Мозг без границ: как нейропластичность меняет представления о сознании

Основной принцип нейробиологии

Главным объектом изучения в нейробиологии человека является нервная система, которая состоит из двух основных компонентов:

• центральной нервной системы (ЦНС), включающей головной мозг, ответственный за управление организмом;

• периферической нервной системы, которая включает периферические нервы, а также две важные подсистемы — вегетативную нервную систему (состоящую из симпатического и парасимпатического отделов) и соматическую (диффузную) нервную систему. В работе этих систем действует принцип передачи сигналов — возбуждение и торможение, а также структурная иерархия, базирующаяся на реакции организма на стимулы.

Интересные данные свидетельствуют о том, что роль головного мозга в жизни человека зачастую может быть переоценена.

Известны случаи рождения людей без головного мозга (хотя продолжительность жизни таких индивидов ограничена), а также случаи утраты значительной части полушарий, что зачастую не проявляется в выраженных внешних особенностях. Такие люди порой выглядят как обычные, и сами не всегда осознают свою уникальность — особенности выявляются только в ходе медицинских обследований.

Однако эти феномены остаются недостаточно изученными, что ограничивает возможность формулирования однозначных выводов о функциональных возможностях мозга.

Анатомия головного мозга

Человеческий головной мозг представляет собой центральный управляющий орган нервной системы, состоящий из нервных клеток — нейронов. Нейроны обладают способностью формировать новые синаптические связи и адаптироваться к изменениям окружающей среды, что характеризуется как нейропластичность. Мозг состоит из двух почти симметричных полушарий, которые принимают сигналы от органов чувств и передают команды мышцам. В различных зонах левого и правого полушария формируются новые нейронные цепи в процессе обучения и восприятия информации. Каждое полушарие отвечает за специфические функции.

Например, правое полушарие контролирует левую половину поля зрения, а левое — правую. При взгляде вперед изображения от обоих полей зрения объединяются в единое восприятие. Хрусталик глаза формирует перевёрнутое изображение на сетчатке, которое мозг корректирует и восстанавливает. Мозг подвержен заболеваниям, которые могут привести к утрате нейронных клеток, вплоть до удаления целого полушария.

Физические характеристики мозга

Объём головного мозга варьируется от 1250 до 1600 кубических сантиметров, тогда как спинной мозг значительно меньше — примерно в 50 раз. Мозг покрыт тремя оболочками: мягкой (сосудистой), прилегающей непосредственно к мозговому веществу и насыщенной кровеносными сосудами; паутинной оболочкой, которая не содержит сосудов и не проникает в борозды коры; и твёрдой оболочкой, прилегающей к костям черепа и содержащей наибольшее количество болевых рецепторов, которых нет в самом мозге.

Поверхность коры мозга благодаря извилинам и бороздам увеличена до приблизительно 220 тысяч квадратных миллиметров. Между мягкой и паутинной оболочками находится спинномозговая жидкость, а между паутинной и твёрдой — серозная жидкость. Сигналы от различных органов чувств достигают мозга с разной скоростью, что позволяет формировать единую целостную картину восприятия. Нервные импульсы передаются по нейронам со скоростью около 440 км/ч. В головном мозге содержится около 86 миллиардов нейронов, которые обеспечивают обработку и передачу информации. Ежедневно мозг генерирует примерно 70 000 мыслей.

Иногда возникает явление, при котором мысли будто исчезают — так называемое «отключение сознания». Этот феномен представляет собой уникальное состояние, уровень нейронной активности которого пока недостаточно изучен.

Мозг нуждается в постоянном поступлении кислорода и глюкозы. Для питания он потребляет около 50% всей глюкозы, синтезируемой печенью и поступающей в кровь. В коре головного мозга сосредоточено около 15 миллиардов нейронов, каждый из которых устанавливает от 7 до 10 тысяч связей с другими клетками. Питание нейронов осуществляется через глиальные клетки, численность которых достигает примерно одного триллиона. Нейроны не способны к делению, и их гибель необратима, что делает мозг уязвимым к различным повреждениям. Например, осложнения после вирусных инфекций могут привести к серьёзным неврологическим последствиям.

