, труды которого вошли в состав математической науки и используются ею по сей день. Этим многое объясняется. На самом деле, Декарт интересовался физиологией не более, чем какой-то другой наукой, например космогонией или метеорологией. В центре постоянных интересов великого мыслителя находилась разработка общей теории познания. Занимаясь этим, Декарт исходил из убеждения, что логические приёмы, используемые при решении математических задач, пригодны для решения любых задач. Задача об устройстве «машины человеческого тела» интересовала Декарта только в этом смысле. Она, как и множество других задач естествознания и техники, рассматривалась Декартом всего лишь как возможность для демонстрации эффективности разработанных им гносеологических приёмов.
Известно, что Декарт высоко оценивал идею кругового движения крови, обоснованную исследованиями Гарвея. Более того, Декарт связал с этой идеей своё представление о том, как функционирует мозг.
Поучительно сравнить на примере решения задачи о движении крови, как работали Гарвей и Декарт. Гарвей целиком полагался на наблюдения и эксперименты, но никогда не претендовал на то, что он полностью понимает механизмы наблюдаемых им явлений. Установив, что кровь движется по кругу и что её гонит сердце, Гарвей не был озабочен тем, что не знает, отчего бьётся сердце. Он интуитивно следовал такой теории познания, которая довольствуется относительной истиной. Для Декарта это было неприемлемо. Объяснение движения крови, которого придерживался он, претендовало на полное понимание механизма и, согласно разработанной им теории познания, последовательно выводилось из знаний, которые он, Декарт, считал достоверными. В данном случае за достоверные принимались физические знания о расширении нагреваемых тел: причиной движения крови Декарт считал разогревание её в полости сердца.
Картезианское представление о нервном процессе основано на тех же позициях. Животный и человеческий механизм, считал Декарт, приводятся в действие движением особого фильтрата крови по нервам, имеющим трубчатое строение. Иллюстрировать эту концепцию помогают несколько выдержек из работы «Страсти души» (1645–1646) — одного из поздних сочинений Декарта, содержащего достаточно подробное изложение основ его идей.
«Первым действием этой теплоты является разрежение крови, наполняющей полости сердца. Единственно это даёт крови движение и вызывает беспрерывное и оживлённое её течение по всем артериям и венам. »
«Но здесь особенно важно то, что все наиболее подвижные и тонкие частицы крови, разреженные в сердце, входят без сомнения в полости мозга. В силу крайней узости проходов только самые подвижные и тонкие частицы крови проникают туда, в то время как остальная масса их расходится по другим частям тела. Эти-то тончайшие частицы образуют собой «животные духи».
Но движение «духов» по нервам не могло бы обеспечить работу машины человеческого тела, не будь оно направленным. Декарт объяснил и направленность, выведя своими логическими методами достоверную истину (он именно так называл то, что сейчас назвали бы рабочей гипотезой) о существовании миниатюрных нитей, проходящих внутри каналов, по которым движутся «духи»; механическое воздействие на такую нить, оказанное на одном конце нерва, передаётся по ней на другой его конец («. подобно тому, — писал Декарт, — как движение одного конца верёвки заставляет двигаться другой конец»), вследствие этого движутся заслонки, открывающие или закрывающие путь для движения «духов».
Эта умозрительная концепция удовлетворительно объясняет всю «простую» нервную деятельность (во всяком случае, всю нервную деятельность животных; для человека Декарт делал исключение, считая, что у него распределением потоков «животных духов» отчасти ведает и душа, располагающаяся в удобном для этой функции месте — шишковидной железе). В самом деле, трубки, нити и заслонки позволяют связать сенсорику с управлением мышцами. Так, по словам Декарта, «все видимые вещи сообщаются с нами только путём местных движений: именно при посредстве прозрачных телец, находящихся между предметами и нами, маленьких нитей зрительных нервов в глубине наших глаз и, наконец, тех частей мозга, откуда идут эти нити». «Духи», идущие от мозга к мышце, по мысли Декарта, не только вздувают последнюю, но и «открывают все входы, по которым «духи» другого мускула могут перейти в этот», т. е. обеспечивают расслабление антагонистической мышцы.
Не вдаваясь в дальнейшие детали представлений Декарта, подведём главный итог. За исключением того, что касается души и её седалища, это, несомненно, материалистические представления о механизме управления машиной человеческого тела. Такой подход к пониманию природы человека — великая историческая заслуга французского мыслителя. Но не менее очевидно, что это — абсолютно умозрительное представление, не обоснованное ничем, кроме рассуждений, которые самому Декарту казались достаточными для получения достоверной истины.
В целостной и, безусловно, остроумной теории, разработанной Декартом, центральное место занимает представление о специфическом материальном начале, способном стремительно и направленно двигаться по специфическим каналам; потоки этого начала управляются внешними сигналами через органы чувств и сами управляют деятельностью мышц. Декарт считал это представление истинным; но оно было рабочей гипотезой, которую следовало бы так или иначе проверить. Но никакой другой гипотезы у физиологии не было, и умозрительное представление Декарта было воспринято последующими поколениями естествоиспытателей как представление о чём-то реально существующем, как несомненное знание. Так возник миф о нервном процессе.
