Тайны памяти (с иллюстрациями)

Иного характера яд змей. В южных районах Азии и на Цейлоне обитает не очень крупная змея – индийский крайт, наводящий ужас на местное население. По количеству смертельных случаев крайт занимает в Индии второе место. В железках, находящихся у корней зубов, содержится 5 смертельных для человека порций яда. Почти так же страшны пама из южных районов Азии, а в Австралии – великолепная денисония. Действующее начало яда – антихолинэстеразные вещества. Один грамм сухого яда индийского крайта может уничтожить за час около полукилограмма ацетилхолина. Такого количества ключей, вероятно, не найдется в организме самого крупного кита. Оставшись без ключей, нервная система утрачивает работоспособность и перестает руководить работой мышц. Функции организма постепенно угасают, нарушается сознание, из-за паралича мышц прекращается дыхание, и наступает смерть.

Медики не отстали от природы. Они создали много холиноподобных веществ. Тубокурарин и сходные соединения способны заблокировать мышечные холинорецепторы и прекратить судороги. Другие курареподобные вещества проникают в мозг и снимают судороги мозгового происхождения. Созданы вещества, имеющие сходное с ацетилхолином действие. Их используют для стимуляции дыхания.

Вниз по лестнице, ведущей вверх

Колумб мозга – Герофил

Город Александрия был заложен Александром Македонским как новая столица эллинского Египта. После смерти великого полководца здесь обосновался один из его сподвижников, Птолемей I Сотер, положивший начало династии Птолемеев. Он не принял участия в жестоких битвах за раздел и перераздел всемирной империи, которые вели между собой все остальные военачальники александровской когорты. Вместо этого он отстраивал столицу, укреплял свою власть в Египте.

Вероятно, самым выдающимся деянием его жизни было создание Мусейона, что в переводе на русский язык должно обозначать «обиталище», или «дом муз». Не правда ли, неплохая задумка?

Греческий пантеон насчитывал девять муз. Две из них заведовали науками. Клио занималась историей, а Урания представляла точную науку – астрономию. Остальные увлекались искусством: Мельпомена – трагедией, Талия – комедией, Терпсихора – танцем, Эрато – любовными песнями, Каллиопа – эпической поэзией, Полигимния – религиозными песнопениями, Эвтерпа – лирической поэзией. Мусейон был большим общежитием, но не следует думать, что там действительно обитали вышеперечисленные красотки. Дом муз был научно-исследовательским институтом, возможно, первым в мире. Здесь жили и работали ученые, сходясь вместе прохладными вечерами во время прогулок в парках Мусейона для спокойного обмена мнениями или жарких дискуссий.

В Мусейон ученых привлекало не только хорошее финансирование науки, на которое, говорят, Птолемеи были достаточно щедры, но и одна из лучших библиотек того времени, собранная частично с помощью золота, частично путем обмана. Неудивительно, что в Мусейоне работало немало выдающихся ученых, таких, как географ и математик Эратосфен, сумевший вычислить диаметр Земли с достаточно высокой по тем временам точностью в 75 километров, математик Эвклид, написавший 13 томов «Начал» геометрии, астроном Аристарх Самосский, почти за 2 тысячи лет до Коперника установивший, что Земля – шар, вращающийся вокруг Солнца, и основоположник автоматики Герон. Там же работал врач Герофил.

Мусейон тех дней был единственным местом на Земле, где можно было решиться на вскрытие человеческих трупов. Занимаясь анатомией, Герофил пришел к выводу, что головной мозг – во-первых, центр всей нервной системы, а во-вторых, орган мышления. Может показаться странным, что о таком очевидном факте до него никто не подозревал.

Предмет оказался трудным для изучения. Прошло почти две тысячи лет, прежде чем накопилось достаточное количество сведений о происхождении мозга и его строении и появилась возможность сделать первые, очень робкие шаги, чтобы понять его функции.

Лестница

История мозга своими корнями уходит очень глубоко. 2–3 миллиарда лет природа колдовала над живыми организмами, прежде чем из жиденькой сети нервных клеток, из крохотных нервных узелков возникла наиболее сложно устроенная на нашей планете материя – человеческий мозг. Знать, как это произошло, необходимо. Прослеживая, как этап за этапом усложнялась высшая нервная деятельность животных, лучше понимаешь работу человеческого мозга.