Мозг человека обладает кратковременной и долговременной памятью. Кратковременная память удерживает информацию обычно менее 30 секунд, что объясняет лёгкость забывания недавно возникших мыслей. Общий объём памяти мозга оценивается примерно в 1000 терабайт.

Распространённое заблуждение о том, что человек использует только 5-10% потенциала мозга, не соответствует действительности: современные исследования показывают, что использование достигает около 90% и выше.

В функциональном плане мозг разделён на три основных блока:

• регуляции активности,
• приёма, обработки и хранения информации,
• программирования, регуляции и контроля действий, формирующих исходящие двигательные импульсы.

В проекционных областях коры завершаются нервные пути от рецепторов различных анализаторных систем и начинаются моторные проводящие пути.

В анатомическом отношении выделяют пять отделов головного мозга:

1. продолговатый мозг;
2. задний мозг, включающий мост, мозжечок и эпифиз;
3. средний мозг;
4. промежуточный мозг;
5. передний мозг, представленный большими полушариями.

Функции головного мозга

Современные достижения в области нейровизуализации, медицины, биологии, психологии и нейронаук значительно расширили понимание структуры и функциональных возможностей мозга.

Ключевые функции головного мозга включают:

• Регуляция жизненно важных процессов: поддержание температуры тела, артериального давления, частоты сердечных сокращений, дыхания, сна и пищевого поведения.

• Приём, обработка, интеграция и интерпретация сенсорной информации: зрительные, слуховые, вкусовые, тактильные и обонятельные сигналы.

• Контроль двигательной активности и позы тела: управление такими действиями, как ходьба, бег, речь и удержание равновесия.

• Регуляция эмоций и поведения.

• Обеспечение мышления: аналитические процессы, рассуждения и самосознание.

• Поддержка высших когнитивных функций: память, обучение, восприятие, воображение и исполнительные функции.

Левое полушарие мозга отвечает за логическую и последовательную обработку информации. Оно тесно связано с языковыми навыками и интеллектуальными функциями, включая анализ и принятие решений. Левое полушарие ориентировано на точное распознавание объектов, планирование и выполнение расчетов, таких как оценка времени и денег. Характерной чертой работы этого полушария является склонность к соперничеству.

Правое полушарие, напротив, ориентировано на целостное и пространственное восприятие. Оно одновременно воспринимает объект с разных точек зрения, интегрирует физические, эмоциональные и интуитивные аспекты. Это полушарие отвечает за творческую деятельность, визуальное воображение, пространственное ориентирование и эмоциональную восприимчивость. Современное общество в большей степени опирается на функции левого полушария, уделяя внимание логике, анализу и оценке.

Функционирование мозга в целом описывается через механизм «стимул – реакция», реализуемый посредством рефлекторных дуг. При хронических или прогрессирующих нарушениях одни участки мозга могут компенсировать функции повреждённых областей, что происходит иногда в течение многих лет.

Нейропластичность мозга

В Калифорнийском технологическом институте проведено исследование с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ) у шести пациентов, у которых в детском возрасте была проведена гемисферэктомия — хирургическое удаление одного полушария мозга или значительной его части, выполненная в связи с тяжелой формой эпилепсии.

Анализ снимков сравнивали с контрольной группой из шести здоровых участников и базой данных, содержащей 1482 изображения мозга. Результаты показали, что паттерны активности мозга в состоянии покоя у пациентов с удалённым полушарием остаются удивительно схожими с таковыми у людей с двумя полушариями.

Вместе с тем выявлены отличия: у пациентов наблюдалось значительно больше межсетевых связей между различными мозговыми сетями, ответственными за внимание, сенсорную и лимбическую функции (эмоции и память). Эти сети часто вовлекают оба полушария, при этом внутрисетевая активность связана с моторными функциями, а межсетевые соединения — с исполнительными функциями, такими как рабочая память.

Например, сеть, отвечающая за внимание, у пациентов демонстрировала усиленные связи с визуальной сетью. Эти изменения отражают механизм компенсации утерянных ресурсов мозга, что позволяет поддерживать когнитивные способности и сознание.