Если мы перенесёмся из первой половины XVII столетия в первую половину нашего, XX в., мы найдём этот миф хорошо сохранившимся; изменения коснулись только суждений о физической природе того материального начала, которое несётся по специфическим каналам, связывая сенсорику с моторикой. Вот короткий отрывок из книги В. М. Бехтерева «Общие основы рефлексологии человека», опубликованной в 1926 г.:
«Когда мы смотрим на предмет. или когда достигают нашего кортиева органа воздушные звуковые волны и т. п., то это означает, что внешние энергии, действуя на окончания воспринимающих органов нашего тела, трансформируются в молекулярную энергию, представляющую форму нервного тока, который, направляясь по центростремительным проводникам к мозгу, сам по себе является особым видом энергии. В дальнейшем же, возвращаясь при посредстве центробежных волокон в виде нервного тока на периферию к мышцам и железам, та же энергия переходит в молекулярную энергию мышц, с одной стороны, и молекулярную же энергию желёз — с другой».
В такой трактовке механизма нервной деятельности выражалась не личная точка зрения Бехтерева, а общепринятая концепция. В ней нет решительно ничего такого, чего нельзя было бы найти в теории Декарта: то же представление о «нервном токе», особом физическом начале; такое же описание канализированного движения этого начала от мозга к эффекторам. Изменения, которые эта концепция претерпела за три столетия, невелики и второстепенны. Во-первых, изменился взгляд на место возникновения «нервного тока», он поступает в мозг не из артериальной крови, как считал Декарт, а из органов чувств, где образуется благодаря действию внешних энергий (у Декарта он возникал благодаря действию сердечной теплоты). Во-вторых, изменился взгляд на физическую сущность «нервного тока», — это уже не фильтрат крови. «Ныне не может подлежать сомнению, что основой нервного процесса является электрический ток», — писал в своей книге Бехтерев, выражая общепринятое мнение, упоминая славные имена Гальвани, Вольта и Гельмгольца и справедливо отмечая, что «учение о нервном процессе развивалось медленно и постепенно».
Таким образом, нейрофизиология нашего, XX в. выражала идею нервного процесса в том самом виде, в каком её сформулировал Декарт. Уточнения, касавшиеся физической природы процесса, не затрагивали существа идеи. Сошли со сцены физиологи того поколения, к которому относился Бехтерев; исследованием физической сущности «нервного процесса» занялись новые люди, преимущественно биофизики, возникла и продолжает разрабатываться теория нервного импульса.
И вот что любопытно. Декарт полностью отдавал себе отчёт в том, что его представление о нервном процессе — априорно. Более того, он считал, что только так и следует работать, — полагаясь более всего на разум.
Конечно, Гальвани и Вольта, Гельмгольц и Нернст, как и многие другие, кто внёс свой вклад в развитие «учения о нервном процессе», были экспериментаторами и знания об электрических явлениях в животном организме были знаниями, извлечёнными из экспериментов, но сами эксперименты ставились и интерпретировались таким образом, что они обслуживали априорное представление.
Рассмотрим характерный пример — знаменитые эксперименты Гельмгольца. Как известно, благодаря изобретательному приёму Гельмгольцу удалось в 1850–1852 гг. измерить время, в течение которого возбуждение пробегает расстояние между двумя точками нерва. Задачу и результаты этих экспериментов Гельмгольц и его современники понимали совершенно определённо: нерв рассматривался как удобный для экспериментирования участок картезианского канала; не было ни малейшего сомнения в том, что знания о скорости распространения возбуждения, полученные на этом участке, можно экстраполировать на весь канал, ибо это знание о скорости того самого нервного процесса. Эту интерпретацию экспериментов Гельмгольца унаследовала наука XX в. В своих примечаниях к русскому переводу этих работ известный биофизик П. П. Лазарев уже в 1923 г. ставил Гельмгольцу в заслугу то, что он определил «скорость нервного процесса», которую такие гиганты, как Ньютон, Ломоносов и учитель Гельмгольца Иоганнес Мюллер, считали неизмеримо большой.
В действительности Гельмгольц измерил характеристику, имеющую достаточно отдалённое отношение к механизмам нервной деятельности. Нерв — это пучок клеточных отростков, каждый из которых связывает отдалённые участки одного нейрона. Эксперименты Гельмгольца дали результат, позволяющий судить о скорости процесса, посредством которого в пределах одного нейрона обеспечивается соответствие между клеточной рецепцией и клеточной секрецией, т. е. это характеристика внутринейронального механизма. Нервная деятельность — это совокупный результат межнейрональных взаимодействий. Ни классические эксперименты Гельмгольца, ни современные исследования, посвящённые механизмам нервного импульса, не дают никакой информации о том, как организованы и как функционируют нейронные системы — никакой, проще говоря, информации о механизмах нервной деятельности.
Но этого никто не знал. Казалось, что знания о «нервном процессе» и есть знания о том, как функционирует мозг. Положительные знания, добытые экспериментальной физиологией, обладали мнимой ценностью, потому что они добывались и толковались в условиях доминирования умозрительной гипотезы, подминавшей факты под себя. Казалось, что наука оперирует фактами, в действительности она оперировала интерпретациями.
Теоретическое наследие Декарта претерпело разительную метаморфозу. В течение двух столетий оно оказывало мощное стимулирующее влияние на развитие физиологии, помогало упрочению материалистического взгляда на природу человека. Но по мере развития биологических знаний всё явственней становились противоречия между ними и умозрительной теорией нервного процесса. Конфликт обнажился в связи с появлением клеточной теории. Это важнейшее обобщение было легко и быстро воспринято всеми науками медико-биологического цикла, кроме науки о нервной системе: картезианское представление о нервном процессе не могло примириться с представлением о дискретном, клеточном строении нервной ткани. То, что было ускорителем науки, стало её тормозом: на утверждение нейронной теории потребовались долгие десятилетия.