За 70 лет поисков и находок исследователи поведения животных сумели спуститься до самой последней ступеньки грандиозной лестницы эволюции. Отправимся туда и мы, чтобы затем пройти путем, которым карабкались наверх животные нашей планеты. Нам придется подниматься быстро, перепрыгивая через пять-десять ступенек сразу. Лишь на самых важных удастся задержаться на короткое мгновение.

Какие ступени эволюции наиболее важны? Решить этот вопрос – значит ответить на основные загадки мозга, а они, как известно, еще не разгаданы. Я поведу вас так, как мне представляется целесообразным, не претендуя на то, что выбранный мною путь самый правильный.

Итак, два-три миллиарда лет назад в солоноватом бульоне мировых океанов появились первые комочки живого вещества, прообразы настоящих одноклеточных организмов. Они обладали основным качеством, присущим всему живому, – свойством раздражимости и способностью передавать возбуждение из одного участка крохотного организма другому, то есть проводимостью.

Позже некоторые организмы стали селиться вместе, образуя колонии. Такие компанейские одноклеточные существа стали прообразом первых многоклеточных организмов. Многоклеточный организм – большое хозяйство; чтобы разумно управлять им, целесообразно иметь какой-нибудь командный пункт. Ничего похожего поначалу не было. Все клетки первых многоклеточных организмов были равны между собой. Любая из них имела право возбудиться, а когда возбуждение распространится на всю клетку, могла передать его ближайшей соседке. Вот и все новшество. На Земле и сейчас существуют примитивные организмы, не имеющие специальных систем управления. Это губки. Передавая возбуждение от соседа к соседу, губки способны осуществлять некоторые координированные акты.

Медузы и актинии живут во всех морях земного шара. Внешне они выглядят совсем неинтеллектуальными существами, какими действительно и являются. Но посмотрите, как ловко хватает актиния проворных и юрких рыб и, облепив щупальцами, тянет в рот. Отдаленные предки этих животных первыми обзавелись примитивным аппаратом для координации движений. У них появились особые клетки, главной функцией которых стали раздражимость и проводимость. Они первые отзываются на воздействия окружающей среды и быстро передают возбуждение остальным клеткам, позволяя организму немедленно реагировать.

У типичной нервной клетки небольшое тело и несколько отростков, по длине значительно превосходящих саму клетку. Их задача обеспечить связь между отдельными районами тела. Раздражение любого участка тела может очень быстро вызвать возбуждение всего организма. Объединяя все части тела животного, нервная система является главным интегратором организма.

Нервная система кишечнополостных (к ним и относятся актинии, гидры, медузы) весьма примитивна. Она представляет собой довольно жиденькую сеть нервных клеток. Их три типа: чувствительные, двигательные и ассоциативные. Первые предназначены для восприятия падающих на организм раздражений, вторые передают возбуждение на сократимые клетки тела, а клетки третьего типа обеспечивают связь чувствительных и двигательных нейронов, передавая возбуждение от первых ко вторым. Одна чувствительная нервная клетка может быть связана своими отростками с несколькими ассоциативными клетками, а те, в свою очередь, имеют контакт с несколькими другими ассоциативными и двигательными нервными клетками. Вот почему при ловле добычи щупальца действуют быстро и координированно.

Определенным усовершенствованием нервной системы стало появление сгущений нейронов и их отростков в тех местах, где требовалась согласованная работа большого количества сократимых клеток. Нервные тяжи, образованные такими скоплениями, есть у гидр и актиний. У медузы два нервных кольца проходят по краю купола, что позволяет ей, сжимая купол, активно передвигаться в толще воды.

Затем возникли более четко выраженные нервные тяжи, где оказалось сосредоточенным большинство нервных клеток. Такая нервная система в виде самостоятельного органа впервые появилась у гребневиков, животных, напоминающих медуз, и достигла вершины развития у плоских червей. У них все клетки собраны в нервные тяжи, которые, многократно пересекаясь, покрывают реденькой сетью все тело червя.

