Основы устройства головного мозга и любопытные факты об этом органе
Подробности организации головного мозга нам знать ни к чему – многие из них неясны даже ученым. Нам же эта информация только усложнит жизнь. Но кое-что все-таки не помешает выяснить – для общего развития и чтобы лучше представлять, что происходит в нашей голове при наступлении патологии.
Головной и спинной мозг, а также вся центральная нервная система (ЦНС) образованы сплошь нейронами. Это особые, сверхчувствительные клетки, способные генерировать слабый электрический импульс при их раздражении. Нейроны также отличаются от любых других клеток наличием у них множества длинных ветвистых отростков – дендритов и аксонов. Причем интересно, что количество как тех, так и других у каждой клетки может быть разным.
Нейроны сплетены друг с другом сетью именно этих отростков. Из соединенных переплетениями отростков клеток формируется нервная ткань. У нервной системы есть три больших отдела – головной мозг, спинной мозг и периферическая система иннервации. Последняя начинается от позвоночника: из каждого позвонка во все стороны обильно ветвятся длинные нервные стволы. Сначала они довольно велики. Но по мере отдаления от спинного мозга они сами становятся все тоньше, а ответвлений на них – все больше.
Периферические нервные волокна пронизывают каждую ткань, каждый орган и выходят на поверхность кожи. Их очень много – мы даже представить себе не можем, сколько именно. В принципе, между периферическими нейронами и теми, что составляют спинной либо головной мозг, разницы нет. Ведь все нервные клетки обладают одинаковыми свойствами и занимаются, так сказать, одним делом – генерируют и передают выше, в кору, электрический импульс, возникший в них при раздражении их окончаний.
Тем не менее есть и некоторые различия. Касаются они не тела клетки и его устройства, а структуры разных отростков. Аксон – отросток длинный, он не ветвится и передает всегда только исходящий сигнал. Обычно он покрыт оболочкой из молекул особого белка – миелина, который и придает аксону белый цвет. Такая «оплетка» позволяет ему передавать импульс в десятки раз быстрее, чем обычно. Дендрит – короткий, но весьма разветвленный. Такие отростки служат в основном «приемниками» сигналов, поступающих из других клеток, и оболочки у них нет.
Классика медицины долгое время считала, что дендритов у нервных клеток всегда много, а аксон, напротив, всегда один. Оно и понятно: каждая клетка может принять множество сигналов с разных сторон. Но если она еще и отошлет это множество в нескольких направлениях одновременно, кора, в которую в итоге поступят все эти сигналы, просто не сможет ничего понять. Однако по мере изучения структуры именно головного мозга наука убедилась, что в его тканях имеются как клетки вообще без единого аксона, так и клетки с несколькими аксонами. Так что все в мире относительно, и исключения из правил имеются даже в мозгу. Хотя, обратим внимание, клеток с нарушениями количества тех или иных отростков на периферии нет – это касается только крупных отделов ЦНС.
Как мы уже, наверное, угадали, белое вещество отличается от серого тем, сколько покрытых оболочкой отростков имеет каждая клетка этой ткани. Если покрытые миелином аксоны проводят сигнал вдесятеро быстрее «голых» дендритов, вывод, что скорость прохождения сигналов в белом веществе выше, чем в сером, напрашивается сам собой. И действительно, разница здесь лишь в скорости и, следовательно, функциях, выполняемых тем или иным веществом.
Главная задача белого вещества – как можно скорее доставить принятый сигнал в определенный участок серого. Серое вещество занимается в основном обработкой полученных импульсов. Хотя оба типа вещества имеются как в головном, так и в спинном мозге, пока принято считать, что полноценно обрабатывать сигналы и выдавать готовый ответ по каждому из них умеет лишь кора головного мозга. Назначение же скоплений серого вещества в спинном мозге и внутри белых тканей мозга головного науке пока не совсем понятно.
Теперь немного сориентируемся непосредственно в устройстве головного мозга. Он образован запоминающегося вида полушариями и еще несколькими крупными отделами. Однако «мыслящая» кора имеется лишь у полушарий – прочие отделы ее лишены. Кора — это слой серых нейронов толщиной около 0,5 см. А, так сказать, тело головного мозга (его основная масса) образовано сплошь белым веществом с небольшими вкраплениями серого.
Интересный факт: долгое время наука полагала, что извилины коры появляются со временем, по мере приобретения человеком знаний. Но на данный момент уже точно известно, что они имеются даже у новорожденных. Более того: расположение и рисунок большинства извилин одинаков у всех людей мира. На самом деле эти глубокие складки многократно увеличивают реальную площадь коры. Когда мы смотрим на полушария снаружи, мы видим не более 1/3 от общей ее поверхности – остальное скрыто в складках извилин. Оттого приобретение новых знаний с количеством извилин никак не связано. Хотя чрезмерно большой объем постоянно получаемых новых знаний и сложных задач только из одной области и впрямь может привести к появлению на этом участке коры 1–3 новых извилин.