Но и утвердившись, нейронная теория продолжала платить дань старому мифу. Признание клеточного строения нервной системы сопровождалось допущениями, которые сводили на нет все неудобства, созданные нейронами для нервного процесса.
Напомним ещё раз, что практически вся нейрофизиология почти до середины нашего столетия была занята изобретением механизма, позволяющего увидеть в цепочке нейронов привычный картезианский канал, приспособленный для проведения специфического физического процесса. Центральную и периферическую нервную систему по-прежнему понимали как совокупность «проводящих путей», объясняя электрическими механизмами синаптической передачи непрерывное движение нервного тока.
Если биоэлектрический постулат сохранял идею единого нервного процесса, то постулат о гистогенетическом единстве нейронов был способом спасения идеи единства материального субстрата нервной деятельности. Биологическая реальность не давала серьёзных поводов утверждать, что все нейроны развиваются из общей эмбриональной закладки; напротив, разнообразие закладок было достаточно очевидным. Если, тем не менее, во всех руководствах утверждалось противоположное, то только потому, что невозможно было представить, как построить «проводящий путь» (канал) для нервного тока из неодинаковых но происхождению, т. е. просто неодинаковых, клеток.
Данью мифу был ещё один постулат классической нейронной теории — представление о функциональной поляризации нейрона, согласно которому у каждого нейрона чётко различимы два конца — входной и выходной. Состыковав такие поляризованные нейроны в цепочку, можно в самом деле построить каналы, обеспечивающие направленное движение нервного тока.
Реальные нервные системы
У сегодняшней нейробиологии нет законченной теории нервной системы, которая, подобно теории Декарта, давала бы стройное, логичное и непротиворечивое представление о том, как функционирует мозг человека и животных. Но имеются весьма обширные фактические данные, достаточные для некоторых эмпирических обобщений. Такие обобщения хороши уже тем, что показывают, насколько далека нейробиологическая реальность от той нейромифологии, о которой шла речь в предыдущем разделе.
Рассмотренные ниже наиболее общие черты организации нервной системы, те, которые присущи любому организму от гидры до человека, в совокупности составляют специфику нервной системы, отличая её от других систем животного организма.
1. Нейроны, из которых построены реальные нервные системы, — это железистые клетки, специализированные для синтеза и секреции физиологически активных веществ.
Среди этих веществ принято различать медиаторы (их называют также нейротрансмиттерами, синаптическими передатчиками) и нейрогормоны. Медиатором вещество называют в том случае, когда оно действует контактно, т. е. выделяется нейроном в межклеточную щель и действует на клетку, лежащую по другую сторону щели, а нейрогормоны действуют дистантно, т. е. выделяются в кровь и её потоком доносятся до отдалённых клеточных мишеней. Очевидно, что различие между медиатором и нейрогормоном достаточно условно, нередко в той и другой роли выступает одно и то же вещество и даже продукт секреции одного и того же нейрона.
Контакты, в которых взаимодействие между двумя клетками осуществляется при посредстве продукта нейронной секреции — медиатора, обычно называют химическими синапсами. Известно, что, кроме химических синапсов, в нервной системе существуют и так называемые электрические синапсы — контакты, в которых взаимодействие между клетками идёт при посредстве электрического тока. Не следует ли из этого, что нейронные системы построены не только из секреторных клеток? По-видимому, нет. В хорошо исследованных случаях, как правило, оказывалось, что нейроны, вступающие в электрическую связь, — это всё-таки железистые клетки, но секреция происходит у них зачастую не там, где находятся электрические синапсы.
Так, нейроны, управляющие электрическими органами электрических рыб, должны секретировать ацетилхолин очень синхронно, поэтому их дендриты связаны электрическими синапсами; секрецию при этом ведут аксонные окончания, иннервирующие электроплаксы (электрические пластинки). Очень часто электрически связанными бывают изохимичные (т. е. имеющие общий секреторный химизм) нейроны: этим достигается одновременный выброс секрета, запасенного всеми связанными клетками, т. е., иначе говоря, достигается высокая концентрация нейрогормона в крови или медиаторов в нейропиле.
Другие примеры показывают, что железистая природа нейронов, связанных электрическими синапсами, — это, скорее всего, общее правило. Так, уже упомянутые электромоторные нейроны, управляющие электрическими органами рыб, сами управляются некоторыми вышестоящими нейронами, и управление осуществляется химическим, медиаторным способом, но эти вышестоящие секреторные нейроны иногда бывают связаны между собой электрическими синапсами.
Конечно, с полной уверенностью нельзя сказать, что нигде и никогда не встретятся нейроны, лишенные способности к секреции. Но если такие нейроны и существуют, то они, судя по всему, являются исключением из общего правила. А оно состоит в том, что нейронные системы, осуществляющие ту или иную функцию управления и координации, построены из секреторных клеток.
2. Реальная нервная система всегда представлена некоторым разнообразием типов нейронной секреции.
Это свойство нервных систем удобно называть гетерогенностью (разнородностью) их клеточного состава. Ни у каких организмов, обладающих нервной системой, даже у наиболее примитивных, не удалось найти гомогенной (однородной) нейронной популяции: неизменно оказывалось, что нервные клетки, составляющие систему, специализированы для выработки и секреции разных физиологически активных веществ.
