Nikolls_-_Ot_neyrona_k_mozgu

оHorton, J. С., and Hocking, D. R. 1996. An adult-like pattern of ocular dominance columns in striate cortex of newborn monkeys prior to visual experience. J. Neurosci. 16: 1791-1807.

оHubel, D.H., and Wiesel, T.N. 1965. Binocular interaciion in striate cortex of kittens reared with artificial squint. J. Neurophysiol. 28: 1041-1059.

оHubel, D. H., Wiesel, T. N.. and LeVay, S. 1977. Plasticity of ocular dominance columns in monkey striate cortex. Philos. Trans. K. Soc. Land. В 278: 377-409.

оKnudsen, Ε. I., and Knudsen, P. F. 1990. Sensitive and critical periods for visual calibration of sound localization by barn owls. J. Neurosci. 10: 222-232.

оLeVay, S., Wiesel, T.N., and Hubel, D. Η. Ι980.

The development of ocular dominance columns in normal and visually deprived monkeys. /. Сотр. Neural. 191: 1-51.

оMeissirel, C., Wilder, K.C., Chalupa, L.M., and Rakic, P. 1997. Early divergence of magnocellular and parvocellular functional subsystems in the embryonic primate visual system. Proc. Nail. Acad. Set. USA 94: 5900-5905.

оMeister, M., Wong, R. O., Baylor, D. A., and Shatz, C. J. 1991. Synchronous bursts of action potentials in ganglion cells of the developing mammalian retina. Science 252: 939-943.

оWiesel, T. N.. and Hubel, D. H. 1963. Single-cell responses in striate cortex of kittens deprived of vision in one eye. /. Neurophysiol. 26: 1003—1017.

Цитированная литература

1.Riesen, A. H., and Aarons, L. 1959. J. Сотр. Physio! Psycho/. 52: 142-149.

2.Wiesel, T. N.. and Hubel, D. H. 1974. У. Сотр. Neuroi 158: 307-318.

3.Hubel, D. H., and Wiesel, T. N. 1963. J. Neura-physiol. 26: 994-1002.

4.Crair, M. C., Gillespie, D. C-, and Stryker, M. P. 1998. Science 279: 566-570.

5.Chapman, В., Stryker, M. P., and Bonhoefler, T. 1996. / Neurosci. 16: 443-6453.

6.Wiesel, T. N. 1982. Nature 299: 583-591.

7.LeVay, S., Wiesel, T. N.. and Hubel, D. H. 1980. J.Comp. Neuroi. 191: 1-51.

8.LeVay, S., Stryker, M.P., and Shatz, C.J. 1978. J Сотр. Neuroi. 179: 223-244.

9.Horton, J. C. and Hocking, D. R. 1996. / Neurosci. 16: 1791-1807.

10.Rakic, P. 1977. Philos, irons. ЯSoc. Land. В 278: 245-260.

11.Shatz, C.J. 1996. Proc. Noli Acad. Sci. USA 93: 602-608.

12.Rakic, P. 1986. Trends Neurosci. 9: 11-15.

13.Kuljis, R. O., and Rakic, P. 1990. Proc. Nail. Acod. Sci. USA 87: 5303-5306.

14.Bernstein, M., and Lichtman, J. W. 1999. Curr. Opin. Neurobiol. 9: 364-370.

15.Caviness, V. S., jr. 1982. Dev. Brain Res. 4:293-302.

16.Rakic, P., and Caviness, VS., jr. 1995. Neuron 14: 1101-1104.

17.Guiilery, R. W. 1974. Sci. Am. 230(5): 44-54.

18.Hubel, D. H., and Wiesel, T.N. 1971. /. Physiol. 218:33-62.

19.Kliot, M., and Shatz, C. j. 1985. / Neurosci. 5: 2641-2653.

20.Hubel, D. H. 1988. Eye, Brain and Vision. Scientific American Library, New York.

21.Wiesel, T. N., and Hubel, D. H. 1963. J. Neuro-physiol. 26: 1003-1017.

22.Wiesel, T. N., and Hubel, D. H. 1963. /. Neuro-physiol. 26: 978-993.

23.Wiesel, T. N., and Hubel, D. H. 1965. / Neuro-physiol. 28: 1029-1040.

24.Guiilery, R.W., and Stelzner, D.J. 1970. J. Сотр. Neuroi. 139: 413-422.

25.Humphrey, A. L. et al. 1985. J. Сотр. Neuroi. 233: 159-189.

