История представлений о мозге, мышлении и поведении
Самые древние письменные свидетельства человеческой мысли о способности к мышлению оставили ученые Древней Греции. Гераклит, греческий философ VI века до н. э., сравнивал разум с огромным пространством, «границ которого нельзя достичь, даже если идти вдоль каждой тропы».
Размышления о природе психической деятельности продолжаются, вероятно, с тех самых пор, как началась сама эта деятельность, но к согласию об ее источнике удалось прийти сравнительно недавно. В IV веке до н. э. Аристотель писал, что в мозгу нет крови и что сердце является не только источником нервного контроля, но и вместилищем души. (Сегодня Аристотеля почитают в большей степени за изобретенный им систематический стиль мышления, чем за его нейроанатомические идеи.) Ранние анатомы, занимавшиеся изучением мозга животных во II веке н. э., особенно заботились о том, чтобы убедить сильных мира сего, будто они ищут всего только центр системы нервов, благодаря которому тело может чувствовать и двигаться. На протяжении последующей тысячи с лишним лет все изучавшие мозг соблюдали подобные предосторожности. Церковь сохраняла свою власть над человеческим сознанием: душа и то место, где она находилась, были неподвластны прямому исследованию.
Анализ по аналогии
Историки науки отмечают, что мыслители прошлого, пытаясь объяснить, как работают мозг и разум, искали аналоги в окружающем их материальном мире. В поэтической форме ту же идею выражают слова: «метафорой мышления является мир, который оно познает» (Jaynes, 1976). Греческий врач Гален одним из первых анатомировал мозг человека и животных. Главными техническими достижениями его времени (II век н. э.) были водопровод и канализационная система, основанные на принципах механики жидкостей. Поэтому едва ли можно считать случайным убеждение Галена, что в мозгу важную роль играет не само его вещество, а заполненные жидкостью полости. Сегодня эти полости известны как система мозговых желудочков, а выделяющаяся в них жидкость — как цереброспинальная (спинномозговая) жидкость. Гален, однако, считал, что все физические функции тела, состояние здоровья и болезни зависят от распределения четырех жидкостей организма — крови, флегмы (слизи), черной желчи и желтой желчи. Каждая из них имеет специальную функцию: кровь поддерживает жизненный дух животного; флегма вызывает вялость; черная желчь обусловливает меланхолию, желтая — гнев. Представления Галена так глубоко проникли в научную мысль Запада, что на протяжении почти полутора тысяч лет роль этих основных жидкостей в функционировании мозга и других органов по существу не подвергалась сомнению.
В XVII веке в связи с промышленной революцией началась «научная» атака на явления природы. На смену бездоказательных и умозрительных построений прошлого пришло убеждение, что все можно объяснить с позиций механики. Теперь это был мир машин. Первыми частями мозга, обнаружившими свою механическую сущность, были органы зрения и слуха. В начале XVII века немецкий астроном Иоганн Кеплер высказал мнение, что глаз действует по сути как обычный оптический инструмент, проецируя образ того, что находится в поле зрения, на специальные чувствительные нервы сетчатки (рис. 13; см. также гл. 3). Примерно 75 лет спустя благодаря описанию механизмов внутреннего уха, сделанному английским анатомом Томасом Уиллисом (Виллизием), было признано, что слух основан на преобразовании звука, распространяющегося в воздухе, в активацию специальных рецепторов улитки.
Рис. 11. Четыре жидкости тела. Против часовой стрелки, начинал с верхнего левого рисунка: слишком большое количество черной желчи удерживает меланхолика в постели; желтая желчь заставляет холерика-мужа бить свою жену, флегма делает возлюбленную несговорчивой; избыток крови заставляет кавалера играть на лютне для своей дамы.
Рис. 12. Увлечение анатомией заставляло Леонардо да Винчи препарировать трупы. В этих набросках Леонардо придерживается средневекового представления о сферических желудочках, передний из которых он называет «камерой здравого смысла», где располагается душа.
Эти механистические открытия вызвали раскол в представлениях о теле и мышлении, который, по мнению некоторых ученых, с тех пор стал причиной многих проблем. Вопросы биологического характера — обо всем том, что можно «узнать» о людях и животных, — могли относиться только к структурам, общим для тех и других. Процессы восприятия и анализа образов, получаемых с помощью этих структур, принадлежали особому миру — «миру мышления», свойственному только человеческим существам. Хотя благодаря этому подходу было создано адекватное, математически верное описание трансформации зрительных и слуховых образов, без ответа остались более глубокие вопросы о том, как именно из полученных ощущений синтезируется осмысленное отображение мира.