Дорит Климанн, нейрофизиолог из Массачусетского технологического института (США) и один из авторов исследования, прокомментировала:

Очень удивительно, что с одной стороны, есть люди, которые спокойно живут с половиной мозга, тогда как иногда даже самые небольшие повреждения, которые связаны с инсультами или падениями, приводят к катастрофическим последствиям. Раскрытие принципов того, как мозг перестраивает себя, откроет пути для спасения и этих пациентов.

Удаление половины мозга в раннем детском возрасте редко приводит к выраженным нарушениям интеллекта, памяти, психического состояния и других личностных характеристик. Это свидетельствует о высокой способности нервной системы к реорганизации, однако механизмы этой перестройки остаются предметом дальнейших исследований.

В рамках данного исследования американские нейрофизиологи впервые провели детальный анализ активности мозга у пациентов, перенёсших удаление полушария в первые месяцы или годы жизни. Используя МРТ, ученые отслеживали изменения активности в нескольких сотнях областей коры и глубинных структур мозга, регистрируя концентрацию кислорода в сосудах.

Исследуя синхронную активацию нейронов в различных областях мозга, Климанн и ее коллеги разработали карту таких связей и оценили степень их взаимосвязи. Первоначально предполагалось, что межполушарные связи будут ослаблены, поскольку многие из них объединяют разные полушария мозга. Однако экспериментальные данные показали обратное: средняя сила связей между мозговыми областями у шести испытуемых с одним полушарием была значительно выше, чем у контрольной группы с двумя полушариями.

Результаты исследования продемонстрировали, что у лиц с единственным полушарием специализированные нейронные сети, ответственные за функции речи, зрения и другие, функционировали на уровне, сопоставимом с пациентами с обоими полушариями. В ходе магнитно-резонансного сканирования мозга 29-летней женщины выявлено отсутствие некоторых структур, необходимых для восприятия обонятельных сигналов.

Несмотря на это, женщина обладала чрезвычайно развитым обонянием, что свидетельствует о способности мозга компенсировать утрату анатомических элементов. В настоящее время установить связь между отсутствием половины мозга и уровнем интеллекта (IQ) не представляется возможным из-за ограниченной выборки участников исследования.

Известен случай американской девочки по имени Стефани Кин, более известной как Бэби Кей, которая родилась без развитого мозга. В ее черепной коробке сохранился только ствол мозга, ответственный за жизненно важные функции, такие как дыхание, сердечный ритм и регуляция кровяного давления. После рождения ребенка подключили к аппарату искусственной вентиляции легких, поскольку без него она не могла выжить.

Мать девочки отказалась от прерывания беременности, ссылаясь на религиозные убеждения, и не дала согласия на прекращение поддержки жизни, предложенное врачами. Ребенок прожил около двух лет, находясь под медицинским наблюдением, после чего скончался. Общие затраты на поддержание жизни составили около 500 тысяч долларов.

Другой пример — американец Карлос Родригес, который после тяжелой травмы потерял более 60% объема головного мозга. Несмотря на это, его память и когнитивные функции сохранились. В возрасте более 35 лет Родригес продолжает жить, несмотря на серьезные повреждения.

К 14 годам у Карлоса имелись многочисленные правонарушения, включая угон автомобиля, завершившийся аварией, повлекшей тяжелую черепно-мозговую травму. В результате хирургического вмешательства, продолжавшегося 16 часов, ему удалили лобные доли мозга и часть черепной коробки, однако сердечная деятельность сохранилась.

После аварии Родригес продолжал вести асоциальный образ жизни, включая употребление наркотиков и частые половые связи. Несмотря на особенности внешнего вида и состояние мозга, у него сохранялась значительная социальная активность.

Мора Лееб, девочка из Нью-Джерси (США), перенесла удаление левого полушария мозга в возрасте девяти месяцев. В 16 лет она успешно выполняет повседневные задачи, включая речь и занятия спортом. Мора научилась ходить и говорить, несмотря на отсутствие полушария, обычно ответственного за эти функции. В настоящее время она ведет активный образ жизни, учится в школе и занимается спортом.

Развитие моторики у Моры происходило с задержкой: ходить она начала в возрасте двух лет, а полными предложениями говорить стала только в шесть лет. По словам матери, для адаптации мозга к новым функциям требовалась систематическая и целенаправленная работа, включая временное обездвиживание левой руки с помощью гипса для улучшения моторики правой.