26.Hubel, D. H., Wiesel, T. N., and LeVay, S. 1977. Philos. Trans. R. Soc. Land. В 278: 377-409.

27.Horton, J. C. and Hocking, D. R. 1997. J. Neurosci. 17: 3684-3709.

28.Hubel, D. H., and Wiesel, T. N. 1970. /. Physiol. 206: 419-436.

29.Malach, R., Ebert, R., and Van Sluyters, R. C. 1984. / Neurophysiol. 51: 538-551.

30.Cynader, M., and Mitchell, D. E. 1980. /. Neurophysiol. 43: 1026-1040.

31.Daw, N.W., et al. 1995. Ciba Found. Symp. 193: 258-276.

32.Blakemore, C, and Van Sluyters, R. C. 1974. J. Physiol. 237: 195-216.

33.Kim,O.S., and Bonhoeffer, T. 1994. Nature 370: 370-372.

34. Antonini, A., et al. 1998. J. Neurosci. 18: 9896-9909.

35.Antonini, A., andStryker, M. P. 1998. Vis. Neurosci. 15: 401-409.

36.Hubel, D. H., and Wiesel, T.N. 1965. J. Neurophysiol. 28: 1041-1059.

37.Lowel, S., and Singer, W. 1992. Science 255: 209-212.

38.Baker, F. H., Grigg, P., and van Noorden. G. K. 1974. Brain Res. 66: 185-208.

39.Carlson, M., Hubel, D. H., and Wiesel, T. N. 1986. Broin Res. 390: 71-81.

40 Sengpiel, F., Stawinski, P., and Bonhoeffer, T.

1999. No lure Neurosd. 2: 727-732. 41. Francois, J. 1979- Ophthalmology 86: 1586-1598.

42.Birch, Ε. Ε., et al. 1993. Invest. Ophiholmol. Vis. Sci. 34: 3687-3699.

43.Hamill, M. В., and Koch, D. D. 1999. Curr. Opin. Ophthalmol. 10: 4-9.

44.Daw, N. W. 1998. Arch. Ophthalmol. I16: 502-505.

45.Van Noorden, G. Κ. Ι990. Binocular Vision and Ocular Motility. Mosby, St. Louis, MO.

46.Horion, J. C., and Hocking, D. R. 1998. Vis. Neu-rosd. 15: 289-303.

47.Horion, J.C., and Hocking, D.R. 1996. Ш Neu-rosd. 13: 787-795.

48.Stone, R. Α., et al. 1988. Proc. Natl. Acod. Sd. USA 85: 257-260.

49.Stryker, M. P., and Harris, W. A. 1986. J. Neurosci. 6:2117-2133.

50.Sretavan, D. W., Shatz, C. J., and Stryker, M. P. 1988. Nature 336: 468-471.

51.Reiter, H. O., Waitzman, D. M., and Stryker, M. P. 1986. Exp. Brain Res. 65: 182-188.

52.Hâta, Y., Tsumoto, T., and Stryker, M. P. 1999. Neuron 22: 375-381.

53.Maffei, L, and Galli-Resta, L 1990. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 2861-2964.

54.Meister, M., et al. 1991. Science 252: 939-943

55.Wong, R.O. 1999. Annu. Rev. Neurosci. 22: 29-47.

56.Zhou, Ζ. J. 1998. J. Neurosci. 18: 4155-4165.

57.Brivanlou, I. H., Wariand, D. K., and Meister, M. 1998. Neuron 20: 527-539.

58.Larkurn, M. E., Zhu, J.J., and Sakmann, B. 1999. Nature 398: 338-341.

59.Berardi, N., and Mafiei, L 1999. J. Neurobiol. 41: 119-126.

60.Pizzonisso, T., et al. 1994. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 91: 2572-2576.

61.Capsoni, S., et al. 1999. Neuroscience 88: 393-403.

62.Meissirel, C., et al. 1997. Proc. Natl Acad. Set. USA 94: 5900-5905.

63.Godecke, I., and Bonhoefier, T. 1996. Nature 379: 251-254.

64.Knudsen, E. I. 1999. J. Сотр. Pftysiol. [A] 185: 305-321.

65.Gold, J. I., and Knudsen, E. J. 1999. J. Neurophys-iol. 82: 2197-2209.

66.Knudsen, E. I., and Knudsen, P. F. 1990. J. Neu-rosd. 10: 222-232.

67.Feldman, D. E., and Knudsen, E. I. 1997. J. Neu-rosd. 17: 6820-6837.