Нервная система в виде сети нервных стволиков – значительное достижение эволюции. Но, пойдя по этому пути, природа оказалась бы в тупике. Такая нервная система слишком сложна и громоздка и сама нуждается в руководящем органе.

Верховный командный центр нервной системы впервые появился у наиболее развитых плоских червей. В местах пересечений нескольких крупных стволиков у них возникли утолщения – ганглии, скопления нервных клеток. Ганглии в первую очередь образуются вблизи органов чувств и важнейших органов тела: глаз, органа равновесия, глотки. Постепенно к ним переходит верховная власть.

Нервная система, построенная из ганглиев, оказалась удачной. У кольчатых червей, которые, по-видимому, произошли от плоских, все нервные клетки собраны в ганглии, а в нервных стволах, их соединяющих, проходят лишь отростки этих клеток. В каждом членике червя находится пара ганглиев, соединенных перемычками между собой и с ганглиями соседних члеников тела и посылающих нервы к ближайшим органам. Первая пара бывает самой крупной и выполняет наиболее сложную работу, так как именно сюда поступает важнейшая информация от зрительных и обонятельных анализаторов, а также органов равновесия.

Первые ганглии держат в известном подчинении всю остальную часть нервной системы. Они прообраз головного мозга высших животных. У некоторых видов высших кольчатых червей все ганглии сблизились между собой, составляя единое компактное образование. Такая нервная система отчасти напоминает мозг низших позвоночных животных. У ланцетника, одного из самых примитивных представителей хордовых животных, она имеет вид однородной нервной трубки. Головного мозга у него нет. Все остальные представители позвоночных, стоящие на эволюционной лестнице выше ланцетника, им обладают.

У миног и миксин в головном мозге можно различить все основные отделы. Сохраняя в самых общих чертах единый план строения от миноги до человека, все отделы мозга претерпевают значительное развитие.

Наиболее интенсивно эволюционирует передний, или, как правильнее называть, конечный мозг. У миног, миксин и настоящих рыб конечный мозг занят лишь анализом сведений, добытых с помощью обоняния. Правда, самые новейшие исследования показали, что и другие органы чувств, в том числе глаза, шлют сюда какую-то информацию, но только не о том, что видят. Возможно, глаза доводят до сведения конечного мозга лишь сам факт поступления новой информации, не раскрывая ее содержания. Остальные органы чувств отправляют сообщения, каждый в особый отдел головного мозга, которые недостаточно хорошо связаны между собой. В таком мозгу не развита способность комплексно обрабатывать всю поступающую информацию.

У амфибий и особенно у рептилий все больше и больше сведений начинает поступать в конечный мозг. Он становится средоточием всех высших психических функций.

Особенно серьезные изменения претерпевает мозг млекопитающих. У них также главным образом развивается конечный мозг, в первую очередь кора больших полушарий. Уже у самых низших млекопитающих для всех видов чувствительности в коре намечаются анализаторные зоны, хотя они еще усердно помогают друг другу. По мере эволюции помощь постепенно сокращается, и у высших млекопитающих каждая анализаторная зона получает информацию только об одном виде раздражителей.

Важный этап эволюции – возникновение в мозгу грызунов и близких к ним животных крохотных зон, которые в анализе показаний рецепторов непосредственного участия не принимают. В эти участки попадает информация, уже прошедшая обработку в других отделах коры, поэтому они называются вторичными, или ассоциативными зонами. Здесь совместно обрабатывается информация от различных анализаторов.

Ассоциативные отделы коры развиваются наиболее бурными темпами. У хищных животных, собак и кошек они уже имеют существенные размеры. В коре обезьян эти зоны перекрытия – так их тоже принято называть – занимают четвертую или даже третью часть, а у человека – подавляющую часть коры, оставляя для анализаторных зон лишь незначительные по размерам участки. Именно деятельность ассоциативных областей коры больших полушарий обеспечивает выполнение высших функций нашего мозга. Они-то и делают нас людьми.

Кирпичики

Очень бегло рассказав о постепенном развитии и усложнении мозга, я хочу вновь вернуться на первую ступеньку, чтобы рассмотреть эволюцию высших функций мозга. Но сначала несколько слов об условном рефлексе.