В возрасте 11 лет у Моры возобновились приступы, потребовавшие дополнительного хирургического вмешательства. Опасения о возможной потере навыков не оправдались: после операции девочка быстро восстановилась. В настоящее время она принимает участие в научных исследованиях, направленных на углубленное понимание работы мозга, продолжая совершенствовать речевые и двигательные способности.

Еще один случай — Кристина Сантхаус, которой в возрасте семи лет был диагностирован энцефалит Расмуссена, потребовавший удаления половины мозга. После операции девочка потеряла значительную часть двигательных функций на левой стороне тела, однако сейчас может ходить и ведет практически полноценную жизнь.

Несмотря на значительную потерю мозговой ткани, Кристина адаптировалась к новым условиям благодаря компенсаторным механизмам мозга. Это подтверждает, что естественные биологические системы имеют избыточность, позволяющую обеспечивать выживание при повреждениях.

Сегодня Кристина имеет степень магистра в области патологии речи, обладает собственным домом и семьей. Несмотря на то, что она живет с половиной мозга, качество ее жизни практически не отличается от нормы.

Восстановление и поддержание жизнеспособности мозга

В журнале Nature опубликована статья, в которой йельские нейробиологи описали значительные достижения, достигнутые с помощью разработанной ими системы жизнеобеспечения мозга под названием BrainEx. Эта система создана в Йельском университете и предназначена для изучения мозга вне организма.

Основной научный вопрос заключается в том, может ли система BrainEx не только «поддерживать жизнь» мозга, извлеченного из тела, но и «сохранять его физиологические функции», аналогично современным методам хранения других органов, таких как почки и печень.

Авторы статьи отмечают: «Важно отличать восстановление нейрофизиологической активности от восстановления интегрированных функций мозга (то есть нейрологического восстановления). Восстановление молекулярных и клеточных процессов через 4 часа после глобальной аноксии или ишемии не следует экстраполировать до возобновления нормального функционирования мозга».

Также исследователи подчеркнули, что в ходе экспериментов не были зарегистрированы никакие признаки высшей нервной деятельности, такие как альфа- или бета-волны. В то же время в дополнительной публикации отмечается, что в будущем при развитии технологии возникновение таких сигналов «в принципе возможно».

В комментарии к работе, опубликованном в том же номере Nature, ученые отмечают, что отсутствие активности на ЭЭГ может быть связано с особенностями дизайна эксперимента: в состав используемого перфузата BrainEx входят вещества, подавляющие нервную активность.

Взаимодействие мозга с компьютерными системами

Системы, обеспечивающие взаимодействие мозга человека с компьютером, а также более естественные каналы связи для пациентов с параличом, широко изучаются и применяются в практике. Группа Ненанда Сестана считает, что технология BrainEx эффективно удерживает мозг в состоянии, дающем надежду на восстановление функций после глобальной ишемии головного мозга как у людей, так и у приматов. Исследователи признают возможность восстановления электрической активности мозга с дальнейшим развитием их технологии.

BrainEx способен поддерживать жизнедеятельность отделенного от тела мозга в течение 36 часов. Ключевыми элементами системы являются сложное устройство для циркуляции перфузата (искусственной крови) и уникальный состав этого раствора. Перфузат представляет собой физраствор, неспособный к свертыванию, обогащенный аналогом гемоглобина и фармакологическими агентами (антиапоптическими, антинекротическими и контрастными веществами). В первые два часа работы системы температура раствора постепенно повышалась с 25 до 37 градусов Цельсия при циркуляции через мозг с помощью сети насосов, фильтров и ультразвуковых датчиков, обеспечивающих контроль температуры и состава.

При помощи МРТ-сканирования была подтверждена сохранность анатомической целостности мозга: размеры желудочков, контрастность серого и белого вещества, а также контуры различных областей не изменялись по сравнению с изображениями живого мозга. Восстановилась микроциркуляция, сосуды активно сокращались и адекватно реагировали на фармакологические препараты, например, на сосудосуживающие средства.

Что касается клеточной структуры, такие области, как гиппокамп, неокортекс и мозжечок, где признаки аноксии и ишемии наиболее выражены, в мозге BrainEx сохранялись лучше, чем у мозга, извлеченного из черепа через час после смерти животного. Особенно сохранились митохондрии и миелиновые оболочки аксонов.