68.Brainard, M.S., and Knudsen, E.I. 1998. J. Neurosci. 18: 3929-3942.

69.Knudsen, E.J. 1998. Science 279: 1531-1533.

70.Venable, N., et al. 1989. Brain Res. Dev. Brain Res. 49: 140-144.

71.Lorenz, К. 1970. Studies in Animal and Human Behavior, Vols. 1 and 2. Harvard University Press, Cambridge, MA.

72.Arnold, A. P., and Schlinger, B. A. 1993. Brain Behav. Evol. 42: 231-241.

73.Fuller, J.L. 1967. Science 158: 1645-1652.

74.Singer, W. 1995. Science 270: 758-764.

75.Rolley, D. В., Chen-Bee, C. H., and Frostig, R. D. 1999. Neuron 24: 623-637.

76.Buonomano, D. V, and Merzenich, M. M. 1998. Annu. Rev. Neurosci. 21: 149-186.

77.Welker, E., et al. 1992. У. Neurosci. 12: 153-170.

78.Sterr, Α., et al. 1998. J. Neurosci. 18: 4417-4423.

79.Gilbert, С. D. 1998. Physiol. Rev. 78: 467-485.

Раздел V. ВЫВОДЫ

Глава 26. Нерешенные вопросы

С каждым новым изданием книги «От нейрона к мозгу» наше понимание того, как клетки проводят электрические сигналы, как они взаимодействуют друг с другом, а также как устанавливаются нервные связи в процессе роста, значительно углубляется. Особенно существенный прогресс в нейронауках за последние несколько лет был достигнут благодаря новым методам молекулярной биологии и развитию техники отображений процессов, происходящих в живых тканях. Невозможно, однако, предугадать, какие методы станут доступными в будущем и какие новые вопросы они повлекут за собой. Так, к моменту первого издания этой книги в 1976 году мало кто мог представить себе использование точечных мутаций для изучения воротных токов или оптической регистрации функционирующих колонок в целом живом мозге. Многие проблемы, которые сейчас кажутся неразрешимыми, потребуют для своего решения технических приемов, пока еще даже трудно вообразимых.

Что можно сказать сегодня о новых направлениях и концепциях, которые могут быть включены в следующее издание этой книги? Разумным представляется предположить, что более интенсивным будет взаимодействие между нейрофизиологами, работающими на клеточном и молекулярном уровнях, специалистами в когнитивных нейронауках и неврологами, что, несомненно, важно для понимания таких интегративных высших функций мозга, как восприятие, движение и память. Можно также надеяться, что увеличение фундаментальных знаний о нервной системе приведет к предотвращению и облегчению течения заболеваний нервной системы, которые возникают по неясным пока еще причинам и для которых не разработана эффективная терапия.

Открытые вопросы, касающиеся нервной системы и мозга, весьма отличаются от вопросов, относящихся к таким предметам, как физика, химия и даже биология в целом. И указать на важные пробелы в нашем знании и понимании работы мозга может не только читатель нашей книги. Даже дилетант, не имеющий отношения к «ауке, осознает, что мы не понимаем механизмы осуществления высших функций мозга, таких как сознание, обучение, сон, координирование движений, или, даже, каким образом мы сознательно сгибаем палец. Но этому человеку гораздо труднее указать, чего мы еще не знаем о теории относительности, физике элементарных частиц, химических реакциях или генетике. Именно изобилие достаточно очевидных и явно важных вопросов делает нейронауку такой привлекательной в наши дни.

Чтобы привести пример из повседневной жизни об ограниченности наших знаний о том, как функционирует мозг, рассмотрим такой вид спорта, как теннис. Опытный игрок, например Мартина Хингис, видит, как

ее противник наносит удар по мячу. Она способна быстро вычислить, куда он приземлится и как высоко отскочит. Мяч будет двигаться со скоростью 100 км/ч, но она может броситься к нужному месту, вытянуть руку так, чтобы мяч попал точно в центр ракетки, и с необходимой силой послать его прямо к задней линии корта противника (используя известную слабость оппонента в ударах слева). С тем же успехом можно привести примеры того, как пеликан ныряет за рыбой, как лягушка ловит муху кончиком языка, или как пчела берет нектар с определенного цветка. В каждом из этих примеров необходимо выделить предметы из их пестрого окружения, разработать, начать, отрегулировать и привести к завершению ряд высоко координированных движений. И, каким-то образом, для всего этого должны существовать необходимые нейронные связи.

В последующих параграфах рассматриваются избранные нерешенные проблемы нейронауки, затронутые в книге ранее, которые могут быть решены в будущем.