Перспективы теоретической нейробиологии
Такова нейробиологическая реальность, и она не может не возбуждать вопросов.
Предложенное выше видение реальности само по себе уже является попыткой ответа на вопрос — тот вопрос, на который следует отвечать в первую очередь: что собой представляет субстрат нервной деятельности? Эмпирические обобщения, рассмотренные в предыдущем разделе, дают первичное описание картины этого субстрата. Если эта картина рассмотрена правильно и соответствует реальности на самом деле, а не только в нашем воображении, она может стать основой для обобщений более высокого, теоретического уровня. Знания о гетерогенности нейронных систем должны быть концептуализированы.
Американский нейробиолог Э. Кэндел, автор переведённой на русский язык монографии «Клеточные основы поведения» (1980), писал, что нервную систему в принципе можно было бы построить, используя только один медиатор, варьируя типы, комбинации и расположение рецепторов в постсинаптических клетках и последовательность их активации. Если эти доводы, убедительные для нейробиолога, неприемлемы для реальных нервных систем, значит, нейробиолог не понимает чего-то важного в своём деле.
Концептуализация должна коснуться и сравнительно-нейробиологических знаний о том, что химическая гетерогенность нейронов столь консервативна. На основании знаний о длительном эволюционном пути хордовых представляется неправдоподобной мысль о том, что в примитивной нервной системе какой-нибудь червеподобной пескоройки (личинки миноги) или в единственном нервном узелке асцидии наблюдается, в общем, тот же самый набор нейронов, из которого построены нейронные системы нашего мозга. Факты, однако, показывают, что у самых разных организмов, обладающих нервной системой, имеются одни и те же типы секреторного химизма нейронов, одни и те же способы действия медиаторных веществ. Теория должна ответить на вопрос о происхождении разнообразия нейронов и о том, по каким правилам складываются гетерогенные нейронные популяции.
Короче, нейробиологическая теория, т. е. биологическая теория нервной системы, будет,по-видимому, формироваться как теория гетерогенных клеточных систем.
Хотя современная наука ещё не располагает разработанной теорией гетерогенных нейронных систем, было бы неправильным считать, что в этом направлении совсем ничего не сделано. Разными авторами высказывались и продолжают высказываться разные по своему масштабу и значению соображения, некоторые из них могут оказаться элементами будущей теории. В качестве примера можно привести уже приведённую выше мысль X. С. Коштоянца о существенном единстве химических механизмов нервной деятельности у всех организмов, обладающих нервной системой. Эту мысль, впервые высказанную ещё в 30-х годах, Коштоянц теоретически оформил в 50-е годы, выдвинув положение о том, что нервная система унаследовала системы химической регуляции, которые существовали до её возникновения.
Он писал в одной из своих последних работ о том, что ацетилхолиновая система уже в донервный этап имела отношение к таким физиологическим процессам, как регуляция активного транспорта ионов, электрическая возбудимость и ритмическая или периодическая электрическая активность, и, наконец, к таким процессам, как возникновение и распространение возбуждения и разные формы автоматических движений. С появлением в филогенезе животных нервной системы ацетилхолин и холинэстераза как агенты химической регуляции более древних форм включаются в сложную цепь биохимических процессов нервной системы, играя в этой цепи важную функциональную роль.
В научном коллективе, которым руководил Коштоянц, к началу 60-х годов сложилась концепция смены функций медиаторов. Особенно большой вклад в её разработку внёс видный советский эмбриофизиолог Г. А. Бузников, чьи исследования, посвященные донервным функциям медиаторных веществ, привели к созданию новой области экспериментальной эмбриологии. Согласно этой концепции, детально обоснованной в монографии Г. А. Бузникова «Низкомолекулярные регуляторы зародышевого развития» (1967), ацетилхолин, серотонин и другие известные из нейрофизиологии медиаторные вещества, регулирующие процессы клеточного метаболизма и митоза в раннем онтогенезе, позже выступают в роли локальных гормонов и лишь вслед за тем становятся синаптическими передатчиками. Сходным образом функции медиаторных веществ могли меняться в филогенезе.
Эти идеи указывают путь к ответу на вопрос о том, как возникло разнообразие нейронов. Оно могло возникнуть на основе предсуществовавшего разнообразия веществ-регуляторов, точнее, тех из них, которые на донервном этапе истории выделялись из железистых клеток с помощью секреторного механизма, управляемого мембранным потенциалом.
Имеются и другие теоретические разработки, облегчающие понимание того, как произошло присущее нервным системам разнообразие нервных клеток. Автором этого очерка было обнаружено и описано явление медиаторного изохимизма гомологичных нейронов. Существо явления состоит в следующем. Пользуясь, приёмами, разработанными классической сравнительной анатомией, можно установить гомологию отдельных клеточных групп, иногда даже гомологию индивидуальных уникальных нейронов, относящихся к разным, порой весьма далёким друг от друга нервным системам. При этом оказывается, что гомологичные нейроны обладают одинаковым секреторным химизмом. Это впервые было показано на материале гигантских нейронов моллюсков, а позже было подтверждено другими авторами на разных объектах.
Факты, свидетельствующие об изохимизме гомологичных нейронов, позволяют думать, что любые нейроны, имеющие сходный химизм, могут быть гомологичными, т. е. иметь общее филогистогенетическое происхождение. Это означало бы, что нейроны разных типов химизма имеют разную родословную — происходят от разных донервных предковых клеток. Возвращаясь к идее о предсуществовавшем разнообразии, можно внести в неё существенное уточнение: возникновению нервной системы могло предшествовать разнообразие железистых клеток, специализированных для секреции веществ-регуляторов.
