Тайны головного мозга. Вся правда о самом медийном органе

До 2015 года у любого, кто смог бы продемонстрировать способность «перемещать предметы силой мысли», был шанс получить миллион долларов. Для того чтобы предъявить права на эти деньги, людям надо было обратиться к Джеймсу Ранди, в его лабораторию в Сан-Франциско, и продемонстрировать свои способности. Ранди, вышедший на пенсию в 2015 году, предлагал миллион долларов в течение девятнадцати лет. Деньги эти так и остались на его банковском счете.
Библиография
James Randi Educational Foundation, http://web.randi.org/about-james-randi.html, accessed January 14, 2016.
ВОПРОС:
Действительно ли головной мозг использует электричество для передачи своих сигналов?
ОТВЕТ:
Да, для передачи сигналов мозг использует электричество, но производится это электричество совсем не так, как электрический ток, поступающий из настенных розеток (не говоря уже о том, что напряжение мозгового электричества гораздо ниже). Нейроны передают друг другу сигналы электрохимическим способом, и эти сигналы называются потенциалами действия. Электрический ток, которым мы пользуемся в быту, переносят электроны; в головном мозге и вообще в нервной системе ток переносится ионами.
Ионы – это электрически заряженные частицы, и организм использует для генерации тока ионы нескольких типов. За передачу сигналов в нервной системе отвечают ионы натрия, калия, кальция и хлора. Так как мембраны, окружающие нейроны, являются полупроницаемыми, некоторые ионы могут свободно проходить через них, а некоторые – нет. Неравномерное распределение ионов по обе стороны мембраны (внутри и снаружи нейрона) создает электрическую разность потенциалов (электрическое напряжение).
Когда нейрон неактивен, заряд внутри него отрицателен по отношению к заряду вне нейрона, и разность потенциалов составляет приблизительно -70 милливольт. Помимо этой разности электрических потенциалов, существует также разность концентраций определенных ионов внутри и вне нейрона; снаружи выше концентрация ионов натрия, а внутри выше концентрация ионов калия. Из школьного курса физики мы помним, что противоположные заряды притягиваются. Положительно заряженные ионы стремятся выйти в более отрицательно заряженную среду, а частицы всегда стремятся попасть из среды, где их концентрация высока, в среду, где их концентрация ниже.
Потенциал действия, который еще называют спайком или импульсом, вызывается быстрым открытием закрытых до этого различных ионных каналов. Для возбуждения потенциала действия поступающий к нейрону сигнал открывает ионные каналы, что приводит к массивному поступлению ионов натрия внутрь нервной клетки. Заряд внутренней среды становится положительным (клетка деполяризуется). Когда заряд внутри клетки уменьшается по абсолютной величине на 55 милливольт, нейрон генерирует потенциал действия. Если же заряд не достигает этого порогового значения, то потенциал действия не возбуждается.
В норме первым этапом генерации потенциала действия является открытие натриевых каналов в аксонном бугорке (области нейрона, прилегающей к аксону). Как только это происходит, ионы натрия устремляются внутрь нервной клетки, потому что ионов натрия гораздо больше снаружи, чем внутри. Увеличение концентрации положительно заряженных ионов натрия внутри клетки приводит к деполяризации – на пике потенциала действия потенциал на внутренней стороне мембраны достигает +30 милливольт. В это же время начинают открываться калиевые каналы. Они открываются с небольшой задержкой, но когда это происходит, ионы калия начинают выходить из клетки, потому что концентрация калия внутри клетки больше, чем вне ее. Этот выход ионов калия поляризует нейрон (то есть делает внутреннюю среду клетки отрицательно заряженной). На фоне открытия калиевых каналов начинают закрываться натриевые каналы. Внутренняя среда нейрона снова приобретает заряд -70 милливольт. Однако в силу того, что калиевые каналы пока остаются открытыми, клетка продолжает заряжаться отрицательно, и в какой-то момент потенциал внутри клетки становится ниже потенциала покоя. После закрытия калиевых каналов концентрации ионов возвращаются к исходному уровню, и потенциал снова становится равным -70 милливольт.
Объяснение заняло довольно много времени, и вам может показаться, что процесс деполяризации и реполяризации – достаточно длительный, но, на самом деле, все это происходит в течение нескольких миллисекунд. Тем не менее, этот процесс действительно является достаточно медленным в сравнении со стремительным перемещением электронов в домашних электрических сетях.
ВОПРОС:
Как быстро передаются импульсы по нервам?
ОТВЕТ:
Нервные волокна состоят из множества аксонов различных нейронов. Некоторые аксоны очень тонки (меньше 1 микрона в диаметре), а некоторые толще (до 20 микрон в диаметре). Эти толстые аксоны упакованы в изолирующие футляры, называемые миелиновыми оболочками. Толщина нервного волокна и наличие миелиновой оболочки определяют скорость проведения электрических импульсов по аксону. Толстые аксоны проводят сигналы быстрее, чем аксоны тонкие, а аксоны, одетые миелином, проводят сигналы быстрее, чем аксоны, лишенные такой оболочки.
Сигналы по немиелинизированным, тонким аксонам проводятся со скоростью 0,5–2,0 м/с (1,8–7,2 км/час). Такие тонкие аксоны передают в организме сигналы о боли, зуде и температуре. В толстых, покрытых миелиновой оболочкой аксонах, сигналы передаются со скоростью до 120 м/с (431,9 км/час). Аксоны такого рода передают сенсорную (чувствительную) информацию и информацию о состоянии мышц (мышечное чувство).
Вы можете на собственном опыте убедиться в том, что разные сенсорные сигналы распространяются по нервам с разной скоростью. Например, если вы ушибли палец или колено, то сначала возникает ощущение прикосновения или давления. Эти ощущения проводятся по толстым миелинизированным волокнам с большой скоростью. Через несколько мгновений начинает ощущаться боль. Это означает, что импульсы, сигнализирующие о боли и переданные по тонким, немиелинизированным волокнам, тоже, наконец, добрались до головного мозга.
 