За два столетия, предшествовавших промышленной революции, ученым удалось точно описать (но не объяснить) основные проявления электричества. По мере того как исследователи проникали в разные уголки земного шара, формировались более полные представления о поверхности земли. Принципы, выявленные при изучении электричества и географии, были в конце концов использованы и для объяснения работы мозга. Однако изменения происходили медленно. На смену теориям, связывавшим важные свойства нервной системы с потоками жидкостей, пришли теории «баллонистов»; согласно этим теориям, нервы представляют собой полые трубки, по которым проходят потоки газов, возбуждающих мышцы. Как можно было опровергнуть подобное представление? Ученые стали препарировать животных под водой. Поскольку газовых пузырьков, которые выходили бы из сокращающихся мышц, не наблюдалось, теория была признана ошибочной.
Что нового вынесла наука из этих малоприятных экспериментов? Напомним, что хотя электричество и было уже открыто, до его практического использования дело еще не дошло. Энергию для промышленных нужд в ту пору получали от ветряных мельниц, быстро текущих рек и водопадов, паровых машин. Что-то должно было вытекать из нервов и вызывать мышечные сокращения; поэтому газовую теорию заменила теория «жизненной жидкости». Содержимое полых нервов — рассуждали сторонники этой теории — втекает в мышцы, смешивается с их жидкостями и вызывает резкие сокращения. Гипотеза жидкостей была одним из первых научных «достижений», декларированных вновь образованным английским Королевским обществом.
Концепция жизненных жидкостей в конце концов уступила место иному представлению, которое Выдвинул физик Исаак Ньютон. Он утверждал, что передачу воздействия осуществляет вибрирующая «эфирная среда», постулированные свойства которой, как выяснилось позднее, присущи и «биологическому электричеству». Даже с помощью примитивных приборов XVIII и XIX столетий нетрудно было показать, что нервы и мышцы обладают электрической возбудимостью. Однако понимание того, что нервы и мышцы действительно работают, генерируя животное электричество, пришло далеко не сразу. Итальянский ученый Луиджи Гальвани разрешил эту проблему почти в самом конце XVIII века, а немецкий биолог Эмиль Дюбуа-Реймон вновь вернулся к ней в начале следующего столетия. Дюбуа-Реймон первым из ученых попытался объяснить все функции мозга на основе законов химии и физики. Ему и его сотрудникам впервые удалось измерить электрические потенциалы живых действующих нервов и мышц.
Рис. 13. Иоганн Кеплер изображал глаз скорее как оптический инструмент, нежели как непостижимое творение бога. Представление о том, что части тела напоминают другие механизмы, и было тем достижением, которое позволило начать их научное исследование.
Рис. 14. Однажды разряд электрофорной машины в лаборатории Луиджи Гальвани случайно вызвал сокращение ноги только что отпрепарированной лягушки. Вывод о том, что электрические стимулы могут вызывать мышечные сокращения, положило начало поискам «животного» электричества.
В XIX веке были изобретены два метода, до сих пор сохранившие огромное значение для исследования нервной системы. Благодаря развитию технических средств ведения войны и росту числа ее жертв медики смогли определять точную локализацию повреждений мозга у солдат с несмертельными ранениями головы. Клинические наблюдения, позволяющие связать определенные неврологические и психические нарушения с повреждением определенных участков мозга, по-прежнему служат основным источником важнейшей информации (в гл. 6 обсуждаются возможности использования этого метода при изучении эмоций). Тот же подход применялся и в экспериментах на мозге животных для выяснения локализации таких функций, как движение конечностей или реакция на прикосновение.
Австрийский анатом Франц Иосиф Галль сделал еще один шаг в вопросе о локализации сенсорных (чувствительных) и моторных (двигательных) зон мозга. Он предположил (позаимствовав, быть может, идею из географии), что все умственные способности человека — от таких общих и очевидных, как речь и способность к целенаправленным движениям, до более специальных, как праворукость, остроумие или набожность, — могут быть определены по расположению шишек на черепе, лежащих над соответствующими участками мозга. Эта сегодня уже исчезнувшая наука, названная френологией, вскоре потеряла свою популярность. Аналогичная стратегия в изучении мозга животных, однако, оказалась более полезной. Как считали ее сторонники, функцию, за которую ответственна та или иная область мозга, можно выявить, если посмотреть, что произойдет при электрическом раздражении данной области. К концу XIX века эти два исследовательских подхода — изучение последствий повреждения мозга и метод электростимуляции — позволили специалистам приступить к оценке функциональной роли важнейших отделов мозга.
Рис. 15. После возникновения френологии в 1790 г. прощупывание бугров на голове стало повальным увлечением. Каждый хотел, чтобы ему рассказали о его голове — за исключением, может быть, лишь тех, у кого бугры окружали уши. Это свидетельствовало о драчливости, страсти к разрушению, скрытности, жадности и чревоугодии.