Важным аргументом в пользу этой гипотезы полигении (множественного происхождения) нейронов служат полученные недавно данные, свидетельствующие о наличии эпителиальных клеток, изохимичных специфическим нейронам, у древних, примитивных животных. Особенно интересно, что такие клетки обнаруживаются в составе эпителия ресничных желобков и бороздок, — ведь нервная трубка позвоночных, дающая начало головному и спинному мозгу, развивается на месте ресничного жёлоба как его производное. Не ресничные ли желоба древних многоклеточных животных были тем местом, где создавалось разнообразие нейронов?
Наши недавние исследования в этом направлении проводились на организмах, близких к предкам позвоночных, — оболочниках (асцидии и их личинки), бесчерепных (ланцетник). Эти животные сохранили присущий предкам хордовых способ питания, они фильтраторы; отцеженные из морской воды частицы транспортируются к отверстию пищевода по эпителиальному жёлобу — эндостилю, в котором имеются клетки, выделяющие слизь, и клетки, которые гонят слизь и прилипшие к ней частицы к пищеводу. Исследование показало, что по всей длине эндостиля в его составе имеются эпителиальные клетки, специализированные для секреции серотонина (и, по-видимому, физиологически активного пептида — кальцитонина). Выше уже говорилось о том, что во многих многоклеточных системах серотонин стимулирует и биения ресничек, и секрецию слизи. Функцию серотониновых клеток эндостиля легко себе представить: продукт их секреции, оказывая синергичное (согласованное) воздействие на ресничные и железистые эффекторные клетки жёлоба, может служить активатором всей системы. Какую-то иную регуляторную функцию могут иметь клетки, специализированные для секреции катехоламина, которые тоже найдены нами в составе эндостиля. В этом простейшем эпителиальном органе обнаруживается около десятка типов клеток, и некоторые из них (а именно клетки, продуцирующие серотонин и катехоламин) наглядно демонстрируют, какими могли бы быть анцестральные клетки соответствующих типов нейронов.
Сказанное, хотя и в меньшей степени, относится к вопросу о том, как реализуется клеточная гетерогенность, какое место она занимает в механизмах функционирования нейронных систем. Здесь полезным может оказаться подход, подобный тому, который только что был применён при обсуждении вопроса о функции серотониновых секреторных клеток в эндостиле: серотонин может быть фактором, интегрирующим синергичное участие разных клеток системы в целостной реакции.
Сходным образом в гетерогенной нейронной системе специфический секрет может быть фактором, обеспечивающим согласованное участие клеточных мишеней в построении специфической синергии.
Удобным материалом для иллюстрации могут служить некоторые результаты изучения клеточных механизмов поведения. Такие исследования чаще всего проводят на относительно просто устроенных нервных системах беспозвоночных, среди которых особенно популярны заднежаберные и лёгочные моллюски, имеющие крупные нейроны.
Пионером нейрофизиологического изучения отдельных, идентифицируемых нейронов моллюсков была работавшая во Франции Анжела Арванитаки, которая ввела в лабораторную практику два замечательных объекта: изолированный абдоминальный ганглий морского моллюска аплизии и изолированное кольцо ганглиев наземной (виноградной) улитки. В конце 50-х годов оба препарата уже использовались несколькими коллективами исследователей. В 1962 г. советскими нейробиологами был найден объект, обладающий ещё более крупными нервными клетками, — морской голожаберный моллюск тритония. Советские учёные начали микроэлектродные исследования на нейронах тритонии; в 1965 г. их продолжили в Англии и США; в 1967 г. американский физик Деннис Уиллоуз опубликовал интересную работу, в которой впервые успешно попытался проанализировать клеточные механизмы поведения.
В отличие от своих предшественников, Уиллоуз имел дело не с клетками нервного узла, вырезанного из моллюска, а с клетками целого, свободно движущегося животного. Понятно, что ввести микроэлектроды в определённые, идентифицированные под контролем микроскопа нейроны целого животного и регистрировать активность этих нейронов в условиях, когда моллюск проявляет различные поведенческие акты, было необычайно трудным делом, но Уиллоуз с помощью остроумных методических решений успешно преодолел эти трудности. Им были получены впечатляющие результаты о нейронных коррелятах поведения, был дан образец, которому старались следовать все, кто решался ставить аналогичные эксперименты на тритонии или на других моллюсках.