Возможно, вам известно, что полушария головного мозга связаны друг с другом своеобразным мостиком – мозолистым телом. Оно позволяет полушариям обмениваться поступившей в них информацией и работать согласованно – особенно когда это необходимо. Мыслит в головном мозгу, как мы и сказали, только кора. Она разделена на участки, в которые преимущественно поступают сигналы того или иного типа.
Интересный факт: хотя за работу над одинакового типа заданиями отвечают приблизительно одни и те же участки коры, нейроны в них легко меняют «специализацию». Например, при повреждении клеток одного из центров их обязанности вскоре перенимает участок по соседству. Именно этим явлением объясняются случаи частичного или даже полного восстановления функций, нарушенных после черепно-мозговой травмы.
Следует сказать, что у абсолютного большинства людей при размышлении над задачей того или иного типа оба полушария задействуются одновременно. Но пик активности может регистрироваться в разных центрах их коры. Традиционно считается, что у людей с творческим складом ума лучше развито правое полушарие, а у людей с аналитическим – левое. Отсюда и разница в том, у кого какое из них доминирует от природы: доминирование такого типа легко узнать по тому, какой рукой человек от природы выполняет сложные действия.
Дело в том, что правая и левая половины туловища управляются в основном противоположными полушариями мозга. Точно так же и зрительные нервы от разных глаз перекрещиваются, чтобы изображение из, скажем, левого глаза поступало в правый зрительный центр. А травма левого зрительного центра приводит к слепоте на правый глаз. Потому правши больше аналитики, чем художники, и наоборот. Но нужно сказать, что среди представителей различных профессий общее соотношение правшей и левшей сохраняется – правшей на свете гораздо больше, потому их больше в любой профессии. И кстати, далеко не всем левшам рифма дается проще интегралов. Так что эту закономерность можно считать весьма относительной.
Интересный факт: у больных шизофренией при выполнении одинаковых со здоровыми людьми задач пиковая активность регистрируется совсем в других участках коры. Кроме того, у них значительно сильнее выражена синхронизация активности обоих полушарий. Если у здоровых людей разные полушария проявляют разную активность неодинаковых участков, то у шизофреников, судя по энцефалограмме, над одной проблемой работает весь головной мозг одновременно.
Если львиную долю мышления берет на себя кора больших полушарий, это еще не означает, что прочие отделы мозга работают лишь связующими звеньями между нею и органами тела. Например, координацию всех мышц – разгибателей туловища, а также активность мышц, подчиняющихся безусловным рефлексам (диафрагма, сердце, мышцы желудочно-кишечного тракта) регулирует не столько она, сколько мозжечок. Мозжечок расположен сразу за полушариями, в сторону спинного мозга. У нас он находится примерно на уровне затылка.
Интересный факт: мозжечок имеет полушария, как и основной отдел головного мозга. Правда, их поверхность лишена извилин. Из-за внешнего сходства этих двух отделов долгое время считалось, что мозжечок является чем-то вроде запасного мозга – на случай гибели или удаления основного раздела.
В настоящее время известно, что расстройства сердечного ритма и дыхания, а также полный или частичный паралич могут появиться и при полностью здоровой коре головного мозга. Для этого достаточно более или менее сильно повредить мозжечок. Если разрушение невелико, в течение нескольких недель эти функции могут и полностью восстановиться. Впрочем, аналогичный результат легко получить при разрушении любого из отделов между позвоночным столбом и полушариями.
Тем не менее именно врожденными патологиями развития или функционирования мозжечка объясняются необъяснимые ничем другим сахарный диабет (поджелудочная полностью здорова), гастрит (не вырабатывается желудочный сок – и все тут!), атония кишечника, слабость диафрагмы и легких и пр. А врожденный, явно выраженный дефект такого рода называется атаксией — неспособностью больного правильно скоординировать даже самое простое движение. При патологиях мозжечка жизненно важные функции не прекращаются, но серьезно нарушаются, не глядя ни на какие усилия коры. Потому в настоящее время за мозжечком принято признавать не только проводящие, но и самостоятельно исполняемые функции.
У головного мозга имеется и другая часть, которая, по-видимому, выполняет некоторые функции «за» кору. Речь идет о среднем мозге — продолжении мозжечка, которое соединяет всю «начинку» черепной коробки с «начинкой» позвоночного столба. Функции среднего мозга во многом схожи с мозжечком. Потому некоторые ученые их не разделяют, полагая мозжечок частью среднего мозга. В любом случае, нам следует знать, что именно в среднем мозге расположена главная эндокринная железа тела – гипофиз.