Широко известно, что до И.П. Павлова никто толком не знал, как изучать высшие функции мозга, а посему никто за это и не брался. Ведь изучать предстояло физиологию психических актов. Естественно, что для начала желательно было исследовать наиболее простой психический акт. Павлову с первых же шагов удалось взять быка за рога. Он сумел придумать метод изучения мозга, нашел элементарнейшее психическое явление, которое одновременно оказалось и физиологическим явлением – условным рефлексом, тем универсальным кирпичиком, из которых строится все здание мыслительной деятельности.

В наши дни трудно встретить человека, не знакомого с учением И.П. Павлова об условных рефлексах. Это дает мне возможность повторить лишь самое основное.

Условные рефлексы не передаются по наследству, а вырабатываются в индивидуальной жизни. Для этого необходимо совпадение во времени действия как минимум двух раздражителей. Лучше, если первый будет безразличен для животного, зато второй должен вызывать какую-нибудь реакцию. При их повторных сочетаниях временная связь между нервными элементами, воспринимающими первый раздражитель, и мозговым центром того рефлекторного акта, который вызывается вторым, замыкается, и вырабатывается условный рефлекс.

К сожалению, я должен констатировать, что ученые, занимающиеся исследованием высших функций мозга, до сих пор не знают интимный механизм образования условных рефлексов, место локализации их в мозгу.

И среди людей, далеких от биологии, и в среде физиологов, занимающихся изучением нервной системы, всегда находится немало скептиков, которые не могут представить себе, что все сложное здание мыслительной деятельности строится из таких простых элементов, как условный рефлекс. Я мог бы напомнить неверующим, что большинство величайших творений зодчих построено из простого кирпича, а одно из семи чудес света – висячие сады Семирамиды даже из кирпича необожженного. Так что на этот аргумент вряд ли стоит обращать внимание. Однако, если быть объективным, следует сказать, что скептики правы, если они имеют в виду временные связи, подобные секреторным условным рефлексам собак, особенно интенсивно изучаемым в павловских лабораториях.

Суть ошибки в том, что временных связей великое множество и все они, оставаясь элементарнейшим явлением психической деятельности, сильно различаются между собой по сложности и совершенству. Здание мыслительной деятельности человека строится из лучшего строительного материала. О совершенствовании стройматериалов и улучшении строительной техники и пойдет здесь речь.

Даже самых примитивных одноклеточных животных можно кое-чему научить. Пустив инфузорию туфельку в мини-водоем, целиком помещающийся в поле зрения микроскопа, у нее можно выработать условную реакцию остановки на границе света и тени, если за переход в затемненную часть бассейна всякий раз «наказывать» ударом тока. Кстати, о том, что у инфузорий есть память, первым догадался барон Мюнхгаузен. Иммерман, обработавший его воспоминания (книга была опубликована у нас в 1838 году, за 65 лет до работ И.П. Павлова!), приводит следующее высказывание барона: «Я нашел, что инфузории, быт которых, между прочим, занимает меня в последнее время, представляют собой, в сущности, недоразвившихся карпов и обладают памятью». Редкий случай, когда отъявленный враль оказался прав, во всяком случае наполовину.

Образовавшийся у инфузории навык не условный рефлекс. Вырабатывается он с большим трудом, а сохраняется очень недолго. Через несколько минут, самое большее полчаса, туфелька все забудет. Чтобы восстановить навык, нужно повторить всю длительную процедуру опыта. Сама она никогда не вспомнит, что на темную половину заплывать опасно. При образовании такой реакции никакого замыкания не происходит. У туфелек просто не в чем замыкаться временным связям, ведь весь организм инфузории одна не очень крупная клетка.

Механизм этой реакции иной: понижение возбудимости (а следовательно, и двигательной активности) под влиянием темноты. Сходными формами нестойкой памяти пользуемся и мы. Она очень удобна для оперативной деятельности типа устного счета, когда на несколько десятков секунд надо удержать в памяти исходные числа, чтобы произвести с ними арифметические действия. Уже через 5–10 минут, а иногда и раньше, мы их полностью забудем.