Ученые из Колумбийского университета разработали метод, при котором сигналы мозговой активности человека, слушающего речь, считывались с помощью нейросети и вокодера и преобразовывались в синтезированную речь. Это позволило «прочитать» то, что человек слышит, а не то, что он хочет произнести.

Авторы исследования подчеркивают, что данные были записаны не с речевой коры, а со слуховой, то есть озвучивалась не внутренняя речь, а восприятие звуков. Несмотря на это, они считают, что данный подход является важным шагом к развитию новых поколений систем интерфейса «мозг-компьютер».

Восстановление сознания

При вегетативном состоянии корковые структуры мозга отключены, и ментальная активность отсутствует. Согласно публикации New Scientist, хирурги Национального центра научных исследований Франции добились частичного восстановления сознания у 35-летнего пациента, находившегося в вегетативном состоянии на протяжении 15 лет. Для этого была применена электрическая стимуляция блуждающего нерва.

Блуждающий нерв соединяет головной мозг с органами головы, шеи, грудной и брюшной полости. Он контролирует мышцы сердца, желудочно-кишечного тракта и легких, а также связан с важными структурами мозга, такими как таламус (передача сенсорных сигналов к коре), миндалевидное тело (формирование эмоций) и гиппокамп (консолидация памяти).

Специалисты провели имплантацию электродов на блуждающий нерв на шейном уровне с целью исследования его влияния на восстановление функций головного мозга у пациента в состоянии минимального сознания. Через месяц после операции начался курс электрической стимуляции: сила тока составляла 0,25 мА, частота — 30 Гц. Каждая сессия стимуляции длилась 30 секунд, после чего следовал интервал в пять минут. В течение каждой последующей недели силу тока постепенно наращивали до 1,5 мА. Общая продолжительность эксперимента составила шесть месяцев. Во время всего периода исследования состояние головного мозга пациента контролировалось с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и электроэнцефалографии (ЭЭГ).

По итогам лечения отмечено улучшение поведенческих реакций: больной стал чаще открывать глаза, следить взглядом за людьми в помещении и реагировать на просьбы повернуть голову. Также были зарегистрированы попытки пациентом улыбнуться. Данные сканирования продемонстрировали изменение паттернов мозговой активности, свидетельствующее о переходе из вегетативного состояния в состояние минимального сознания. Эти результаты подтверждают мнение о том, что длительная и систематическая стимуляция блуждающего нерва может способствовать активации структурных и функциональных связей в коре головного мозга и тем самым способствовать появлению признаков осознанного поведения у пациентов с тяжелыми поражениями ЦНС.

Классическим считается случай, описанный в США: в 1935 году в Больнице Святого Винсента в Нью-Йорке родился ребёнок, проживший всего 27 дней. На протяжении этого времени малыш развивался как доношенный ребёнок — прибавлял в весе и проявлял нормальные рефлекторные реакции. Однако при вскрытии было установлено, что практически всё полушарие головного мозга отсутствовало. Данное состояние известно как анэнцефалия, при которой большая часть головного мозга и черепной коробки не формируется в эмбриональном периоде. Несмотря на анатомическое отсутствие мозговой ткани, ребёнок сохранял ряд базовых автоматических рефлексов и смог прожить почти четыре недели, что подчёркивает важность базовых субкортикальных структур для поддержания жизненных функций.

Учёные из Франции выявили ещё один необычный случай: 50-летний гражданин по имени Матье в течение всей жизни не имел сформированного головного мозга. Его черепную полость полностью заполняла спинномозговая жидкость, а корковые структуры практически отсутствовали. Ещё в детстве ему был поставлен диагноз гидроцефалия — патология, при которой происходит чрезмерное накопление цереброспинальной жидкости. Лечение позволило снять острое давление, однако страниц формирования головного мозга уже не восстановилось.

В возрасте 44 лет Матье обратился к врачу с жалобами на непрекращающиеся боли в ноге, и при проведении магнитно-резонансной томографии (МРТ) специалисты были поражены тем, что в его черепной коробке практически нет серого вещества головного мозга. Несмотря на это, мужчина вёл обычную жизнь: был женат, воспитывал двоих детей, и у его потомства не было выявлено никаких нарушений анатомии или функциональности мозга. Появление таких аномалий не относится к наследственным мутациям, что подтверждает отсутствие схожих случаев среди родственников Матье.