Гипофиз важен тем, что он регулирует с помощью своих гормонов активность как самой коры, так и всех остальных желез внутренней секреции. За исключением вилочковой и эпифиза.
А это как-никак щитовидная железа, надпочечники, половые железы, поджелудочная. Так что едва ли нас удивит, что одна эта железа (кстати, очень маленькая) постоянно производит около 20 различных гормонов…
Рядом с ним расположен упомянутый только что эпифиз — железа, которая отвечает за суточные ритмы в организме. Эпифиз вырабатывает два гормона – серотонин (гормон бодрости и сосредоточенности) и мелатонин — его антипод, гормон сонливости.
Интересный факт: эпифиз уникален своей способностью не столько производить два гормона – антипода, сколько соотносить эту выработку со временем суток. Причем дело здесь вовсе не в постоянстве суточного ритма. Ведь именно работе эпифиза мы обязаны постепенным его изменением при переезде в другой часовой пояс. В тканях эпифиза имеются пинеалоциты – клетки, похожие на те, что присутствуют в коже и вырабатывают гормон ровного загара меланин. Эти клетки обладают повышенной чувствительностью к уровню освещения. И как раз по подаваемым ими сигналам, а не по информации от зрительных органов эпифиз «судит» о том, какой гормон сейчас более актуален.
Кроме эпифиза, в среднем мозге расположено еще одно скопление уникальных клеток – ретикулярная формация.
Известно, что головной мозг, наряду с мышцами, является основным потребителем глюкозы – вещества, в которое в нашем желудке и кишечнике превращаются углеводы, белки и жиры. Но с одной существенной оговоркой: в состоянии покоя мышцы по скорости потребления сахара мозгу и впрямь не конкуренты. Однако когда мы заняты физическим трудом или спортом, они потребляют его значительно больше, чем мозг. В то же время имеется и еще одно различие. А именно: в глюкозе нуждаются все ткани тела. Но все ткани могут усваивать ее только в присутствии гормона инсулина. Отсюда и сахарный диабет (неспособность усваивать глюкозу) у людей, у которых поджелудочная перестает вырабатывать инсулин.
А вот головной мозг в инсулине не столь уж и нуждается. Он ему, конечно, не помешает, но в экстренной ситуации ткани мозга способны усваивать сахар и при нулевом содержании инсулина в крови. И обязан он таким чудом именно исправной работе ретикулярной формации.
Что еще нам было бы полезно или важно знать о головном мозге? Наверное, не помешает прояснить вопрос с особенностями его кровоснабжения и защиты от ряда нежелательных воздействий. Основная часть сосудов и капилляров головного мозга расположена между последним твердым слоем, относящимся к черепной коробке, и поверхностью коры. Нам следует особенно хорошо запомнить, что система сосудов покрывает мозг как бы сверху, а не поднимается в его ткани снизу. То есть сонные артерии ведут из шеи в череп, а затем разветвляются в пространстве между черепом и мозгом. Таким образом, сосуды располагаются по всей внутренней поверхности черепа, входя в головной мозг именно оттуда, со стороны коры, а не белого вещества или мозжечка…
Еще одна значимая в иных случаях особенность кровоснабжения этого органа называется гематоэнцефалическим барьером. Данный барьер образуется особыми клетками в структуре сосудов и капилляров, уходящих непосредственно в ткани мозга. Они обладают высокой чувствительностью к составу поступающей крови и называются астроцитами — из-за их похожей на звезду формы. Благодаря им стенка капилляра мозга становится почти непроницаемой. То есть в основном ее проницаемость довольно низка – куда ниже, чем на большинстве других участков сосудистой сетки. Но она может как еще снизиться, так и быстро увеличиться – все зависит от насущного, так сказать, аппетита мозга на имеющиеся в крови вещества.
Через узенькие просветы между астроцитами в ткань могут просочиться только вещества с определенным, очень маленьким размером молекулы. В этом механизме есть смысл: все естественные для организма вещества обладают именно маленьким размером молекул. А вот большой размер характерен для веществ инородных – возбудителей заболеваний, медицинских препаратов, многих токсинов…
Кроме того, гематоэнцефалический барьер не пропускает в мозг часть веществ нужных, но способных наделать в мозгу много бед. Самый яркий пример такого рода – иммунные тельца. Ведь если они вызовут обширное воспаление и нагноение в тканях мозга без очень серьезного к тому повода, дело кончится наверняка плохо. Остается добавить, что при необходимости астроциты могут как снижать и без того невысокую проницаемость капилляров головного мозга, так и значительно повышать ее. Скажем, для поступления увеличенного количества сахара или кортикостероидных гормонов.