Рассмотрим в качестве примера специфическую поведенческую реакцию моллюска — так называемую «реакцию пробуждения». Виноградную улитку (речь пойдёт именно о ней, потому что здесь больше собственного опыта, но рассматриваемая реакция представлена и у других форм), находящуюся в состоянии спячки или укрывшуюся в раковине вследствие защитного рефлекса, можно побудить к деятельности подходящим раздражением, например почёсыванием поверхности мантии через окошечко, проделанное в раковине. При достаточной длительности и интенсивности такого раздражения возникает поведенческая реакция. В ней различаются отдельные компоненты: расслабляются ретракторные мышцы, которые до того втягивали ногу и щупальцы; включается генератор локомоции; по подошве начинают пробегать мышечные волны; начинает работать генератор ритмических движений рта и глотки, обеспечивающих соскрёбывание пищи и поступление её в пищевод; учащаются сердцебиения и т. д. Существенно вот что: все названные компоненты поведенческого ответа обязаны посредничеству одного и того же медиаторного вещества — серотонина. Серотонин, секретируемый специфическими нейронами, управляет своими мишенями как контактно, так и дистантно. Строго говоря, его нельзя назвать ни нейротрасмиттером, ни нейрогормоном — он сочетает свойства гормона и синаптического передатчика. Хорошо изучены клеточные механизмы активирующего действия серотониновых нейронов на нейронный генератор движений рта и глотки. Это активирующее влияние описывается в понятиях синаптической передачи и регистрируется в виде постсинаптических потенциалов. Напротив, расслабляющее действие серотонина на ретракторы, может быть, реализуется гормональным путём, так как в ретракторах пока не удавалось наблюдать прямой серотониновой иннервации. Серотонин попадает в кровь скорее всего в сердце. Сердце богато снабжено секреторными окончаниями серотониновых нейронов. Выходящий из этих окончаний серотонин контактно (т. е. как синаптический передатчик) действует на клетки миокарда, стимулируя сердцебиения. Тут же он превращается в гормон и уносится кровью к отдалённым мишеням (серотонин-чувствительным клеткам).
Анализ элементарных механизмов «реакции пробуждения» показывает, что серотонин выступает здесь в роли фактора, интегрирующего эту поведенческую реакцию. Интегрирующее действие серотонина осуществляется не на каком-то определённом уровне иерархической структуры управления поведением, например на уровне эффекторов или на уровне командных нейронов: уровни различны. Существенно, однако, что отдельные системы, участвующие в выполнении «реакции пробуждения», в том или ином своём звене обеспечены такими рецепторами серотонина, которые позволяют этим системам реагировать на серотонин согласованно. Одни нейроны возбуждаются, другие тормозятся; одни мышцы активируются, другие расслабляются; ветвь аксона той же серотониновой клетки, которая активирует генератор жевания, идёт к слюнной железе, — очевидно, затем, чтобы одновременно активировалась секреция слюны; серотонин активирует секрецию подошвенной слизи и биения подошвенных ресничек, — очевидно, затем, чтобы способствовать продвижению улитки по субстрату. Разнообразие клеточных рецепторов серотонина, разнообразие ионных механизмов ответа разных клеток на это вещество приобретает глубокий смысл — они служат тому, чтобы клетки и органы участвовали в поведении, вызванном серотонином, согласованно.
Можно просто ввести серотонин в полость тела улитки, и при этом наблюдается хорошо скоординированная «реакция пробуждения» со всеми её компонентами. Этот эксперимент грубоват, в нём больше везения, чем смысла, — это станет понятным из дальнейшего; и всё же он демонстративен, поскольку показывает, что разные типы рецепторов, реагирующих на серотонин, распределены не случайно и беспорядочно, а обеспечивают некое упорядоченное состояние системы при появлении медиаторного серотонина в окружающем клетки растворе.
Представляется весьма вероятным, что медиаторные вещества имеют не только ту «передаточную» функцию, с которой нейрофизиологи уже давно знакомы, но и другую функцию — интегративную. Этим бы легко объяснилась амбивалентность медиаторов и способность их дублировать друг друга, ведь каждый из них должен создавать свою синергию, т. е. обеспечивать весь набор синаптических эффектов.
Если так, то «поведенческий репертуар» гетерогенной нейронной системы можно представить как набор синергических состояний, каждое из которых интегрировано специфическим химическим агентом. К такой системе применима формула: один медиатор — одна синергия, и разнообразие типов нейронной секреции становится здесь мерой разнообразия «поведения». Слово «поведение» взято в кавычки по той причине, что речь шла о состояниях нейронной системы, а не о собственно поведении животного. Пример с «реакцией пробуждения» улитки был примером поведенческим, но на самом деле это скорее исключение, чем правило. Если продукты нейронной секреции и выполняют интегративную функцию, то, скорее, в локальных компартментах нервной системы, чем на уровне всего организма.
Конечно, и на организменном уровне имеются синергии, управляемые физиологически активными веществами, но эти синергии строятся гормонами. Изучение механизмов гормонального управления эффекторами, взаимодействия между гормонами и т. д. может многое дать для понимания механизмов нервной деятельности, но это ещё не нервная деятельность, — гормональные механизмы медленны и инерционны. Интеграция поведения улитки серотонином близка к гормональной, хотя здесь существенную роль играет и быстрое, контактное управление мишенями. В собственно нервной деятельности определяющими становятся контактные химические взаимодействия между нейронами, т. е. взаимодействия через узкую межклеточную щель; если медиатор не выходит за пределы локальной нейронной системы, то одно и то же медиаторное вещество может выполнять разные интегративные функции в разных участках одной нервной системы.
Вот почему пример с «реакцией пробуждения» не очень хорош: здесь сфера действия вещества — весь организм. Это не типичный, а предельный случай. В реальных условиях сфера действия медиатора в большей или меньшей степени локализована. Даже в рассмотренном нами примере, в котором разбиралась интегративная функция серотонина у улитки, можно найти указания на необходимость такой локализации. Представим себе, что улитка ползёт по субстрату, с которого нечего взять в пищу, и вдруг натыкается на хорошую еду: генератор пищедобывательной моторики в этих условиях следует активировать, а генератор локомоции активировать ни к чему, его лучше притормозить. Прежняя серотониновая синергия становится бессмысленной: если ввести улитке серотонин или заставить возбуждаться и секретировать все серотониновые нейроны, улитка проползёт мимо пищи.