Глава 3
 
Люди
 
ВОПРОС:
В чем разница между нейробиологом и неврологом?
ОТВЕТ:
Нейробиология и неврология – великолепные профессии, но специалисты в этих областях получают разное образование и разную подготовку. Нейробиолог – это человек, изучающий нервную систему, и обычно этим словом обозначают ученых, занимающихся такими исследованиями. Нейробиолог может изучать строение, функции, развитие или биохимию нервной системы, а также исследует результаты заболеваний и поражений нервной системы. В противоположность нейробиологу, невролог – это врач, который диагностирует и лечит расстройства нервной системы у человека. Невролог должен разбираться в причинах нервных болезней, но в его обязанность не входит производить опыты, собирать данные или публиковать результаты исследований (хотя некоторые неврологи делают это).
Большинство нейробиологов учатся в аспирантуре или докторантуре, чтобы защитить диссертацию на соискание ученой степени доктора философии в таких отраслях, как нейробиология, психология, фармакология, биологическая инженерия, информационные технологии или биология. Ученая степень в одной из этих специальностей не дает права вести больных с неврологическими расстройствами и назначать им лечение. Напротив, врачи, окончившие медицинские учебные заведения и прошедшие специализацию по неврологии, имеют право обследовать больных, выполнять диагностические тесты и рекомендовать лечение, но если они при этом не занимаются научными исследованиями, то их нельзя считать нейробиологами.
ВОПРОС:
Кто такой Финеас Гейдж?
ОТВЕТ:
Финеаса Гейджа (1823–1860) можно, в зависимости от точки зрения, считать либо очень счастливым, либо очень несчастным человеком. В судьбоносный для него день, 13 сентября 1848 года, в Кавендише, штат Вермонт, Гейдж работал на строительстве железной дороги взрывником. Заложив пороховой заряд в шурф, он принялся трамбовать его металлическим стержнем. Произошел взрыв, с силой вытолкнувший стержень из шурфа, как снаряд из пушки. Стержень длиной около полутора метров и весом почти восемь килограммов проткнул Гейджу щеку, пролетел сквозь мозг и, пробив крышку черепа, пролетел еще около 25 метров. Несмотря на то, что стержень практически уничтожил левую лобную долю мозга, Гейдж сначала даже не потерял сознание. Память о Гейдже сохранилась в анналах неврологии и нейробиологии не только потому, что он выжил после этого несчастного случая, но и потому, что после травмы его поведение разительно переменилось.