От быстрых и сильных перепадов температуры мозг и сосуды внутри него защищает волосяной покров. Однако имеется и еще один вид нежелательных воздействий на головной мозг, от которого мало помогают прочные, спаянные в виде купола кости черепа, и ровно ничем не спасает гематоэнцефалический барьер. Речь идет, конечно, о естественной вибрации и толчках в моменты, когда мы бежим, прыгаем, трясемся по плохой дороге на еще худшей машине… С этой стороны у головного мозга тоже имеется своя гарантия относительного спокойствия – ряд структур внутри его тканей и сам позвоночный столб.
Во-первых, естественные толчки при шаге значительно сглаживает тазобедренный сустав с его сложной структурой костей и мощным мышечным аппаратом. Во-вторых, остаточные колебания стремится погасить поясничный изгиб – тоже из мощных позвонков с толстой хрящевой прослойкой между ними, расположенных в виде буквы «S». На случай, если толчки придутся уровнем выше (скажем, на плечи или середину спины), черепная коробка крепится к верхнему торцу позвоночного столба буквально на шарнирах – ведь форма этого сустава больше всего похожа именно на них. К тому же сама шея имеет небольшой изгиб – чуть поменьше поясничного, но заметный в профиль и по выступающему над самым уровнем плеч 7-му позвонку.
В-третьих же, мозг внутри черепа не подвешен и не прикреплен к нему – он взвешен в жидкости. Конечно, на внутренней поверхности свода черепа имеются гребнеобразные разрастания, которые слегка вклиниваются между отделами головного мозга, разделяя их. Но с самим черепом кора не соприкасается нигде – иначе бы голова у нас болела постоянно. Внутри массы обоих полушарий расположены желудочки головного мозга — довольно обширные полости, заполненные спинномозговой жидкостью. Кроме того, этот же ликвор окружает мозг, заполняя всю черепную коробку. Система снабжения ликвором у спинного и головного мозга общая. Потому увеличение его давления (скажем, из-за травмы) в спинномозговом канале немедленно повысит его давление и внутри черепа.
Интересный факт: существует такое врожденное заболевание, как гидроцефалия. При ней как раз нарушена взаимосвязь между системой циркуляции ликвора головного и спинного мозга. Поступление его по спинномозговому каналу остается нормальным, а вот отток снижен. В результате появляются люди с большим и очень большим диаметром черепной коробки. Хотя в данном случае речь идет не о большой величине мозга, а о том, что желудочки внутри его тканей неправдоподобно велики из-за переполнения ликвором. Очень часто при развитой гидроцефалии белого вещества в мозгу пациента почти не остается. Вплоть до визуального впечатления, будто во всей черепной коробке имеется лишь ликвор и тонкая прослойка коры под самым куполом черепа. Однако уже доказано, что на мыслительной способности постепенно развивающаяся гидроцефалия почти не сказывается. Эту патологию успешно лечат установкой временного или постоянного шунта.
Суммируем уже известное нам о головном мозге. Его ткани образованы нейронами – особыми клетками, способными производить электрический импульс при раздражении их окончаний – отростков. Затем нейроны передают возникший сигнал по системе этих взаимосвязанных отростков в кору головного мозга. Кора является единственной тканью во всем теле, которая способна обработать этот сигнал – понять его смысл и выдать готовый ответ, как телу нужно реагировать на то или иное раздражение. Сигналы разного типа изначально поступают в отдельные центры коры. Но в процессе их обработки в коре, если это необходимо, могут активизироваться и другие центры, отвечающие за прием сигналов с иным смыслом. Кроме того, при повреждении одного участка коры соседние легко перенимают его функции, начиная обрабатывать сигналы, которые ранее поступали не к ним.
У мозга имеются свои, особые, нехарактерные для других органов защитные механизмы. Например, «амортизационная подушка» из ликвора, в которой он фактически плавает, находясь в черепе. Плюс, головной мозг защищен от попадания в его ткани многих нормальных и аномальных элементов гематоэнцефалическим барьером – особо плотной структурой стенок капилляров. Такими гематологическими барьерами обладают и другие органы – печень, некоторые из структур глаза и пр. Однако гематоэнцефалический барьер не имеет аналогов по степени жесткости «отбора» компонентов крови. В большинстве случаев это качество спасает головной мозг от инфицирования, отравления, перепадов активности коры из-за гормонального всплеска и т. д. В том числе, если в других тканях тела процесс давно начался и развивается беспрепятственно. В то же время существуют и случаи, когда временный отказ этого барьера пошел бы пациенту лишь на пользу. Например, когда инфекция поразила именно ткани мозга, а в задетые ею ткани антибиотик просто не попадает…