И действительно, серотониновые нейроны улитки не представляют собой подобия нейросекреторного ядра, в котором все клетки электрически связаны и обязаны возбуждаться одновременно. Активацию пищедобывательной моторики обеспечивают две симметрично расположенные нервные клетки (гигантские метацеребральные нейроны). Эти серотониновые клетки могут возбуждаться и затормаживаться независимо от других (например, от клеток, обеспечивающих учащение сердцебиений). У некоторых видов моллюсков парные метацеребральные клетки бывают электрически связаны между собой, и это понятно — ведь они всегда делают общее дело. Секреторные окончания отростка каждой из метацеребральных клеток ветвятся в нейропиле (войлоковидном сплетении нервных волокон) каждого из двух буккальных ганглиев, которые совместно управляют пищедобывательной моторикой. Если при «реакции пробуждения» сферой действия серотонина становился чуть ли не весь организм улитки, то при отдельной активации метацеребральных клеток эта сфера ограничивается нейропилем буккальных ганглиев. Здесь, в буккальном ганглии, одни нейроны, как уже говорилось, возбуждаются, другие тормозятся серотонином, т. е. складывается своя, локальная серотониновая синергия (строго говоря, к компонентам этой синергии относятся и другие клеточные элементы, получающие прямую иннервацию от гигантских серотониновых метацеребральных клеток — некоторые мышцы, слюнные железы и др.).
Среди нейронных аппаратов, ведающих специфическим поведением, аппарат, расположенный в буккальных ганглиях и ведающий пищедобывательной моторикой моллюсков, наиболее исследован. В разных нейробиологических лабораториях мира проводятся детальные, поклеточные микроэлектродные исследования этого аппарата у нескольких видов брюхоногих моллюсков (у виноградной улитки, аплизии, большого прудовика, роговой катушки и некоторых других форм). Накопленные данные показывают, что периодически сменяющим одна другую фазам мышечных сокращений и расслаблений сложно устроенного моторного аппарата ротоглоточной области соответствуют меняющиеся нейронные синергии. Но способ их организации пока неизвестен. Дальнейшие исследования позволят ответить на важный вопрос: реализуется ли при этом химическая гетерогенность системы, т. е. функционирует ли она по правилу «один медиатор — одна синергия». Серотонин, который активирует буквальную моторику в целом, действуя как бы «надфазово», вряд ли может быть медиатором, ответственным за какую-то из фазовых синергии этой моторики. Пока экспериментальные данные, полученные при изучении серотонина, не отвечают на этот вопрос, а только подсказывают возможный путь к получению ответа.
Само собой разумеется, что правило «один медиатор — одна синергия» есть идеализация, позволяющая описывать функционирование нейронных систем, пренебрегая анатомическими связями между нейронами. В такой идеализованной нейронной системе необходимо и достаточно, чтобы каждая клетка контактировала с каждой (например, в волокнистом войлоке — нейропиле), а специфичность связей обеспечивается наличием у разных клеток определённых рецепторов к определённым медиаторным веществам. В реальных нервных системах нейропиль в той или иной степени анатомически организован.
Но ведь и традиционные нейронные схемы, в которых специфичность связей обеспечивается только анатомическими средствами, есть не что иное, как идеализация. Пренебрегать разнообразием медиаторов и утверждать, что «всю нервную систему в принципе можно было бы построить, используя только один медиатор» (Кэндел, 1980), можно только потому, что сферу действия медиатора мыслят ограниченной до теоретического предела — одной синаптической щели. В рамках такой идеализации недопустимо, чтобы медиатор функционировал за пределами «своего» контакта. Как только это произойдёт, система расстроится. Но существуют ли идеальные химические синапсы, обеспеченные абсолютными диффузионными барьерами, в природе?
Любопытно, что авторы, которые брались за описание строения синапсов у моллюсков и начинали с этой целью изучать их нейропиль в электронный микроскоп, неизменно выражали полное недоумение результатами своего исследования: синапсов не было! Или же их было чрезвычайно мало — настолько мало, что представлялось невозможным объяснить, как эти немногочисленные контакты могут обеспечить многочисленность связей между нейронами, регистрируемых электрофизиологическими методами. Чтобы разобраться в этой странности, группа английских исследователей предприняла следующий эксперимент. Был взят нейрон, про который заведомо было известно, что он образует множественные моносинаптические (т. е. прямые, не опосредованные другими нейронами) связи с клетками двух ганглиев окологлоточного нервного кольца пресноводной улитки катушки. В этот нейрон ввели метку, позволяющую находить ветви его отростка на ультратонких срезах нейропиля, и проследили за этими ветвями в электронный микроскоп. Синапсов не было! Наполненные секреторными пузырьками ветви меченого отростка переплетались с многочисленными ветвями отростков других нейронов, не образуя никаких картин, которые свидетельствовали бы о существовании индивидуальных изолированных контактов. Судя по электронно-микроскопическим результатам, возбуждение изученного нейрона должно приводить к появлению медиатора (в данном случае это дофамин) в межклеточной жидкости определённых, обширных зон нейропиля. Постсинаптические потенциалы при этом, очевидно, регистрируются в тех клетках, отростки которых погружены в этот матрикс и имеют дофаминовые рецепторы того или иного рода. Эти потенциалы могут ничем не отличаться от тех, которые приписываются существованию синапсов и специфических анатомических связей.