Клеточные и молекулярные исследования нейрональных

функций

Вначале стоит отметить, что за последние несколько лет новая информация о каналах, рецепторах, трансмиттерах, транспортерах, вторичных посредниках и долговременных изменениях в синапсах стала поступать с такой скоростью, что открытые вопросы, поставленные сегодня, возможно, уже найдут свои решения ко времени выхода этой книги.

Итак, все еще остаются необъясненными тонкие структурные изменения белков, опосредующие процессы открытия, закрытия и инактивации ионных каналов. Неясно, каково функциональное предназначение столь большого числа подтипов ионных каналов, рецепторов и транспортеров. Другая большая проблема — это механизм доставки этих молекул к строго определенным участкам нейрона, например, натриевых каналов к перехватам Ранвье, рецепторов возбуждающих аминокислот к шипикам дендритов, а синаптических везикул — к активным зонам пресинаптических терминалей. Формирование постсинаптических специализаций нервно-мышечного синапса дает пример идентификации ряда ключевых молекул в подобных процессах (см. главу 24), однако детальные механизмы и в этом случае остаются во многом не установленными.

Чтобы объяснить механизмы, лежащие в основе таких проблем, как долговременная потенциация и долговременная депрессия, было проведено огромное число детальных экспериментов. К числу фундаментальных вопросов, связанных с этим феноменом, относится роль ретроградных сигналов от постсинаптического нейрона к пресинаптическим терминалям. Другой важный вопрос — являются ли долговременная потенциация и депрессия действительно необходимыми для формирования памяти и извлечения информации из мест хранения.

Функциональное значение межклеточного перемещения веществ

Многочисленными экспериментами было продемонстрировано транс-синаптическое перемещение аминокислот или белков между нейронами, например, от сетчатки через латеральное коленчатое ядро к зрительным центрам коры головного мозга. То, что это перемещение происходит, точно установлено. Тем не менее, мы не обладаем важной информацией о механизмах этого переноса и его функциональном значении. Межклеточное перемещение малых молекул происходит между клетками, связанными щелевыми контактами (см. также главу 7). Предполагается, что межклеточное перемещение веществ представляет собой механизм контроля роста и развития клеток. Связанный с этим вопрос касается роли глиальных клеток для функционирования нейронов (глава 8). В особенности неясной является количественная характеристика обмена молекул между глиальными клетками и нейронами, значение такого обмена для функционирования нейронных сетей.

Развитие и регенерация

Несмотря на значительный прогресс, все еще неизвестно, как нейроны выбирают свои специфические мишени. Уже в настоящее время разрабатываются подходы к рассмотрению таких вопросов, как направленный рост отростков нейронов к мишеням, прекращение роста и развитие связей посредством избирательного удаления отростков или смерти клеток. В то же время мы находимся только у самого порога знания о том, как с такой невероятной точностью осуществляются нервные связи. Как, например, устанавливаются связи терминалей афферентных волокон мышечных веретен на мотонейронах спинного

мозга? Как среди нескольких тысяч нейронов, приходящихся на каждый кубический миллиметр нервной ткани, выбирается и иннервируется нужный участок соответствующего мотонейрона? Каким образом одна и та же сенсорная клетка на разных синапсах мозгового вещества образует синапсы с разными характеристиками выделения трансмиттера?

Что же касается регенерации в ЦНС млекопитающих после повреждения, причины несостоятельности регенерации также неизвестны, несмотря на значительный успех в понимании молекулярных механизмов, способствующих или замедляющих рост отростков нейронов.

Другой важный вопрос касается роли практики для развития организма на ранних стадиях жизни. В частности, мы почти ничего не знаем о роли критических периодов в созревании высших функций, включая эмоциональные характеристики и личность.

Генетические подходы оценки функций нервной системы

Трудно даже предсказать, каковы будут последствия революции в методах генетики для понимания работы мозга. Уже используемые в настоящее время трансгенные животные, у которых были изменены или удалены определенные гены, являются мощным инструментом познания функций мозга. Однако в связи с избыточностью функций и непредвиденными побочными эффектами остается еще много трудностей в интерпретации результатов, полученных у этих животных. Завершение проекта «Геном человека» позволяет идентифицировать гены и молекулы, которые изменяются в ходе болезней. Проанализировать такую огромную массу информации и отделить важное от второстепенного является поистине необъятной задачей. Масштаб проблемы иллюстрирует наследственное заболевание — болезнь Хантингтона, при которой измененный ген можно распознать, анализируя генетический материал родственников1). Однако, несмотря на то, что измененные последовательности генов при болезни Хантингтона уже давно установлены, остается неизвестной функция связанных с ним белков. Аналогично, мутации некоторых генов, кодирующих потенциал-активируемые кальциевые каналы, приводят к наследственным гемиплегическим мигреням и мозжечковой атаксии2). Но и в этом случае не существует ясной связи, какой механизм связывает