Рис. 16. Слои зрительной коры приматов. При этом очень малом увеличении ядра нервных клеток выглядят как темно-лиловые пятнышки. Шесть основных слоев различаются по плотности расположения нейронов.
Подобно тому как физики стали выяснять, что лежит под поверхностью земли и каковы детали структурных и химических свойств почвы, специалисты по мозгу начали сходные «геологические» изыскания, пытаясь узнать, что находится в глубине мозговых структур. Эксперименты с разрушением участков мозга и их стимуляцией показали, что наружные слои мозга очень существенны для высших форм сознания и сенсорных функций. По аналогии со слоями горных пород глубинные слои мозговой ткани объявлялись древними образованиями, наиболее примитивными из которых признаны внутренние структуры среднего мозга. При разрушении этих областей животные погибали.
Дальнейший прогресс был связан с детальным анализом строения мозга, в первую очередь с успехами ранних исследований по микроструктуре, проводившихся такими учеными, как английский анатом Аугуст фон Валлер. Он разработал химический метод, позволивший выделять пучки отмирающих нервных волокон (так называемая валлеровская дегенерация). Окрашивание по этому методу помогло установить, что длинные волокна, образующие периферические нервы, — это отростки клеток, находящихся внутри головного и спинного мозга. Некоторые из этих крупных клеток можно было даже увидеть с помощью примитивных микроскопов. Хотя микроскопы были и раньше, очень сложные и компактные клеточные структуры мозга с трудом поддавались исследованию. Понадобились новые красители, чтобы сделать хорошо видимыми отдельные клетки.
Вскоре после этого интенсивное применение улучшенных методов окраски итальянцем Эмилио Гольджи и испанцем Сантьяго Рамон-и-Кахалом показало, что в структурах мозга можно выделить клетки двух основных типов (см. гл. 2): нервные клетки, или нейроны, и массу клеток, как бы склеивающих нейроны, — нейроглию, или просто глию. С тех пор микроскопический анализ мозга и его частей стал третьим важнейшим инструментом в стандартном наборе исследователя.
Когда выяснилось, что ткани мозга состоят из отдельных клеток, соединенных между собой отростками, возник другой вопрос: каким образом совместная работа этих клеток обеспечивает функционирование мозга в целом? На протяжении десятилетий ожесточенные споры вызывал вопрос о способе передачи возбуждения между нейронами — осуществляется ли она электрическим или химическим путем? К середине 1920-х годов, однако, большинство ученых были готовы принять ту точку зрения, что возбуждение мышц, регуляция сердечного ритма и других периферийных органов — это результат воздействия химических сигналов, возникающих в нервах.
Рис. 17. Нейрон в коре мозжечка взрослой крысы, окрашенный по Гольджи. В результате химической обработки этот крупный нейрон Пуркинье полностью окрасился серебром, чем и объясняется его темное изображение на фоне окружающих клеток. Отчетливо видна очень сложная система дендритов, отходящих от тела клетки.
Эксперименты, о которых сообщили английский фармаколог сэр Генри Дейл и австрийский биолог Отто Лёви, были признаны решающими подтверждениями гипотезы о химической передаче. Эти открытия привели к использованию четвертой исследовательской стратегии: на нервы и мышцы стали непосредственно воздействовать растительными экстрактами и синтетическими препаратами, чтобы сравнить получаемый эффект с тем, который производит возбужденный нерв. Хотя теория химической передачи рассматривалась как единственно возможное и достаточное объяснение реакций конечностей и внутренних органов на нервные сигналы, установить ведущую роль этого механизма в связях между нейронами мозга и в некоторых других местах тела оказалось гораздо труднее.
Современная аналогия
В результате этих с таким трудом завоеванных открытий возникла столь сложная картина строения мозга даже у мелких животных, что воображение отказывается ей верить. Историю науки о мозге в XX веке еще предстоит написать. Когда это будет сделано, в качестве рабочей аналогии живого мозга, возможно, будет использован компьютер.
Наиболее удачные аналогии помогают ученым интерпретировать эксперименты на мозге в соответствии с каким-нибудь грандиозным планом, уже известным в природе, — либо в той его форме, которую мы видим и наблюдаем, либо в той, какая возникает в нашем воображении. Однако в конце концов ни одна модель, как бы хорошо она ни воспроизводила элементы мозговой деятельности, не будет признана полностью приемлемой, если она не сможет предсказать такие особенности работы мозга, которые в данный момент не очевидны. Наша цель состоит не в том, чтобы создать модель или машину, способную воспроизвести или объяснить кое-что из того, что, как нам уже известно, может делать мозг. Удачной моделью скорее будет та, которая объяснит, что же именно делает мозг и как он это делает.