Здесь можно повторить то, что голословно утверждалось в начале этого раздела: при том реальном строении, которое имеет нейропиль моллюсков, их нервная система и не могла бы функционировать, не будь в ней разнообразия продуктов секреции.
В какой степени это относится к другим, менее изученным нервным системам?
В разных группах беспозвоночных, как правило, наблюдается такое же ганглионарное строение нервной системы и такая же организация нейропиля, как у моллюсков. Сходство настолько велико, что выводы, сделанные при изучении нейробиологии моллюсков, будет, по-видимому, несложно перенести на других беспозвоночных.
В мозге млекопитающих (и других позвоночных) светооптическая и электронная микроскопия выявляют многочисленные синаптические контакты, что указывает на необходимость специального анализа. Особенно важным представляется выяснить, насколько эти контакты изолированы. Известно, что при введении в ткань мозга экзогенных веществ, они без затруднений проникают в синаптическую щель. Известно также, что медиаторы, секретируемые в центральных синапсах, обнаруживаются и во внесинаптическом пространстве. Эти наблюдения свидетельствуют об отсутствии или по крайней мере о слабости диффузионных барьеров. Если синапсы действительно не изолированы, то ситуация немногим отличается от наблюдаемой в нейропиле моллюсков: сферой действия медиатора может быть больший или меньший участок нервной ткани, в котором теоретически мыслимо выполнение медиатором интегративной функции.
В связи с вышесказанным привлекает внимание разрабатываемое современной нейробиологией представление о надклеточных структурных единицах нервной системы. Их называют по-разному, чаще всего модулями. Это локальные упорядоченные структуры, построенные из нескольких сотен или тысяч нейронов, т. е. сравнимые по сложности с ганглием моллюска. В предисловии к переведенной на русский язык книге Дж. Эделмена и В. Маунткасла «Разумный мозг» (1981) известный американский нейробиолог Ф. Шмитт говорит об этих структурах следующее: «Они характеризуются широким дендро-дендритным синаптическим взаимодействием и градуальными электротоническими процессами, подобными тем, какие имеют место в сетчатке глаза». (Шмитт называет процессы электротоническими, подразумевая отсутствие нервных импульсов, без помощи которых, как известно, обходится сетчатка; размеры модуля таковы, что в нём возможно прямое, «электротоническое» сопряжение рецепции с секрецией.) Модули имеют гетерогенный нейронный состав, размеры их таковы, что здесь достаточно легко представить себе функционирование синергиями, управляемыми специфическими нейротрансмиттерами.
Но, как уже говорилось, теоретически допустимо, что сфера действия трансмиттера ограничивается синаптической щелью, и в этом случае функционирование системы должно описываться своей, особой теорией.
Заключение
Думается, что перед будущей нейробиологией не встанет вопрос: какое из двух описаний правильное и какое ошибочное? Полезными окажутся оба, если они на самом деле выразят обе крайние ситуации. Зная теоретические пределы диапазона, нейробиология найдёт на нём место для каждой реальной нейронной системы.
В переживаемый нами период развития естественнонаучных знаний о мозге впервые ясно осознано, что существуют два совершенно разных вопроса, которые до того смешивали в один: Как устроен мозг? Как могла бы быть устроена некая система, выполняющая функции управления, координации, счёта и т.п.? Разделение этих вопросов повлекло за собой поляризацию интересов. Те, кому интересно строить машины, заменяющие мозг, соревнующиеся с мозгом, порой побеждающие в таком соревновании, строят эти машины. Успехи этой области техники хорошо известны. Те, кому интересен мозг сам по себе, занимаются его изучением.
Впервые ясно осознана полезность для науки о мозге тех знаний, а также тех обобщений, которые накоплены биологией при изучении других биологических объектов.
Если прежде наука о мозге позволяла себе отворачиваться даже от такого фундаментального биологического обобщения, как клеточная теория, то теперь она находит для себя немало ценного даже в частных достижениях родственных биологических наук: в знаниях о механизме секреции гормонов и о составе секреторных органелл эндокринных клеток (эти знания оказались приложимыми к механизму секреции медиатора нервными окончаниями); в знаниях о механизме действия токсинов, блокирующих клеточное деление, оказалось, что эти же токсины посредством тех же самых механизмов блокируют движение веществ по аксонам (аксонный транспорт); в знаниях об эволюции белковых молекул (это важно для понимания происхождения и способов образования нейропептидов — продуктов секреции специфических нейронов) и во многих других биологических знаниях, ставших нейробиологическими и вошедших в состав науки о нервной системе.
К сожалению, в кратком очерке нельзя было коснуться многого: нейробиологии развития, функциональной организации нейрона и т.д. Но вопросы, выбранные для обсуждения, — это не только сегодняшний день нейробиологии, но и тенденция её развития. Вместе с тем они теснейшим образом связаны с историей науки о мозге. Идеи, унаследованные от науки прошлого, всегда накладывают отпечаток на работу современников и интерпретацию полученных результатов. В критические моменты возникает потребность понять: откуда всё это? Почему ход мысли идёт именно так, а не иначе? Вот почему полезно и необходимо работать, ориентируясь не только на будущее, но и на прошлое.
Глава из книги: Актуальные проблемы биологической науки: Пособие для учителя / А. В. Яблоков, Д. А. Сахаров, Д. А. Криволуцкий и др.; Под ред. А. В. Яблокова. — М.: Просвещение, 1984. — 208 с., ил. — (Б-ка учителя биологии).