эти явления. Разработка терапии на уровне воздействия на генетический аппарат остается наиболее многообещающей перспективой для подобных состояний. Возможно, путь к разработке такого лечения станет проще после развития способов доставки реагентов к месту действия, а также после разработки методов временного и пространственного контроля процессов экспрессии белков.

Сенсорная и моторная интеграция

В вопросах, которые касаются невообразимого числа нейронов и их отростков с неясными функциями (в частности немиелинизированных волокон, которые численно значительно превосходят миелинизированные волокна), наши знания имеют серьезный пробел. Более конкретным примером является большое разнообразие амакриновых клеток (более 20), способствующих обработке информации в сетчатке. Другой пример — роль афферентов 11-й группы от мышечных веретен в функционировании спинного мозга.

Механизмы инициации и контроля координированных движений все еще остаются открытыми, хотя в их разрешении заметен прогресс. Сегодня есть надежда, что благодаря неинвазивным методам получения изображений мозга в сочетании со стимуляцией можно решить ряд вопросов, детально регистрируя мозговую активность. Например, еще более 50 лет назад Эдриан обнаружил, что, научившись писать свое имя, можно сделать это не только пальцами рук, но и держа карандаш пальцами ног3). Однако до сих пор неизвестно, как объясняется наша способность к переносу таких двигательных программ от одной исполнительной системы к другой.

Подобным образом, при рассмотрении сенсорных систем, нейрональные механизмы процессов интеграции в единое целое одного образа, например, собаки (не говоря уже о более сложных картинах окружающего мира), остаются пока вне нашего понимания. При обсуждении вопросов такого типа представляется всемогущий гомункулус — клетка, или маленький человечек в нашем мозге, который фактически видит то, что видим мы. Хотя все высмеивают эту идею, гомункулус все же имеет полезное назначение: он постоянно напоминает нам о недостаточности наших знаний о высших функциях мозговой коры. Как только ответы будут найдены, он умрет естественной смертью, как флогистон. Однако пока мы не можем заменить его компьютером.

Вдобавок к этим явным пробелам в наших знаниях остаются «черными ящиками» механизмы точного контроля температуры тела, кровяного давления, функций кишечника. Взаимодействие мозга с иммунной системой представляет еще одну обширную область активных исследований, все еще находящихся на ранней стадии с большим количеством открытых вопросов.

Математическое моделирование и вычислительные нейронауки всецело зависят от данных, получаемых в экспериментах по регистрации активности ионных каналов, конкретных нейронов, синапсов и нейронных сетей. Однако до сих пор ни в одной другой области не был достигнут успех, сравнимый со значением уравнения Ходжкина— Хаксли для описания изменений ионной проницаемости во время генерации потенциала действия. Одной из главных причин этого является недостаток экспериментальных данных, необходимых для воспроизведения столь сложных процессов, как синаптическая пластичность и нейрональная интеграция. Например, как можно было надеяться построить модель пластичности нейронных сетей коры до открытия рецепторов NMDA или магниевого блока проводимости каналов, и сколько подобных механизмов еще ждут своего открытия?

Ритмичность

Нейрональные ритмы, обсуждавшиеся в этой книге, включают дыхательные и циркадианные ритмы, так же как и периодическую нейронную активность в мозжечке, гиппокампе, таламусе и спинном мозге. За исключением нескольких примеров, таких как функционирование стоматогастрического ганглия омара и плавание пиявки, мы не обладаем достаточной информацией о механизмах происхождения или ритмичности залповой активности. Более того, неясно, какие функции выполняют колебания тока в таких известных явлениях, как альфа- и дельта-волны в электроэнцефалограмме.