Проведённая оценка интеллектуальных способностей показала IQ 75, в то время как нормативный диапазон составляет 85–114 баллов. Однако это не оказывало существенного влияния на повседневную жизнь мужчины, который продолжал трудиться в качестве государственного служащего и участвовать в общественной и семейной деятельности. Данный феномен подчёркивает феноменальную способность центральной нервной системы к компенсации утраченных кортикальных структур с помощью субкортикальных или других вспомогательных механизмов.

Ещё один исключительный случай произошёл в 1978 году в подмосковном городе Протвино. Во время работы ускорителя протонов у оборудования произошёл сбой блокировочной системы, и молодой физик Анатолий Бугорский попытался устранить неполадку вручную. В результате корпус ускорителя «прошил» пучок протонов энергией 70 МэВ через его голову. Доза облучения, которую он получил, оценивается в приблизительно 200 000 рентген. По всем медицинским прогнозам такая ситуация должна была привести к мгновенной гибели от критического поражения мозга и центральных структур нервной системы. Тем не менее Анатолий Бугорский выжил, продолжил работать в области науки и даже возвращался к активному образу жизни: он катается на велосипеде и играет в футбол. На его голове до сих пор видны два отверстия — в области затылка и над носом. Первое официальное освещение этого случая состоялось в телепрограмме «Очевидное — невероятное».

Заключение

Проблема поражения головного мозга или радикального уменьшения объёма мозговой ткани остаётся одной из наименее изученных областей неврологии и нейрохирургии. Существуют многочисленные примеры, когда при сохранении даже небольшой части кортикальных или субкортикальных структур обеспечивались базовые жизненные функции и появлялись признаки элементарного сознания.

Факт, что сознание может существовать независимо от полной функциональности головного мозга, подтверждают исследования голландских физиологов под руководством Пима ван Ломмеля. Данные широкомасштабного эксперимента были опубликованы в ведущем биологическом журнале The Lancet. «Сознание существует даже после того, как мозг перестал функционировать», — подчёркивает Пим ван Ломмель. По мнению учёных, головной мозг является органом, выполняющим определённые функции, но не являющимся «мыслящей материей». Это открывает новые перспективы в изучении природы сознания и ставит под сомнение традиционные представления о прямой зависимости сознательной активности от объёма и целостности коры головного мозга.

Литература

1. Vrselja, Z. et al. Nature 568 , 336–343 (2019).
2. Farahany, N. A. et al. Nature 556 , 429–432 (2018).
3. Koch, C., Massimini, M., Boly, M. & Tononi, G. Nature Rev. Neurosci. 17 , 307–321 (2016).
4. Mashour, G. A. & Hudetz, A. G. Trends Neurosci . 41 , 150–160 (2018).
5. Karnatovskaia, L. V., Wartenberg, K. E. & Freeman, W. D. Neurohospitalist 4, 153–163(2014)
6. Ogden,, B. E., Pang, W., Agui, T. & Lee, B. H. ILAR J . 57 , 301–311 (2016)
7. Brown, E. N., Lydic, R. & Schiff, N. D. N. Engl. J. Med. 363 , 2638–2650 (2010).
8. Casali, A. G. et al. Sci. Transl. Med. 5 , 198ra105 (2013).
9. Demertzi, A. et al. Sci. Adv. 5 , eaat7603 (2019).
10. Nuffield Council on Bioethics. The Ethics of Research Involving Animals (Nuffield Council on Bioethics, 2005).
11. Huth, A. G. et al. Front. Syst. Neurosci. 10 , 81 (2016).
12. Horikawa, T., Tamaki, M., Miyawaki, Y. & Kamitani, Y. Science 340 , 639–642
13. Azoulay, A. ‘Towards an Ethics of Artificial Intelligence.’ UN Chronicle (December 2018).
14. Shemie, S. D. et al. Intensive Care Med. 40 , 788–797 (2014).
15. Greely, H. T. et al. J. Neurosci. 38 , 10586–10588 (2018).