На ранних этапах развития пластичность мозга позволяет совершать поистине удивительные вещи. Например, у новорожденных детей с аутоиммунным воспалением головного мозга, известным как синдром Расмуссена, может происходить необратимое повреждение целого полушария. В результате у этих детей возникают эпилептические приступы, не поддающиеся медикаментозному лечению. Иногда в таких случаях единственным возможным лечением является полное удаление коры поврежденного полушария. Может показаться, что это лечение должно приводить к серьезным неврологическим дефектам у таких больных. Именно этого ожидали врачи, которые первыми пытались проводить подобные операции. Однако большинство из таких детей вырастают и ведут почти нормальный образ жизни (если операция проведена достаточно быстро после рождения). Произвольный сторонний наблюдатель, который встречается с таким пациентом во взрослом возрасте, может и не понять, что у того отсутствует вся кора мозга – настолько хорошо мозг способен адаптироваться к травме. Иногда такие особенности выясняются только при экстренном сканировании головы находящегося без сознания человека. Например, пациента доставляют в больницу после автомобильной аварии – и, к великому изумлению радиолога, в черепе пострадавшего обнаруживается гигантская полость.
Пластичность также проявляется в пучках белого вещества, связывающих разные области коры. Например, Хечт с сотрудниками проводили сканирование мозга добровольцев до, во время и после длительного (двухлетнего) и интенсивного обучения профессиональному изготовлению каменных орудий палеолита. Ученым удалось показать, что обучение изготовлению орудий, как ни странно, вызывало значительные метаболические и структурные изменения верхнего продольного пучка и соседних областей, выражающиеся в изменении плотности нервов, их калибра и уровня миелинизации аксонов.
Один из самых удивительных результатов наших экспериментов со свободно движущимися грызунами и обезьянами с применением мультиэлектродной записи заключался в выявлении принципа сохранения энергии. У животных, которые учатся выполнять различные задачи, наблюдаются вариации скорости возбуждения отдельных нейронов. Однако в больших кортикальных сетях общая электрическая активность имеет тенденцию оставаться на постоянном уровне. Если выражаться более техническим языком, общее количество потенциалов действия, созданных псевдослучайным возбуждением сотен нейронов конкретной сети (скажем, соматосенсорной системы), в целом колеблется относительно среднего значения. Теперь это открытие подтверждено для многих областей коры разных видов животных, включая мышей, крыс и обезьян. Всего пару лет назад профессор нейрорадиологии из Университета Дьюка Аллен Сонг – один из ведущих мировых специалистов по визуализации мозга и один из моих лучших друзей – показал мне, что при анализе результатов магнитно-резонансного исследования человеческого мозга можно идентифицировать не только те области, в которых потребление кислорода и возбуждение нейронов превышают фон, но также области, в которых потребление кислорода пропорционально снижается, что говорит о том, что общий уровень потребления энергии мозгом остается постоянным. Эти данные исследований человеческого мозга дополнительно подтверждают принцип сохранения энергии, наблюдавшийся в наших нейрофизиологических экспериментах на животных.
Главный вывод из этого принципа заключается в том, что, поскольку мозг обладает фиксированным энергетическим запасом, сети нейронов вынуждены соблюдать предел скорости возбуждения. Таким образом, если одни нейроны коры временно повышают скорость возбуждения в ответ на какой-то сенсорный стимул или при необходимости их участия в генерации движения или какого-то иного поведения, соседним клеткам приходится пропорционально снижать собственную скорость возбуждения, чтобы общая активность всего ансамбля нейронов оставалась постоянной.
Рисунок 4.10 обобщает принципы функционирования ансамблей нейронов и отражает их возможную иерархию от более общих (внешний круг) до более специфических (последующие внутренние круги).
Рис. 4.10. Иерархия физиологических принципов действия нейронных ансамблей. Внешний круг (принцип сохранения энергии) соответствует самому общему принципу. Внутренние круги последовательно отражают другие принципы – от более общих к более специфическим (рисунок Кустодио Роса).
За без малого тридцать лет экспериментальных исследований с наборами электродов я вывел и другие принципы, но перечисленных выше уже достаточно, чтобы продемонстрировать дилемму, которая возникает у нейробиологов, пытающихся выработать синтетическую теорию функционирования сложного органического мозга. Очевидно, что ни одна классическая теория традиционной нейробиологии не может объяснить результаты, полученные за последние тридцать лет в результате моих экспериментов. Для начала большинство из этих теорий не учитывают динамики мозга ни по одной временной шкале – ни в диапазоне функционирования нейронных сетей, ни в диапазоне, в котором проявляется пластичность, ни в интервалах секунд и минут, требующихся на поведенческие реакции: все эти проявления динамики мозга почти полностью игнорировались на протяжении столетия исследований. В результате различные проявления временной составляющей активности нейронов никогда не были частью классической центральной догмы нейробиологии, в которой преобладали такие статические понятия, как цитоархитектонические диаграммы, карты коры и бесконечные каталоги особых свойств нервной регуляции. Кроме того, конкурирующие теории функционирования мозга не учитывают и другие принципы, которые я обнаружил при регистрации активности обширных популяций нейронов коры.
Последние десять лет я пытался сформулировать теорию функционирования мозга, которая объясняла бы все перечисленные выше принципы и экспериментальные данные. Ключевая особенность этой новой теории заключается в том, что она должна объяснять отсутствие фиксированных пространственных пределов, ограничивающих работу коры в качестве функциональной единицы. В соответствии с этим требованием я представлял кору в виде непрерывной сущности, в которой неврологические функции и поведенческие реакции могут возникать за счет вовлечения широко распределенных популяций нейронов, действующих в ансамбле. Активность таких ансамблей нейронов должна иметь некоторые ограничители, включая эволюционную историю вида, строение мозга, зависящее от генетического и постнатального развития, состояние сенсорной периферии, состояние внутренней динамики мозга, а также другие телесные ограничители, контекст выполняемой задачи, доступную для мозга энергию и максимальную скорость возбуждения нейронов.
Еще одна важная цель создания новой теории функционирования мозга заключается в поиске надежного физиологического механизма, который объяснял бы точную синхронизацию взаимодействий обширных просторов тканей коры и формирование функционального континуума для выполнения основных рутинных задач мозга. По этой причине я решил, что возможный механизм синхронизации следует искать в петлях белого вещества мозга – в биологических соленоидах, позволяющих разным областям мозга сообщаться между собой. И я задался вопросом: какой вклад в функционирование нашего мозга вносят электромагнитные поля, создаваемые потенциалами действия в пучках белого вещества?
Глава 5
Релятивистская теория мозга. Все решает пикотесла магнитного поля
Открытие того факта, что человеческий мозг опирается на динамические взаимодействия между обширными и широко распределенными популяциями сложных сетей нейронов, проливает свет на важнейшие и все еще не разгаданные тайны в области современных исследований мозга. Например, какие нейрофизиологические механизмы в процессе эволюции отвечали за слияние многих наших уникальных умственных способностей (таких как речь, модель психического состояния, изготовление орудий, общий и социальный интеллект, ощущение самих себя), позволив им объединиться и сформировать единый функциональный разум? Как мозг синхронизирует работу своих анатомических отделов, функционально связывая весь неокортекс, так что многие сенсорные сигналы, а также наши действия, абстракции и мысли сливаются в единый континуум? Каким образом мы на протяжении всей своей жизни обновляем и сохраняем воспоминания?