Вклад клинической неврологии в изучение мозга

В течение многих лет неврология была не только неотделима от нейробиологии, но и предоставляла собой единственный метод для изучения высших функций мозга. Успехом ранней неврологии было использование естественных событий, таких как травмы нервной

системы, для описания функций различных областей мозга путем корреляции клинических симптомов с локализацией повреждения. Эти достижения тем более поразительны, если учесть, что использование повреждений для определения функции имеет много «подводных камней». При наличии в настоящее время более современных методов, таких как магнитнорезонансный или эмиссионно-позитронный томограф, неврологи в состоянии локализовать и наблюдать за повреждениями непосредственно, следить за ходом заживления и делать выводы о высших функциях коры4). Есть все основания полагать, что существенное повышение пространственного и временного разрешения не за горами. Это могло бы позволить наблюдать в реальном времени за последовательностью нейронных событий, приводящих к возникновению решений, восприятия или формированию памяти.

Драматическая история Финеаса Гейджа демонстрирует то, как повреждение мозга может быть использовано для анализа его функций5). В 1848 году в возрасте 25 лет Финеас Гейдж, работая бригадиром на железной дороге в Вермонте, пострадал от массивного мозгового повреждения. Когда он забивал железный прут для того, чтобы установить пороховой заряд в каменной породе, порох взорвался и вогнал ему железный прут прямо в череп. Гейдж потерял сознание лишь на короткое время и вскоре смог подняться и заговорить. Доктора поразило то, что больной быстро поправился и был в состоянии вести относительно нормальную жизнь в течение более 12 лет. Личность Гейджа, однако, подверглась большим изменениям. Из спокойного, трезвого, работящего, аккуратного рабочего он превратился в громкоголосого, болтливого, нетерпеливого и беспокойного хвастуна. Таким образом, в то время, когда еще ничего не было известно о сенсорной, моторной, зрительной и слуховой коре, неврологическое обследование показало, что высшие функции человеческого поведения и характеристики личности связаны с префронтальной областью коры больших полушарий. Но случай Гейджа был достаточно уникальным в том смысле, что место повреждения фронтальной коры и его обширность легко определялись у живого пациента.

Другие примеры неврологических наблюдений девятнадцатого столетия, послужившие определению специфических областей мозга,

Fig. 26.1. Drawing of a Cat made by a patient who had a large lesion of the right parietal lobe. As commonly seen in neglect, all the details on the left were overlooked. (Drawing kindly provided by J. Driver; after Driver and Halligan,

1991.)

вовлеченных в высшие функции, принадлежат Брока и Вернике. Эти ученые сопоставляли речевые дефекты с областями коры, поврежденными патологическими нарушениями, такими как инсульт или опухоли. Даже тогда, когда точные области повреждения неизвестны, клиницисты и нейрофизиологи могут достоверно вести диагностику на основе анализа таких процессов, как долговременная и кратковременная память.

Очень необычными являются эффекты одностороннего повреждения париетальной доли больших полушарий головного мозга справа. Пациенты с такими повреждениями перестают осознавать, что существуют две стороны тела и две стороны во внешнем мире. Левая сторона тела как бы перестает существовать, поэтому пациент не воспринимает левую руку как свою собственную. Если подобных пациентов попросить нарисовать ромашку, все лепестки будут только справа, так же как и все спицы велосипедного колеса6). Рисунок кошки, выполненный праворуким пациентом 61 года с париетальным повреждением, показан на рис. 26.1. Важно подчеркнуть, что это настоящие неврологические дефекты, а не истерические реакции пациента. Подобные клинические наблюдения показывают, что наш внутренний мир, который кажется таким полным, таким единым и таким совершенным, состоит из более простых компонентов, соединенных вместе в один континуум.

Помимо результатов сканирования мозга и постоянно совершенствуемых методик исследования языка и характера, дальнейший прогресс в изучении высших функций может во многом определяться когнитивными нейронауками и неврологией.

Вклад фундаментальной нейронауки в неврологию

Между фундаментальными и прикладными нейронауками явно имеется связь с двусторонним движением. Методы молекулярной биологии и генетические методы уже начинают играть свою роль в диагностике таких заболеваний, как ретинобластома и болезнь Хантингтона. Рассматривается возможность лечения генетически реконструированными клетками мышечной дистрофии и болезни Паркинсона. Нейрохирургами используются сложные электрофизиологические методы для регистрации активности отдельных нейронов, для имплантации стимулирующих электродов (например, для контроля работы мочевого пузыря), для методов неинвазивной стимуляции, а также разработки протезов для замещения утраченных функций.

Один из примеров иллюстрирует, как исследование в фундаментальной нейронауке может помочь обеспечить новый подход в лечении серьезных заболеваний. Так, в результате работ Хьюбеля и Визеля по потере чувствительности у новорожденных котят и обезьян стало ясно, что новорожденного ребенка с врожденной катарактой нужно оперировать как можно раньше. Такие процедуры предотвратили несчетное число случаев слепоты. Причем это не было результатом, исходно запланированным исследователями в начале экспериментов на рецептивных полях зрительного анализатора.