Естественно, возбудимость может не только повыситься, но и понизиться. Инфузорию стилонихию пугает вибрация. Если дотронуться до поверхности мини-водоема, где ползают стилонихии, они все разом остановятся и на мгновение съежатся. Пугнем инфузорий 10–15 раз подряд. Движение воды в аквариуме – первый признак приближающейся опасности. В нашем опыте вибрация многократно повторяется, но ничего неприятного за ней не следует. Поэтому каждое очередное воздействие начинает вызывать снижение возбудимости. Стилонихии съеживаются все меньше и меньше и наконец совершенно перестают обращать внимание на «запугивания» экспериментатора. На Западе этот вид обучения называют привыканием.

Появление нервной системы на первых порах не внесло ничего нового. Крохотное примитивное существо – пресноводная гидра отвечает на удар электрического тока сокращением своего туловища-стебелька и щупалец. Если удар тока систематически предварять вспышкой, то вскоре один свет будет заставлять гидру съеживаться в комочек. Но и это еще не настоящий условный рефлекс, а скорее суммационный. Удар электрического тока оставляет после себя на некоторое время повышенную возбудимость нервной системы. Действие следующего, суммируясь с предыдущим, еще больше увеличивает возбудимость. После нескольких электрических ударов, следующих друг за другом с короткими интервалами, возбудимость может настолько возрасти, что любой слабый раздражитель, например свет, окажется способным вызвать оборонительную реакцию. Поэтому сочетать свет и удары электрического тока не обязательно, хотя это и помогает проявлению суммационного рефлекса.

Подобные реакции, возникающие в течение жизни животных, являются высшим достижением психической деятельности для плоских червей – планарий, для дождевых червей, а в ряду хордовых – для ланцетников.

Способность к образованию настоящих условных рефлексов впервые возникает у высших кольчатых червей – полихет, а в ряду позвоночных – у рыб. Главная особенность условных рефлексов, резко отличающая их от примитивных временных связей низших животных, – феномен замыкания, то есть функциональное объединение нервных центров. В обычном условном рефлексе нейроны, к которым приходит информация о действии условного раздражителя, функционально объединяются с центром безусловного раздражителя. Например, при образовании пищевого условного рефлекса на звук звонка у животного замыкается связь между звуковым анализатором и пищевым центром.

Нетрудно заметить, что в выработанных реакциях животных отражены закономерности, существующие в окружающей среде. Падают с дерева капли, но за ними не следует ничего более неприятного – у стилонихий вырабатывается реакция привыкания, они перестают обращать внимание на микросотрясения. Простая закономерность: падение капли не предвещает опасности. Получает собака еду каждый раз, как прозвучит звонок, условный рефлекс отражает закономерную связь сигнала о появлении пищи с самой пищей. Еще одна особенность: в образованных реакциях могут получить отражение лишь закономерности, имеющие для животного непосредственное значение.

Условный рефлекс можно выработать не только на такие простые раздражители, как звонок или вспышка света, но и на более сложные, комплексные воздействия. Попробуем, например, использовать для образования рефлекса одновременное действие трех раздражителей – зрительного (мигание света), звукового (звонок) и кожного (легкое покалывание кожи). В ответ на сложный сигнал наши подопытные должны потянуть за кольцо, и за это получат: черепаха – листик салата, собака – кусочек мяса. Условный рефлекс одинаково легко выработается у обоих животных. Разница только в том, что черепаха будет реагировать на любой отдельно взятый компонент, а собака – только на комплекс. Это значит, что для собаки он стал особым светозвукокожным раздражителем, отличным от действия каждого из трех входящих в него компонентов.

Механизм явления понятен: одновременное действие компонентов комплекса привело к образованию временных связей между нервными центрами, к которым эти раздражители адресуются. У рыб, амфибий и рептилий временные связи между компонентами сложных раздражителей еще не образуются.

Ученые заинтересовались, а не могут ли возникнуть у высших животных временные связи, если просто сочетать вспышки света и звучание звонка, не сопровождая эту процедуру дачей пищи. Оказывается, образуются, хотя и не очень прочные.