Причины большинства заболеваний нервной системы, от которых страдает человечество (например, болезнь Альцгеймера, или амиотрофический латеральный склероз), практически неизвестны. Отсутствует и

эффективное лечение. В этой ситуации можно было бы предложить передать деньги, используемые для фундаментальной нейронауки, в прикладную науку или неврологию. Конечно, было бы лучше найти непосредственно средство излечения от заболеваний, чем пытаться выяснить, как функционирует нервная система. Однако в случаях, когда прикладные исследования преобладали над фундаментальными биологическими разработками, результаты, мягко говоря, разочаровывали. Например, Советский Союз основал и поддерживал крупные институты прикладных исследований в физиологии и фармакологии, каждый из которых насчитывал сотни научных работников, в которых изучение проблемы ради ее интереса и красоты считалось «буржуазным». Однако в период существования Советского Союза не было разработано ни одного лекарственного препарата, который вошел бы в рутинную клиническую практику.

Степень прогресса

Хотя книги о мозге и сознании появляются с невообразимой скоростью, было бы, несомненно, плохой услугой для нейронауки делать вид, что ответы на чрезвычайно сложные вопросы этой области человеческого знания находятся совсем рядом. Например, было опрометчиво в 1996 году, рассматривая нейронные сети, вовлеченные в контроль игры в теннис, предсказывать в передовице "Science", что «основные принципы нейронального развития будут открыты к концу этого века»7). Существует естественная тенденция ученых и журналистов быть оптимистичными и обнадеживать, что решения трудных проблем близки. Так, предположительное время для лечения повреждений спинного мозга было обозначено примерно 7—10 лет (более семи лет назад!). Хотя подобные высказывания могут поощрять интерес ученых к этой области, они же могут иметь разрушительное действие на пациентов, если они не выполняются за обещанное время, как это, к несчастью, часто происходит8).

Заключение

Когда сталкиваешься с фантастическим разнообразием поведения живых существ — от ползущего муравья до студента, читающего книгу, — становится ясно, что понимание того, как функционирует нервная система, является захватывающим, бесконечным занятием первостепенной важности.

История нейронауки учит, что новые подходы к лечению заболеваний зачастую возникают неожиданно из экспериментов, посвященных порой совершенно другим вопросам. Более того, общее накопление естественнонаучных знаний также является объективной необходимостью, без него даже логичные подходы к предупреждению и лечению неврологических заболеваний могут дать лишь частичный эффект. В этой ситуации почти невозможно определить истинную значимость конкретного проекта в то время, когда он находится только в процессе выполнения. Поэтому на вопрос о «значимости» исследовательской работы абсолютно честным был бы очень простой ответ: «Не знаю!»

Несмотря на успехи в лечении болезней, многие аспекты значения для человеческого общества знаний о механизмах функционирования нервной системы находятся сегодня просто вне нашего сегодняшнего воображения.

Рекомендуемая литература

оAdams, R. D., Victor, M., and Ropper, A. H. 1997. Principles of Neurology, 6th Ed. McGraw-Hill, New York.

оBurgess, P. W., and Shallice, T. 1996. Bizarre responses, rule detection and frontal lobe lesions. Cortex 32: 241259.

оCrick, F. 1999. The impact of molecular biology on neuroscience. Philos. Trans. R. Soc. Land. В 354: 20212025.

оGoldman-Rakic, P. S. 1999. The physiological approach: Funciional architecture of working memory

and disordered cognition in schizophrenia. ВЫ.

Psychiatry 46: 650-661. о Jeannerod, M., and Frak, V. 1999. Mental imaging of motor activity in humans. Curr. Opin. Neurobiol.

9: 735-739. о Mountcastle, V. 1998. Brain science at the century's

ebb. Daedalus 127: 1-36. о Zeki, S. 1999. Splendours and miseries of ihe brain. Philos. Trans. R. Soc. Land. В 354: 2053-2065.

Цитированная литература

1.Haque, N.S., Borghesam, P., and Isacson, О. 1997. Mol. Med. Today 3: 175-183.

2.Burgess, D. L., and Noebe/s, J. L. 1999. Ann. N. Y.Acad. Sci. 868: 199-212.

3.Adrian, E. D. 1946. The Physical Background of Perception. Clarendon, Oxford, England.

4.Adams, R. D., Victor, M., and Ropper, A. H. 1997. Principles of Neurology, 6th Ed. McGrawHill, New York.

5.Harlow, J. M. 1868. Publ. Mass. Med. Soc. 2: 328-334.

6.Driver, J., and Halligan, P. W. 199). Cogn. Neuropsy-chol. 8: 475-496.

7.Raff, M. 1996. Science 274: 1063.

8.Krauthammer, C. 2000. Time Magazine February 14: 76.

Приложение А. Электрический ток в цепи

Для понимания электрических целей, описанных в этой книге, необходимо усвоить некоторые основные понятия физики. Для наших целей достаточно описать свойства элементов электрической цепи, чтобы понять, как аналогичные им модели работают в нервных волокнах. Трудности, встречающиеся при первом прочтении статей по электрическим цепям, часто происходят иэ-эа того, что используемые параметры имеют абстрактный характер. Многие из пионеров электрофизиологии сталкивались с проблемой терминологии, разработанной в прошлом веке для описания движения жидкостей. Поэтому такие термины, как поток, течение, потенциал, сопротивление, емкость в равной степени применяются как в электричестве, так и в гидравлике. Демонстрацией аналогии между двумя системами является то, что сложные задачи по гидравлике могут быть решены как эквивалентные электрические цепи.

Аналогия между простой электрической цепью и ее гидравлическим эквивалентом проиллюстрирована на рис. 1. Первое необходимое условие работы системы заключается в том, что для поддержания потока необходим источник энергии. В гидравлической цепи этим источником является насос, в электрической цепи — батарея. Второе условие состоит в том, что ни вода, ни электрический заряд не создаются и не теряются внутри подобной системы. Следовательно, скорость течения воды в гидравлической цепи одинакова в точках a, b и с, так как вода между ними не прибавляется и не убывает. Электрический ток в аналогичной цепи также одинаков в трех соответствующих точках. В обеих цепях существуют несколько сопротивлений потоку. В гидравлической цепи сопротивлениями являются узкие трубы, в электрической цепи более узкие провода представляют большее сопротивление потоку электричества (сужение проводов повышает сопротивление протекающему току).

Термины и единицы измерения при описании электрического тока

Единица измерения, используемая для выражения скорости потока жидкости, в определенной степени дело вкуса; можно измерять поток воды через трубу, например, в кубических футах в минуту, хотя в некоторых случаях миллиметры в час подходят больше. Сила электрического тока обычно измеряется в кулонах в секунду или в амперах (сокращенно А). Одни кулон соответствует заряду, содержащемуся в 6,24· 1018 электронах. В электрических цепях и уравнениях ток обычно обозначается I или i. Как н поток воды, ток векторная величина, иначе говоря, он имеет определенное направление. Направление тока часто обозначают стрелками, как на графике 1, всегда предполагая, что ток движется от положительного к отрицательному полюсу батареи.

Что означают термины положительный или отрицательный применительно к электрическому току? Здесь аналогия с гидравликой не помогает. В данном случае стоит представить эффект тока, проходящего через химический раствор. Например, представим, что две медные проволоки погружены в раствор сульфата меди н соединены с положительными и отрицательными полюсами батареи. Ионы меди в растворе, отталкиваясь от положительно заряженной проволоки, проходят к отрицательно заряженному стержню. Поло-

жительные ионы меди движутся в направлении условно принятом для тока: от положительного полюса к отрицательному. Одновременно ионы сульфата передвигаются в противоположном направлении и накапливаются на положительно заряженной проволоке. В таком случае направление, заданное току, соответствует направлению, в котором движутся положительные заряды в цепи; отрицательные заряды передвигаются в противоположном направлении.

Аналогия с гидравликой также полезна при объяснении источника энергии для тока и понятия электрического потенциала. Поток жидкости, изображенный на рис. 1, зависит от разности давления. Движение тока происходит от области высокого давления по направлению к области с низким давлением. При равном давлении в этих областях движение практически отсутствует. Общее давление в цепи обеспечивается использованием энергии насоса. В электрической цепи, изображенной здесь, «электрическое давление», или потенциал, обеспечивается батареей, в которой запасена химическая энергия. Гидравлическое давление измеряется в г/см2, а электрический потенциал в вольтах.

Символы, использованные в диаграммах параллельных и последовательных электрических цепей, проиллюстрированы на рис. 2. В соответствии с названиями, вольтметр измеряет электрический потенциал и является эквивалентом измерения да-